Warum sind Wasserstoff, Helium und Neon in der chemischen Literatur der Mitte des 20. Jahrhunderts als Quantengase bekannt?

Beim Durchlesen von Zustandsgleichungen erfuhr ich also, dass Quantengase nicht dem gleichen entsprechenden Zustandsverhalten entsprechen wie normale Flüssigkeiten. Warum werden diese als Quantengase bezeichnet und warum zeigen sie nicht dasselbe entsprechende Zustandsverhalten wie normale Flüssigkeiten?

Ein Beispiel für diese Sprache, das in Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics von JM Smith erscheint, lautet wie folgt:

Die Lee/Kessler-Korrelation liefert zuverlässige Ergebnisse für unpolare oder nur schwach polare Gase; für diese werden Fehler von nicht mehr als 2 oder 3 Prozent angegeben. Bei Anwendung auf hochpolare oder assoziierende Gase ist mit größeren Fehlern zu rechnen.

Die Quantengase (z. B. Wasserstoff, Helium und Neon) zeigen nicht das gleiche Verhalten entsprechender Zustände wie normale Flüssigkeiten. Ihre Behandlung durch die üblichen Korrelationen wird manchmal durch die Verwendung von temperaturabhängigen effektiven kritischen Parametern unterstützt. 18 Für Wasserstoff, das am häufigsten in der chemischen Verarbeitung vorkommende Quantengas, lauten die empfohlenen Gleichungen:

(3.58) T c / K = 43.6 1 + 21.8 2.016 T ( für H 2 ) (3.59) P c / b a r = 20.5 1 + 44.2 2.016 T ( für H 2 ) (3.60) v c / c m 3 m Ö l − 1 = 51.5 1 − 9.91 2.016 T ( für H 2 )

Antworten (2)

Die Verwendung, die Sie gefunden haben, steht im Widerspruch zum modernen Verständnis des Begriffs , der sich (wie in der vorhandenen Antwort erläutert) tendenziell um das Verhalten bei niedrigen Temperaturen dreht und alle Arten von Gasen umfassen kann (z. B. bis hin zu Rubidium). ).

Die von Ihnen zitierte Passage scheint sich mit einem anderen Verhalten zu befassen, und ihre Bedeutung wird in dem verwandten Papier klarer

Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte bei hohen Drücken. Dampfphasen-Fugazitätskoeffizienten in unpolaren und Quanten-Gas-Mischungen PL Chueh und JM Prausnitz. Ind. Eng. Chem. Fundament. 6 , 492 (1967) ,

hier als pdf verfügbar , was die Behauptung deutlicher macht:

Quantengase

Die Konfigurationseigenschaften von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht (Wasserstoff, Helium, Neon) werden eher durch Quantenmechanik als durch klassische statistische Mechanik beschrieben.

(Der Rest dieser Passage sieht der in Ihrem Lehrbuch auf unheimliche Weise ähnlich. Ist das Dokument von Chueh & Prausnitz die Referenz 18, die in Ihrem Buch zitiert wird? Wenn dies nicht der Fall ist, gibt es dort ein ziemlich eklatantes Verhalten.)

Grundsätzlich behaupten sie, dass, wenn Sie die Dynamik eines Gasmoleküls untersuchen, das die flüssige Phase verlässt und in einen offeneren Raum übergeht, die klassische Mechanik eine gute Annäherung ist, solange das Molekül massiv genug ist, und dass diese Annäherung funktioniert gut für alle außer den allerleichtesten Molekülen.

Hier kommt Ihr Eintrag ins Spiel: H 2 , He und Ne sind die leichtesten möglichen Bestandteile vernünftiger Gase, da fast alles dazwischen zu Diatomeen verschmilzt, die schwerer als Neon sind. Vermutlich geht die Behauptung dahin, dass Sie bis zum Erreichen von N 2 bei Masse 14 werden die quantenmechanischen Effekte effektiv vernachlässigbar.

(Und es gibt natürlich unvernünftige Gase – insbesondere HF, aber möglicherweise auch Li 2 und sein 2 ─ die unterhalb dieser Masse liegen- 10 cutoff, also müssten vermutlich die Fugazitätsberechnungen für sie wiederholt werden, aber ich denke nicht, dass die Untersuchung der gasförmigen und flüssigen Gleichgewichtsfraktionen von Flusssäure als Funktion der Temperatur ein besonders ansprechendes Experiment ist.)

Lithium bildet ein zweiatomiges Gas? Nie zuvor davon gehört, obwohl vermutlich die Formation extreme Bedingungen erfordert. Ich sehe keinen Grund, warum das stabil sein sollte, obwohl Chem notorisch seltsam ist. Kennt ihr gute Literatur dazu?
@Chair Wikipedia hält es für stabil, aber es liegt auch bei einem Massenanteil von Lithium in der Dampfphase von etwa 1% (ohne Referenz), obwohl dies vermutlich von der Temperatur abhängen sollte. Ich verstehe nicht, was daran besonders überraschend ist - wenn die Temperatur hoch genug und der Druck genau richtig ist, warum sollte Lithium in der Gasphase dann keine Dimere bilden?
Ah vergiss es. Ich hatte irgendwie einen sehr deutlichen Eindruck davon N / A existiert als Monomer im gasförmigen Zustand, also hatte ich erwartet Li einen ähnlichen Trend zeigen. Stellt sich heraus, dass Wikipedia sagt N / A 2 und Li 2 sind die stabilen.
Nun, als Faustregel ist es eine vernünftige Annäherung, dass die Alkalimetalle im Vakuum von sich aus ungefähr wasserstoffhaltig sind, also sind Dimere im Allgemeinen meine erste Vermutung. Die Wikipedia-Behauptung, dass Li Cluster bildet, ist nicht unvernünftig, aber H bei ausreichend niedrigen Temperaturen auch, also müssen Sie vermutlich nur die Temperatur erhöhen und die Cluster könnten anfangen auseinanderzubrechen.
@EmilioPisanty, das Buch bezieht sich zwar auf eine Arbeit von Prausnitz et al., aber es ist nicht die, die Sie erwähnt haben. Es ist aus dem Jahr 1999 und die Co-Autoren sind unterschiedlich

Bei hoher Temperatur folgen alle von Ihnen genannten Elemente genau dem Verhalten eines idealen Gases.

Diese Gase erreichen eine Quantenentartung, wenn die Temperatur so kalt wird, dass die thermische De-Broglie-Wellenlänge (umgekehrt proportional zur Standardabweichung des Impulses – wenn die Temperatur sinkt, nimmt die Impulsausbreitung ab) mit dem Abstand zwischen den Teilchen vergleichbar wird (siehe den Wikipedia- Artikel über Thermal de Broglie-Wellenlänge).

Eine andere Möglichkeit, dasselbe auszudrücken, ist, dass die Phasenraumdichte des Gases beginnt, sich Eins anzunähern.

An diesem Punkt wird die Quantenstatistik von Teilchen wichtig, und das quantenentartete Gas kann als Bose-Einstein-Kondensat oder Fermi-entartetes Gas klassifiziert werden, je nachdem, ob das Element Boson oder Fermion ist. Ich denke, alle von Ihnen aufgelisteten Elemente haben nur bosonische Isotope.

Interagierende Bose-Einstein-Kondensate zeigen superfluides Verhalten. Suchen Sie nach beliebten Artikeln über BEC.

Nun einige verschiedene Punkte:

  1. Das erste Wasserstoff-BEC wurde am MIT von Dan Kleppner und Tom Greytak entwickelt. Die meisten Elemente bilden bei niedriger Temperatur einen Feststoff, aber Wasserstoff bleibt gasförmig. Eigentlich kann man BEC mit anderen Elementen (z. B. Alkali) herstellen, aber sie sind metastabil.

  2. Helium ist etwas Besonderes, da es bei niedriger Temperatur flüssig bleibt. Sie brauchen hohen Druck, um es bei niedriger Temperatur zu verfestigen. Superflüssiges Helium ist ein Beispiel für stark wechselwirkendes Superfluid, während andere quantenentartete Gase typischerweise schwach wechselwirken, es sei denn, Sie ändern das Streuverhalten zwischen Partikeln mithilfe externer Felder.

Dies ist das moderne Verständnis des Begriffs, aber es scheint wenig mit der Verwendung wie im Beispiel in der Frage zu tun zu haben.
In der Tat. Nachdem das OP der Frage weitere Informationen hinzugefügt hat, scheint das relevante Thema die Virialerweiterung der Gaszustandsgleichung (Potenzreihenerweiterung der Abweichung vom idealen Gasgesetz) und welche Prinzipien (quantenmechanisch vs. klassisch) zu sein. werden zur Berechnung der Virialkoeffizienten verwendet.
Dennoch lohnt es sich, hier die moderne Verwendung des Begriffs präsent zu haben.
@IamAStudent Nicht spezifisch viriale Gaszustandsgleichung, kann aber auch für die allgemeine kubische Zustandsgleichung gelten!
@ShahMHasan Eine Virialerweiterung ist ein generischer Ansatz, und die kubische Zustandsgleichung ist nur ein Beispiel.
Warum sind Wasserstoff, Helium und Neon in der chemischen Literatur der Mitte des 20. Jahrhunderts als Quantengase bekannt?
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