Miért összenyomható az oxigén és a hidrogén, de a víz alig összenyomható

A két (nem reagáló) atom közötti erőt megközelítőleg a Lennard-Jones-potenciál adja, és ez az atomok távolságával valahogy így változik:

(ez a kép a Wikipedia cikkből van, amit fentebb linkeltem). Az ábrán a $\sigma$ paramétert az atom méretének tekinthetjük, tehát a $x$ tengelyen az $r/\sigma = 1$ érték az a pont, ahol az atomok érintkeznek. Amikor az atomok távol vannak egymástól, akkor nagyon enyhe vonzás van, de amint az atomok érintkeznek, akkor erős taszítás lép fel, és nagyon nehéz az atomokat közelebb tolni egymáshoz.

Vigyázzunk, hogy ezt ne vegyük túl iterikusan, mivel az atomok kissé homályos objektumok, és nincs pontos méretük. mindazonáltal a lényeg az marad, hogy van egy távolság az atomok között, amikor hirtelen erősen taszítani kezdik egymást.

Most visszatérve a kérdésedre. Közel ideális gázok, mint az oxigén és a hidrogén esetében standard hőmérsékleten és nyomáson egy mól (azaz $6,023 \szor 10^{23}$ molekula) körülbelül 22,4 litert foglal el. Ez azt jelenti, hogy a molekulák közötti átlagos távolság körülbelül 3 nm. Egy oxigénmolekula mérete nagyon durván (nem gömb alakúak) 0,3 nm, tehát a molekulák közötti távolság körülbelül 10-szerese a méretüknek. Ez a fenti grafikonon messze jobbra van, és ez azt jelenti, hogy a közöttük lévő erők alacsonyak, és nagyon könnyű őket egymáshoz nyomni. Ezért lehet a gázokat könnyen összenyomni.

Most gondoljunk a vízre. Egy mol víz (0,018 kg) kb. 18 ml-t foglal el, tehát a vízben a molekulák közötti távolság kb. 0,3 nm – más szóval érintkeznek egymással. Ez az a pont, ahol a molekulák húrosan taszítani kezdik egymást, és emiatt nehéz őket közelebb tolni egymáshoz. Ezért nem lehet a vizet könnyen összenyomni.

A (nem reagált) oxigén és hidrogén keverékének összenyomására kérdezel. Nos, ha eléggé összenyomjuk az oxigént, akkor az elfolyósodik, és a folyékony oxigén sűrűsége kb. 1140 kg/m$^3$. Ekkor az oxigénmolekulák közötti távolság kb. 0,35nm. Ez a távolság nagyjából megegyezik az O$_2$ molekulák méretével, így a folyékony oxigént nehéz összenyomni. Megismételhetjük ezt a számítást folyékony hidrogénre (sűrűsége kb. 71 kg/m$^3$), és nagyon hasonló eredményt kapunk. Valójában azt várnám, hogy a folyékony hidrogén jobban összenyomható, mint a folyékony oxigén és a víz, mert a H$_2$ molekula lényegesen kisebb. Egy gyors Google kereséssel azonban nem találtam értékeket a folyékony hidrogén térfogati modulusára.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.