Real gases Tamil revision study sheet in plain-language paragraphs: why real gases deviate from the ideal gas equation at high pressure and low temperature, the compressibility factor Z, the van der Waals equation and its a and b correction terms, Boyle Temperature where the deviation vanishes, comparing deviation across different gases, and critical temperature as the natural limit of liquefaction including the vapour density method that revealed AlCl3 dimerisation.

A/L இரசாயனவியல் · அலகு 4 · குறு குறிப்பு (4ஈ)

🧠 மனப்படம்
🧊
மெய் வாயுக்கள் & திரவமாதல்
Real Gases & Liquefaction

1 ஏன் மெய் வாயுக்கள் விலகுகின்றன?

மூலக்கூற்று இயக்கவியல் கொள்கை இரு கருதுகோள்களை ஏற்றுக்கொள்கின்றது: மூலக்கூறுகளுக்கிடையே இடைவிசைகள் இல்லை என்பதும், அவற்றின் சொந்தக் கனவளவு புறக்கணிக்கத்தக்கது என்பதும். இவ்விரு கருதுகோள்களையும் முழுமையாகப் பின்பற்றும் கற்பனை வாயுவே இலட்சிய வாயு. ஆனால் மெய் வாயுக்களின் மூலக்கூறுகள் வரையறுக்கப்பட்ட சொந்தக் கனவளவைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் அவை தமக்கிடையே மெய்யான இடை மூலக்கூற்று விசைகளைக் கொண்டுள்ளன — இவ்விசைகள் இல்லாவிட்டால் ஒரு வாயுவை ஒருபோதும் திரவமாக மாற்ற முடியாது.

இவ்விலகல் (deviation) அதிக அமுக்கத்திலும் தாழ் வெப்பநிலையிலும் மிகப் பெரியதாக அமையும். அதிக அமுக்கத்தில் மூலக்கூறுகள் நெருக்கமாகி, அவற்றின் சொந்தக் கனவளவும் இடைவிசைகளும் தெளிவாகத் தொழிற்படத் தொடங்குகின்றன. தாழ் அமுக்கத்திலும் உயர் வெப்பநிலையிலும் மூலக்கூறுகள் தொலைவாக அமைவதால் வாயு இலட்சிய நடத்தைக்கு நெருக்கமாகின்றது.

2 அமுக்கப்படும் தகவுக் காரணி Z

ஒரு வாயு இலட்சிய நடத்தையிலிருந்து எவ்வளவு விலகுகின்றது என்பதை அளவிட அமுக்கப்படும் தகவுக் காரணி (compressibility factor, Z) பயன்படுத்தப்படுகின்றது — இது வாயுவின் உண்மையான மூலர்க் கனவளவிற்கும், அதே T, P இல் இலட்சிய வாயுவாக நடந்தால் கொண்டிருக்கும் மூலர்க் கனவளவிற்குமான விகிதம்.

Z = PV / nRT  ·  இலட்சிய வாயுவிற்கு Z = 1 (எல்லா அமுக்கங்களிலும்)

காபன் மொனொட்சைட்டு (CO) அல்லது மெதேன் (CH₄) போன்ற வாயுக்களில், தாழ் அமுக்கத்தில் Z முதலில் 1 இற்குக் கீழே இறங்குகின்றது — இது இடை மூலக்கூற்றுக் கவர்ச்சிகள் மேலோங்குவதைக் காட்டுகின்றது. பின்னர் அமுக்கம் மேலும் அதிகரிக்கும்போது Z மேல்நோக்கி உயர்ந்து 1 ஐயும் தாண்டிச் செல்கின்றது — இது மூலக்கூறுகளின் வரையறுக்கப்பட்ட சொந்தக் கனவளவு மேலோங்குவதைக் காட்டுகின்றது. ஐதரசன் (H₂) அல்லது ஹீலியம் (He) போன்ற சிறிய, பலவீன ஈர்ப்புடைய வாயுக்களில், அமுக்கம் அதிகரிக்க Z தொடர்ந்து 1 இலும் அதிகரித்தபடியே செல்லும்.

பொதுவான தவறு
Z < 1 எனின் கவர்ச்சி விசைகள் மேலோங்குகின்றன (வாயு இலட்சியத்தை விட எளிதாக அமுக்கப்படுகின்றது); Z > 1 எனின் மூலக்கூறுகளின் சொந்தக் கனவளவு மேலோங்குகின்றது (அமுக்குவது கடினமாகின்றது) — இவ்விரு விளக்கங்களையும் மாற்றி எழுதிவிடாதீர்.

3 வந்தர்வாலுசு சமன்பாடு

மெய் வாயுக்களின் நடத்தையை விபரிக்க இலட்சிய வாயுச் சமன்பாட்டிற்கு இரு திருத்தங்களை வழங்குவதே வந்தர்வாலுசு சமன்பாடு (van der Waals equation).

(P + n²a/V²)(V − nb) = nRT

அமுக்கத் திருத்தம் (an²/V²): அதிக அமுக்கத்தில் இடை மூலக்கூற்றுக் கவர்ச்சி விசைகள் தொழிற்படுவதால், சுவரை நோக்கி நகரும் மூலக்கூறு பின்னோக்கி ஈர்க்கப்பட்டு, மெய் வாயு செலுத்தும் அமுக்கம் இலட்சியத்தை விடக் குறைவாக அமையும். இக்குறைபாட்டை ஈடுசெய்யவே an²/V² அமுக்கத்துடன் கூட்டப்படுகின்றது. கனவளவுத் திருத்தம் (nb): மெய் வாயு மூலக்கூறுகள் வரையறுக்கப்பட்ட சொந்த அளவைக் கொண்டிருப்பதால், மூலக்கூறுகள் உண்மையில் நகரக்கூடிய பயனுள்ள கனவளவு (V − nb) ஆகும்.

"a" மூலக்கூறுகளுக்கிடையிலான கவர்ச்சி விசையின் பருமனைக் குறிக்கும் மாறிலி — கவர்ச்சி அதிகமான வாயுக்களுக்கு (NH₃, CO₂) a பெரிதாகவும், பலவீன கவர்ச்சியுடைய வாயுக்களுக்கு (He, H₂) a சிறிதாகவும் இருக்கும். "b" மூலக்கூறுகளின் சொந்த அளவைக் குறிக்கும் மாறிலி. இரண்டும் ஒவ்வொரு வாயுவிற்கும் தனித்துவமான நேர் மாறிலிகள்.

உதாரணம்
1.00 mol CO₂ 273 K இல் 1.00 dm³ இல் உள்ளது (a=3.59, b=0.0427). இலட்சிய சமன்பாடு: P = nRT/V = 22.4 atm. வந்தர்வாலுசு: V−nb = 0.9573; P = (nRT/(V−nb)) − an²/V² = 23.41 − 3.59 = 19.8 atm — கவர்ச்சி விசைகளின் காரணமாக மெய் அமுக்கம் இலட்சியத்தை விடக் குறைவு.

4 போயில் வெப்பநிலை

Z-vs-P வளைகோட்டில் காணப்படும் இறக்கமும் (dip) பின்னரான ஏற்றமும், அமுக்கத் திருத்தமும் (a) கனவளவுத் திருத்தமும் (b) ஒன்றுக்கொன்று எதிராகச் செயற்படுவதன் விளைவாகும். ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் — போயில் வெப்பநிலை (Boyle Temperature, TB) என அழைக்கப்படும் — இவ்விரு விளைவுகளும் ஒன்றையொன்று ஏறத்தாழ ரத்துச் செய்துவிடுகின்றன; அதனால் Z ஒரு அகன்ற அமுக்க வரம்பிலேயே 1 க்கு மிக நெருக்கமாக நிலைத்திருக்கும். TB இல் வாயு விரிவான P வீச்சில் இலட்சிய நடத்தைக்கு மிக நெருக்கமாக நடந்துகொள்ளும் என்பதே இதன் நடைமுறை முக்கியத்துவம்.

5 வாயுக்களுக்கிடையேயான ஒப்பீடு

வெவ்வேறு வாயுக்கள் இலட்சிய நடத்தையிலிருந்து வெவ்வேறு அளவில் விலகுகின்றன — இடை மூலக்கூற்று விசை எவ்வளவு வலிமையானதோ, அவ்வளவு அதிகமாக விலகல் நிகழும். இலட்சியத்திற்கு மிக நெருக்கமான வரிசையில்: He > H₂ > N₂ > CO₂ > NH₃. ஹீலியத்தின் மூலக்கூறுகளுக்கிடையே பலவீனமான லண்டன் பரவல் விசை மட்டுமே உள்ளது; அம்மோனியாவோ துருவமும் ஐதரசன் பிணைப்பும் கொண்டதனால் வலிமையான ஈர்ப்பு உண்டு. ஒரு வாயுவின் விலகல் எவ்வளவு அதிகமோ, அதன் அவதி வெப்பநிலையும் (Tc) அவ்வளவு உயர்வாக இருக்கும் — இரண்டும் ஒரே காரணத்தால், அதாவது இடை மூலக்கூற்று விசையின் வலிமையால், தீர்மானிக்கப்படுகின்றன.

6 அவதி வெப்பநிலையும் திரவமாதலும்

அவதி வெப்பநிலை (critical temperature, Tc) என்பது, அவ்வெப்பநிலையிலோ அதற்கு உயர்வான வெப்பநிலையிலோ எவ்வளவு உயர்ந்த அமுக்கத்தைப் பிரயோகித்தாலும் ஒரு வாயுவைத் திரவமாக மாற்ற முடியாத எல்லை வெப்பநிலை. அவதி வெப்பநிலையில் வாயுவைத் திரவமாக்கத் தேவையான குறைந்தபட்ச அமுக்கமே அவதி அமுக்கம் (critical pressure). எனவே ஒரு வாயுவைத் திரவமாக்கும் பொதுவான வழிமுறை இரண்டு படிகளைக் கொண்டது — முதலில் Tcக்குக் கீழே குளிர்விக்க வேண்டும், பின்னர் அமுக்க வேண்டும்.

உதாரணம்
CO₂ இன் அவதி வெப்பநிலை 30.98 °C. அறை வெப்பநிலையான 25 °C அதற்குக் கீழே உள்ளதால், போதிய அமுக்கத்தால் CO₂ ஐ 25 °C இல் திரவமாக்க முடியும். ஆனால் 40 °C இல் எவ்வளவு அமுக்கினாலும் CO₂ வாயு நிலையிலேயே இருக்கும்.

வாயுவின் மூலர் திணிவை அளக்கும் ஒரு நடைமுறை முறை, தெரிந்த T, P நிலையில் அதன் ஆவி அடர்த்தியை (vapour density) அளந்து M = ρRT/P பயன்படுத்துவதாகும். இம்முறையால் அலுமினியம் குளோரைட்டின் (AlCl₃) ஆவி அடர்த்தி எதிர்பார்த்ததை விட இருமடங்காக இருப்பது கண்டறியப்பட்டு, வாயு நிலையில் அது Al₂Cl₆ எனும் இரட்டைக் கூறாக (dimer) இருப்பதை வெளிப்படுத்தியது.

learn.gtdigital.tech · A/L இரசாயனவியல் · அலகு 4 கோபிரமணன் திருசெந்திவேல், MSc