Osapaine

Osapaine on kaasuseoksen yksittäisen komponentin tuottama osuus kaasun kokonaispaineesta. Ideaalisen kaasunseoksen osapaineet voidaan määrittää ideaalikaasun tilanyhtälöstä. Yksittäisen komponentin $i$ osapaine on $p_{i}=px_{i}$, missä $p$ on kaasuseoksen kokonaispaine ja $x_{i}$ on komponentin mooliosuus.

Daltonin osapainelain mukaan kaasuseoksen kokonaispaine tietyssä tilavuudessa on sen kaasujen osapaineiden summa. Lain havaitsi englantilainen kemisti John Dalton vuonna 1803 tekemissään kokeissa. Daltonin osapainelaki pätee ideaalisille kaasuille. Reaalikaasun kokonaispaine sen sijaan on tyypillisesti pienempi kuin sen komponenttien osapaine, sillä kaasumolekyylien väliset vuorovaikutukset ovat yleensä attraktiivisia.

Kaasujen reaktionopeudet määräytyvät niiden osapaineen mukaan. Esimerkiksi hengityksessä keskeistä on hapen osapaine, ei sen mooliosuus ilmassa.

Daltonin osapainelaki

Matemaattisesti reagoimattomien kaasujen seoksen kokonaispaine p voidaan määrittää summalauseella

$p=\sum _{i=1}^{n}{p_{i}}$       tai      $p=p_{1}+p_{2}+\cdots +p_{n}\ ,$

missä $p_{1},p_{2}...p_{n}$ tarkoittavat kunkin komponentin osapainetta. Osapaineet kaasuille saadaan laskettua ideaalikaasun tilanyhtälöllä, jossa tilavuus ja lämpötila ovat samat kuin lähtötilanteessa.

Daltonin osapainelaki pätee täydellisesti vain ideaalikaasulle, jossa molekyylien välisiä vuorovaikutuksia ei huomioida.

Mooliosuus

Daltonin osapainelaki voidaan esittää myös kaasusekoituksen moolimäärän suhdelukuna. Mooliosuus $x_{i}$ on tietyn kaasun moolimäärä $n_{i}$ jaettuna koko seoksen moolimäärällä $n$:

$x_{i}={\frac {n_{i}}{n}}$

Yllä olevan yhtälön mukaan Daltonin osapainelaki voidaan muokata muotoon, jossa se antaa kaasun i moolisuuden avulla kaasun i osapaineen.

$p_{i}=x_{i}p$

Tilavuuskonsentraatio

Minkä tahansa yksittäisen kaasumaisen komponentin tilavuuskonsentraation voi määrittää alla olevalla kaavalla.

$p_{i}=pc_{i}$,

missä tarkoittaa $c_{i}$ i-komponentin konsentraatiota ja $p_{i}$ i-komponentin painetta.

Daltonin osapainelaki pätee täydellisesti vain ideaalikaasuihin ja osapainelaki onkin sidoksissa ideaalikaasujen lakeihin. Muut kaasut eivät noudata Daltonin osapainelakia tarkasti ja niillä virhe kasvaa paineen noustessa. Paineen ollessa korkea molekyylin itsensä käyttämä tilavuus on merkittävämpi, kuin molekyylien välinen vapaa tila. Erityisesti kun molekyylien väliset etäisyydet ovat keskimäärin lyhyet lisääntyvät kaasumolekyylien väliset voimat niin paljon, että niiden aiheuttama paine muuttuu olennaisesti. Ideaalisessa kaasumallissa tällä ilmiöllä ei ole vaikutusta. Daltonin lain periaatetta voidaan demonstroida yksinkertaisella kokeella. Kokeessa lasipullo upotetaan vesiastiaan, jolloin se syrjäyttää tilavuutensa verran vettä. Pullo ei kuitenkaan ole tyhjä, vaan täynnä vetykaasua. Vedyn aiheuttaman paineen määrä pystytään tulkitsemaan taulukosta, johon on listattu vesihöyryjen paineita eri lämpötiloissa. Daltonin lain tuottamilla tiedoilla on nykyään monia käytännön sovelluksia. Esimerkiksi sukeltajat käyttävät Daltonin periaatteita mittaamaan, kuinka paineen tasot eri syvyyksissä vaikuttavat säiliöidensä ilmaan ja typpeen.

Havainnekuva Daltonin osapainelaista käyttäen viiden eri kaasun osapaineita meren pinnan tasolla.

Katso myös

• Van der Waalsin yhtälö