จอห์น ดอลตัน (John Dalton) ค.ศ. 1776- 1844

        อากาศที่หนาแน่นน้อยทำให้เราหายใจลำบากจริงหรือไม่

 

        เราทราบมาแล้วว่า แก๊สทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นแก๊สออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ หรือแก๊สไฮโดรเจน แก๊สเหล่านี้ต่างก็ต้องการปริมาตรและมีความดันอยู่ค่าหนึ่งตามปริมาณของแก๊สและอุณหภูมินั้นๆ แต่ถ้าเรานำแก๊สสองชนิดหรือมากกว่าสองชนิดขึ้นไปมาผสมกันโดยแก๊สเหล่านั้นต้องไม่ทำปฏิกิริยากัน พฤติกรรมของแก๊สที่ผสมกันนั้น โดยเฉพาะในเรื่องของความดันจะเป็นไปอย่างไร
จอห์น ดาลตันได้สนใจศึกษาเกี่ยวกับ ความดันของแก๊สผสมต่างๆ และเขาก็ได้ตั้งกฏความดันย่อยของแก๊สขึ้นมาในปี ค.ศ. 1801 ด้วย ข้อสรุปกฏความดันย่อยกล่าวว่า "ความดันรวมของแก๊สผสมจะเท่ากับผลรวมของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิดที่ผสมกัน "

        พิจารณารูปด้านล่างเมื่อแก๊ส A และ B มีปริมาตรอย่างละ 5 ลิตร เมื่อนำแก๊ส A และ B มาบรรจุรวมกันในภาชนะใหม่ขนาด 5 ลิตรเท่าเดิม ความดันใหม่ของแก๊สผสมจะเท่ากับ ผลรวมความดันของ แก๊ส A และ B ตามสมการ

                                                                         P_total = P_A +P_B

                                                         เมื่อ         P_total        คือ  ความดันรวมของแก๊สผสม

                                                                    P_A และ P_B     คือความดันของแก๊ส A และ B ตามลำดับ

        ตัวอย่างเช่น ถ้าเรามี แก๊สไฮโดรเจน 0.5 โมล ปริมาตร 5 ลิตร ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ความดันเท่ากับ 2.4 บรรยากาศ ดังรูป ก และ ในรูป ข มีแก๊สฮีเลียม 1.25 โมล ปริมาตร 5 ลิตร ที่อุณหภูมิ เดียวกัน ความดันของแก๊สฮีเลียม 6 บรรยากาศ

       เมื่อนำแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สฮีเลียมจากรูป ก และรูป ข มารวมกันในถังปริมาตร 5 ลิตร และอุณหภูมิเท่าเดิม 20 องศาเซลเซียส จะได้แก๊สผสมในรูป ค. ด้านล่าง ซึ่งความดันรวมจะเท่ากับความดันของแก๊สทั้งสองรวมกัน นั่นคือ 8.4 atm

 

        แก๊สผสมนี้จะมีจำนวนโมลและความดันเพิ่มขึ้น ความดันใหม่ที่เกิดขึ้นก็เป็นผลรวมของแก๊สทั้งสองนั่นเอง ดังนั้นถ้าพูดถึงความดันของแก๊สผสมจะมีคำศัพท์ สองคำที่ควรรู้ คือ ความดันรวม และ ความดันย่อย

        ความดันรวม คือความดันทั้งหมดที่เราทำการวัดได้หลังจากที่แก๊สสองชนิดหรือมากกว่าผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันเรียบร้อย ส่วนความดันย่อยก็หมายถึงความดันของแก๊สแต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบอยู่ในแก๊สผสมนั้นๆ

        ในความเป็นจริง เราจะสามารถวัดความดันของแก๊สได้นั้น ก็เป็นความดันรวมของแก๊สทั้งหมดที่อยู่ในระบบ แต่ถ้าเราอยากจะรู้ความดันย่อยเราสามารถคำนวณได้จากกฏของดอลตัน มาพิจารณาดูความสัมพันธ์ของกฏความดันย่อยต่อไปอีก

 

 

        ในรูป ง. แสดงภาชนะที่บรรจุแก๊สฮีเลียม ชนิดเดียว ปริมาณ 1.74 mol

        ในรูป จ. แสดงภาชนะที่บรรจุ แก๊สไฮโดรเจน 0.75 mol แก๊สฮีเลียม 0.25 mol และแก๊สนีออน 0.25 mol จำนวนโมลรวมเท่ากับ 1.75 mol ความดันของแก๊สในภาชนะเกิดจากความดันย่อยของแก๊สทั้ง 3 ชนิด รวมกัน ซึ่งเท่ากับ 8.4 atm ที่อุณหภูมิ 20 ^oC และปริมาตรภาชนะเท่ากับ 5 L

        ส่วนในรูป ฉ. แสดงภาชนะที่บรรจุแก๊สไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน อย่างละ 1 ,0.5 และ 0.25 โมลตามลำดับ ที่สภาวะเดียวกันกับ รูป ง และ จ เราจะได้ความดันของแก๊สทั้ง 3 ชนิดเท่ากับ 8.4 atm

        เมื่อพิจารณาจาก รูป ง จ และ ฉ แล้วจะพบว่า เมื่อแก๊สทั้งหมดมีปริมาณเท่ากัน(จำนวนโมลเท่ากัน) ในปริมาตรที่เท่ากัน ความดันของแก๊สจะเท่ากันเสมอแม้ว่าองค์ประกอบของแก๊สจะแตกต่างกันไปก็ตาม

        นอกจากนี้ ดาลตันยังได้ตั้งข้อสังเกตว่า ที่ว่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สในภาชนะปิดใดๆมีมาก (หมายถึง ระยะทางที่ใกล้ที่สุดที่จะพบแก๊สสองโมเลกุลอยู่ติดกันนั้นมีระยะทางมากกว่ารัศมีของโมเลกุลแก๊สมาก ๆ)ดังนั้นแก๊สแต่ละโมเลกุลในภาชนะจึงไม่ไปรบกวนการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอื่น แต่ถ้ามีการเพิ่มอุณหภูมิหรือเพิ่มความดันในภาชนะมากขึ้นก็จะส่งผลทำให้แก๊สแต่ละโมเลกุลเกิดแรงกระทำต่อกันได้เพิ่มขึ้น

 

        ทำไม บอลลูนที่บรรจุแก๊สนีออน (Ne) จึงลอยขึ้นไปบนอากาศ ขณะที่ บอลลูนที่บรรจุแก๊สฟลูออรีน จึงไม่สามารถลอยขึ้นไปบนอากาศได้

วิธีการหาความดันย่อยของแก๊ส        อาจทำได้ สองวิธีคือ

        วิธีที่ 1 ใช้สมการแก๊สในอุดมคติ

        วิธีที่ 2 ใช้ความสัมพันธ์สัดส่วนโมลของแก๊สผสมนั้น

 

วิธีที่ 1 ใช้สมการแก๊สในอุดมคติ

       เงื่อนไขที่สามารถคำนวณ เมื่อเราทราบปริมาณแก๊สเป็นโมลหรือเป็นกรัม ทราบปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สผสมนั้นๆ เราสามารถคำนวณหาความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิดได้

ตัวอย่าง 1    จงคำนวณหาความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิดและความดันรวมของ แก๊สไฮโดรเจน 2 โมล ,แก๊สออกซิเจน 4 โมล และแก๊สฮีเลียม 6 โมล ในถังปริมาตร 5 ลิตร ที่อุณหภูมิ 27 องศาเซลเซียส

วิธีทำ           มีขั้นตอนดังนี้

                   1. เปลี่ยนหน่วนอุณหภูมิเป็นหน่วยเคลวิน :    K = 27 + 273 = 300 K

                   2. ใช้สมการ    PV  =    nRT      หาความดันของแก๊สไฮโดรเจน (H₂)

                                    

                   3. คำนวณหาความดันของแก๊สออกซิเจน

                                      

                    4. คำนวณหาความดันของแก๊สฮีเลียม

                                          

                     5. คำนวณหาความดันรวมของแก๊ส

 

วิธีที่ 2 ใช้ความสัมพันธ์สัดส่วนโมลของแก๊สผสม

         ถ้าเราทราบจำนวนโมลหรือปริมาณแก๊สเป็นกรัมและความดันรวม เราสามารถคำนวณความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิดตามสมการด้านล่าง
P₁ = X₁ ( P_total) เมื่อ X ₁ = สัดส่วนโมลของแก๊สชนิดที่ 1
สัดส่วนโมลของแก๊ส คือจำนวนโมลของแก๊สชนิดนั้นๆ หารด้วยจำนวนโมลทั้งหมดของแก๊สผสม
สัดส่วนโมลของแก๊สชนิดที่ 1 = จำนวนโมลของแก๊สชนิดที่ 1 / จำนวนโมลทั้งหมด

ตัวอย่าง         จงคำนวณความดันย่อยของแก๊สผสมในหน่วยทอร์ (torr) ของแก๊ส ไฮโดรเจน 6 กรัม แก๊สออกซิเจน 32 กรัม และแก๊สไนโตรเจน  56 กรัม ที่มีความดัน 750 ทอร์

วิธีทำ
                       1. หาจำนวนโมลของแก๊สไฮโดรเจน    =      6 กรัม x1 mole / 2 กรัม = 3 โมล
                       2. หาจำนวนโมลของแก๊สออกซิเจน     =     32 กรัม x1 mole / 32 กรัม = 1 โมล
                       3. หาจำนวนโมลของแก๊สไนโตรเจน    =      56 กรัม x 1 mole / 28 กรัม = 2 โมล
                       4. หาจำนวนโมลรวม
                                  จำนวนโมลรวม       =     3 โมล H₂ + 1 โมล O₂ + 2 โมล N₂

                                                               = 6    โมล
                        5. หาสัดส่วนจำนวนโมลของแก๊สไฮโดรเจน
                                   สัดส่วนจำนวนโมลของ H₂ =     จำนวนโมลของ H₂ / จำนวนโมลทั้งหมด

                                                                =    3 โมล H₂ / 6 โมล

                                                               =     0.5
                        6. หาความดันย่อยของแก๊สไฮโดรเจน

                                                     =      สัดส่วนโมลของ H₂     

                                                                =     จำนวนโมลแก๊สไฮโดรเจน x ( ความดันทั้งหมด)

                                                                =      0.5 ( 750 torr) = 375 torr
                       7. หาสัดส่วนจำนวนโมลของแก๊สออกซิเจน
                                  สัดส่วนจำนวนโมลของ O₂ = จำนวนโมลของ O₂ / จำนวนโมลทั้งหมด

                                                               =       1 / 6 = 0.167
                       8. หาความดันย่อยของแก๊สออกซิเจน
                                                   =      สัดส่วนโมลของแก๊สออกซิเจน x (ความดันทั้งหมด)

                                                               =       0.167 ( 750 torr)

                                                               =      125 torr
                        9. หาสัดส่วนจำนวนโมลของแก๊สไนโตรเจน
                                   สัดส่วนจำนวนโมลของ N₂ =     โมลของ N₂ / จำนวนรวม

                                                                =     2 / 6    

                                                                =   0.333
                       10. หาความดันย่อยของแก๊สไนโตรเจน
                                                    =    สัดส่วนโมลของ N₂ x (ความดันทั้งหมด)

                                                                 =    0 .333(750 torr)

                                                                 =     250 torr