आदर्श गैस मॉडल और वास्तविक गैसों के व्यवहार पैटर्नगैसें

आइए ठोस, द्रव और गैस के गुणों में अंतर को समझें। ये तीनों पदार्थ की परस्पर विनिमय योग्य अवस्थाएं हैं। ठोस पदार्थ। ठोस पदार्थ की वह अवस्था है जिसका आकार निश्चित होता है क्योंकि इसके सभी परमाणु एक दूसरे से कसकर बंधे होते हैं। परमाणु स्वतन्त्र रूप से गति नहीं करते। इसके निश्चित आकार के कारण इसका आयतन भी निश्चित है। ठोसों के कणों के बीच अंतराआणविक बल अधिकतम होता है। इसलिए, ठोसों के कणों के बीच अंतराआणविक स्थान न्यूनतम होता है।

ठोस पदार्थों के कणों के बीच की दूरी कम होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कण एक दूसरे के निकट सघन रूप से व्यवस्थित होते हैं। ये सघन रूप से पैक अंतराण्विक कण ठोसों को उच्च घनत्व प्रदान करते हैं। ठोस पदार्थों में परमाणु मजबूत बंधों द्वारा बंधे होते हैं। यही कारण है कि ठोस पदार्थ संपीडनीय नहीं होते। क्या आप जानते हैं कि संपीडनशीलता क्या है?। संपीड्यता, इस बात का माप है कि दबाव डालने पर पदार्थ का दिया गया आयतन कितना कम हो जाता है। यदि हम ठोस पदार्थों पर दबाव डालें तो आयतन में वस्तुतः कोई परिवर्तन नहीं होता।

आइये एक उदाहरण लेते हैं। यहाँ हम एक ईंट देखते हैं। इसका एक निश्चित आकार और एक निश्चित आयतन है। परमाणु एक निश्चित तरीके से व्यवस्थित होते हैं। इसे संपीड़ित नहीं किया जा सकता क्योंकि इसमें कोई मुक्त अंतराण्विक स्थान नहीं होता। इसीलिए ईंट का घनत्व अधिक होता है। आइये एक और उदाहरण लेते हैं। रेत भी ठोस होती है क्योंकि इसका आकार और आयतन निश्चित होता है। इसका घनत्व अधिक है। दबाव डालने पर इसका आयतन कम नहीं होता। इसलिए यह संपीड़ित नहीं है।

तरल पदार्थ। द्रव कण निकट संपर्क में हैं। इनका अंतराण्विक स्थान गैसों से कम होता है। इसीलिए इसका आयतन निश्चित है। लेकिन तरल कण स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। इसलिए उनका कोई निश्चित आकार नहीं है। तरल पदार्थ बहते हैं और बर्तन के निचले हिस्से को भरकर उसका आकार ले लेते हैं। हालाँकि, इससे वॉल्यूम में कोई बदलाव नहीं होता है। तरल कण बहुत आसानी से एक दूसरे के पास से गुजर सकते हैं। इसलिए वे बर्तन के जिस भाग में होते हैं, उसी का आकार ले लेते हैं। द्रव के कण एक दूसरे के पास ही रहते हैं। इसलिए, ठोस पदार्थों की तुलना में तरल पदार्थों के आयतन में केवल मामूली वृद्धि होती है। द्रव घनत्व और संपीडनशीलता के बारे में आप क्या सोचते हैं?।

समान द्रव्यमान वाले द्रव का आयतन ठोस पदार्थ से थोड़ा अधिक होगा। यही कारण है कि द्रव का घनत्व ठोस अवस्था की तुलना में थोड़ा कम होता है। लेकिन तरल पदार्थ का घनत्व उसके संगत गैसीय अवस्था के घनत्व से कहीं अधिक होता है। यद्यपि कण अनियमित रूप से व्यवस्थित होते हैं, फिर भी वे कसकर पैक होते हैं। इससे द्रवों का घनत्व उच्च होता है, लेकिन ठोसों की तुलना में थोड़ा कम होता है। संपीड्यता, दाब में वृद्धि के साथ आयतन में परिवर्तन है। इसलिए दबाव डालने पर द्रव का आयतन कम हो जाता है। लेकिन ऐसा बहुत ही कम अंश में होता है। तरल के कण पैक तो होते हैं, लेकिन थोड़े ढीले, ताकि उन्हें संपीड़ित किया जा सके। इसलिए तरल पदार्थ थोड़ा संपीड्य होते हैं।

उदाहरण 1। जल एक तरल पदार्थ है जिसका आयतन निश्चित है, लेकिन आकार निश्चित है। यदि इसे गिलास में रखा जाए तो यह गिलास का आकार ले लेता है। यदि इसे बोतल में रखा जाए तो यह बोतल का आकार ले लेता है। इसका घनत्व उच्च है। दूध भी संपीडनीय है लेकिन आयतन में परिवर्तन या कमी बहुत कम होती है। उदाहरण 2। रक्त भी तरल है, इसका कोई आकार नहीं होता तथा यह उन धमनियों के आकार का होता है जिनमें यह स्थित होता है। इसका घनत्व 1g/m2 है जो किसी भी घास से अधिक हैयह संपीड़ित भी है।

गैसें। किसी गैस में अंतराण्विक स्थान अधिकतम होता है। यही कारण है कि इसका कोई निश्चित आयतन नहीं है। क्योंकि इसके कण एक दूसरे से कसकर नहीं जुड़े होते, वे स्वतंत्र रूप से घूमते हैं। इसलिए, गैस का कोई निश्चित आकार नहीं होता। गैसें उस पात्र का आकार ले लेती हैं जिसमें वे रहती हैं। अधिकांश मामलों में कणों के बीच कोई आकर्षण बल नहीं होता। इसका अर्थ यह है कि गैस के पास कोई विशिष्ट आकार या आयतन धारण करने के लिए कुछ नहीं होता।

घनत्व वह द्रव्यमान है जो विशिष्ट दबाव और तापमान पर एक इकाई आयतन में व्याप्त होता है। गैस का घनत्व नगण्य होता है। यह ठोस या तरल के घनत्व से 1000 गुना कम है। इसलिए गैसों का घनत्व आमतौर पर बहुत कम होता है। गैसें अत्यधिक संपीड्य होती हैं, क्योंकि गैस का अधिकांश आयतन गैस कणों के बीच बड़ी मात्रा में स्थान से बना होता है। दबाव डालने से गैसों का आयतन कम हो जाता है।

उदाहरण। उदाहरण के लिए सोडा को लें। सोडा में कार्बन डाइऑक्साइड गैस होती है। यह गैस एक बोतल और आयतन का आकार भी ले लेती है, जहां कोई तरल सोडा नहीं होता। इसका घनत्व कम होता है और यह संपीड़न द्वारा सोडा की बोतल में रहता है। क्या आप जानते हैं कि वाई-फाई केबल में हीलियम गैस होती है?। वाई-फाई केबल में यह हीलियम गैस उस केबल का आकार और आयतन ले लेती है जिसमें वह रहती है। इसका घनत्व सबसे कम होता है तथा यह संपीड़ित रूप में केबलों में रहता है।

आदर्श गैस समीकरण। आदर्श गैस समीकरण इस प्रकार तैयार किया जाता है PV=nRT। इसे आदर्श गैस नियम भी कहा जाता है। यह एक काल्पनिक आदर्श गैस का समीकरण है। यह अनेक स्थितियों में अनेक गैसों के व्यवहार का अनुमान दर्शाता है। इसकी कुछ सीमाएँ भी हैं। यह चार्ल्स के नियम और बॉयल के नियम जैसे अनुभवजन्य नियमों का संयोजन है। यह हमें विशेष परिस्थितियों में गैसों का वर्णन करने में सहायता करता है। इसका प्रयोग गैसों का आयतन और घनत्व ज्ञात करने के लिए किया जाता है।

इस समीकरण का उपयोग रासायनिक प्रतिक्रिया समीकरण में मोलर मात्रा और आयतन के बीच अंतर-रूपांतरण के लिए भी किया जाता है। आदर्श गैस एक काल्पनिक गैस है जो वास्तविकता में नहीं देखी जाती। इसका उद्देश्य गणना को सरल बनाना है। आदर्श गैस परिदृश्य में, गैस के अणु या कण आपस में प्रत्यास्थ टकराव के साथ सभी दिशाओं में स्वतंत्र रूप से घूमते हैं। आदर्श गैस स्थितियों में, कणों के आपस में टकराने पर ऊर्जा की कोई हानि नहीं होती।

वास्तविकता में, ऐसी कोई आदर्श गैस नहीं है। सभी वास्तविक गैसें काफी कम घनत्व पर आदर्श गैस गुण प्राप्त करने का प्रयास करती हैं। गैस के अणु एक दूसरे से बहुत दूर होते हैं और आपस में परस्पर क्रिया नहीं करते, जो कम घनत्व वाले मामले में सहायक होता है। अतः वास्तविक गैसों को समझने के लिए आदर्श गैस परिकल्पना का उपयोग किया जाता है। यदि हम गैसों का अध्ययन करना चाहते हैं तो हमें एक मानक गैस की आवश्यकता होगी। इसका उपयोग करके हम अन्य सभी गैसों की तुलना करते हैं और उनके गुणों का अध्ययन करते हैं। मान लीजिए कि हम हाइड्रोजन, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन, हीलियम या किसी अन्य गैस का अध्ययन करना चाहते हैं। हम उस गैस का एक मोल लेते हैं और उसे एक कंटेनर में डालते हैं। हमने इसका तापमान और दबाव भी बनाए रखा। फिर कम घनत्व पर, छोटे माप अंतर भी गायब हो जाते हैं।

यह सिद्ध हो चुका है कि कम घनत्व पर वास्तविक गैसें आदर्श गैस की तरह व्यवहार करती हैं तथा एक सार्वभौमिक नियम का पालन करती हैं जिसे आदर्श गैस नियम के रूप में जाना जाता है। यह नियम एक समीकरण द्वारा प्रस्तुत किया जाता है जिसे आदर्श गैस समीकरण कहा जाता है। PV=nRT। यहाँ P दाब है तथा V आदर्श गैसों का आयतन है। n एक आदर्श गैस के मोलों को दर्शाता है। T तापमान है और R गैस स्थिरांक है। R का मान निश्चित है 8.3144(48)JK⁻¹mol⁻¹।

आदर्श गैस नियम की कई सीमाएँ हैं। यह केवल तभी लागू होता है जब घनत्व कम हो। उच्च घनत्व पर, वास्तविक गैसें आदर्श गैस नियम से विचलित हो जाती हैं। आदर्श गैस समीकरण में, n किसी दिए गए मिश्रण में गैस कणों के कुल मोलों को दर्शाता है। आदर्श गैस की अवस्थाओं के समीकरण में सरल गुणों के बीच एक संबंध होता है जो बहुत सामान्य होता है। गैस की अवस्था का सरल समीकरण आदर्श गैस अवस्था समीकरण के रूप में जाना जाता है। क्या आप आदर्श गैस समीकरण से आयतन या दाब की गणना कर सकते हैं?।

उदाहरण 1। मानक तापमान और दाब पर 5 ग्राम कार्बन डाइऑक्साइड द्वारा ग्रहण की गई गैस का आयतन कितना होगा?। सबसे पहले आदर्श गैस समीकरण लिखें और आयतन निर्धारित करने के लिए इसे पुनः व्यवस्थित करें। V=nRT/P। फिर हम गणना करते हैं जैसा कि यहां दिखाया गया है। उदाहरण 2। आइये तापमान ज्ञात करने का एक और उदाहरण देखें। इसमें 08 मोल ऑक्सीजन गैस 2 वायुमंडल के 15 लीटर स्थान घेरती है। तापमान निर्धारित करने के लिए आइए आदर्श गैस समीकरण को पुनः व्यवस्थित करें। T = PV/nR