¿Por qué el hidrógeno, el helio y el neón se conocen como gases cuánticos en la literatura química de mediados del siglo XX?

Entonces, mientras leía ecuaciones de estados, aprendí que los gases cuánticos no se ajustan al mismo comportamiento de estado correspondiente que los fluidos normales. ¿Por qué se conocen como gases cuánticos y por qué no se ajustan al mismo comportamiento de estado correspondiente que un fluido normal?

Un ejemplo de este lenguaje, que aparece en Introducción a la Termodinámica de Ingeniería Química por JM Smith, es el siguiente:

La correlación de Lee/Kessler proporciona resultados fiables para gases no polares o ligeramente polares; para estos se indican errores de no más del 2 o 3 por ciento. Cuando se aplica a gases altamente polares oa gases que se asocian, se pueden esperar errores mayores.

Los gases cuánticos (p. ej., hidrógeno, helio y neón) no se ajustan al mismo comportamiento de estados correspondientes que los fluidos normales. Su tratamiento por las correlaciones habituales a veces se adapta mediante el uso de parámetros críticos efectivos dependientes de la temperatura. 18 Para el hidrógeno, el gas cuántico que se encuentra más comúnmente en el procesamiento químico, las ecuaciones recomendadas son:

(3.58) T C / k = 43.6 1 + 21.8 2.016 T ( Para H 2 ) (3.59) PAG C / b a r = 20.5 1 + 44.2 2.016 T ( Para H 2 ) (3.60) V C / C metro 3 metro o yo − 1 = 51.5 1 − 9.91 2.016 T ( Para H 2 )

Respuestas (2)

El uso que ha encontrado está en desacuerdo con la comprensión moderna del término , que (como se explica en la respuesta existente) tiende a girar en torno al comportamiento a baja temperatura y puede incluir todo tipo de gases (por ejemplo, hasta rubidio ).

El pasaje que ha citado parece estar analizando un comportamiento diferente, y su significado se vuelve más claro en el documento relacionado.

Equilibrios vapor-líquido a altas presiones. Coeficientes de fugacidad de fase de vapor en mezclas no polares y de gas cuántico PL Chueh y JM Prausnitz. Ing. Ind. química Fundamento 6 , 492 (1967) ,

disponible en formato pdf aquí , lo que hace que el reclamo sea mucho más claro:

Gases cuánticos

Las propiedades de configuración de los gases de bajo peso molecular (hidrógeno, helio, neón) se describen mediante la mecánica estadística cuántica, en lugar de la clásica.

(El resto de ese pasaje se ve inquietantemente similar al de su libro de texto. ¿Es el artículo de Chueh & Prausnitz la referencia 18 citada en su libro? Si no lo es, hay un comportamiento bastante flagrante allí).

Básicamente, lo que afirman es que si estás estudiando la dinámica de una molécula de gas que sale de la fase líquida hacia un espacio más abierto, entonces la mecánica clásica es una buena aproximación siempre que la molécula sea lo suficientemente masiva y que esta aproximación funciona bien para todas las moléculas, excepto para las más ligeras.

Ahí es donde entra tu listado: H 2 , He y Ne son los componentes más livianos posibles de los gases razonables, ya que la mayoría de los elementos intermedios se fusionarán en diatómicos que son más pesados ​​​​que el neón. Presumiblemente, la afirmación dice que para cuando llegas a N 2 en la masa 14, los efectos de la mecánica cuántica se vuelven efectivamente despreciables.

(Y hay, por supuesto, gases no razonables ─ HF en particular, pero también potencialmente Li 2 y se 2 ─ que yacen debajo de esa masa- 10 corte, por lo que presumiblemente los cálculos de fugacidad deberían repetirse para ellos, pero no creo que estudiar las fracciones de equilibrio de gas y líquido del ácido fluorhídrico en función de la temperatura sea un experimento particularmente atractivo).

¿El litio forma un gas diatómico? Nunca había oído hablar de eso antes, aunque presumiblemente la formación requiere condiciones extremas. No veo ninguna razón por la que eso sea estable, aunque la química es notoriamente extraña. ¿Conoces alguna buena literatura al respecto?
@Chair Wikipedia lo considera estable, pero también lo ubica en aproximadamente una fracción de masa del 1% de litio en fase de vapor (sin referencia), aunque presumiblemente eso debería depender de la temperatura. No veo qué es particularmente sorprendente al respecto: si la temperatura es lo suficientemente alta y la presión es la correcta, ¿por qué el litio en fase gaseosa no formaría dímeros?
Ah no importa. De alguna manera tuve una impresión muy clara de que N / A existe como monómero en estado gaseoso, así que esperaba li para mostrar una tendencia similar. Resulta que wikipedia dice N / A 2 y li 2 son los estables.
Bueno, como regla general, es una aproximación razonable que los metales alcalinos son aproximadamente hidrogenados por sí solos en el vacío, por lo que los dímeros son generalmente mi suposición inicial. La afirmación de Wikipedia de que Li forma grupos no es irrazonable, pero también lo hace H a temperaturas lo suficientemente bajas, por lo que presumiblemente solo tiene que aumentar la temperatura y los grupos podrían comenzar a romperse.
@EmilioPisanty, el libro sí se refiere a un artículo de Prausnitz et al, pero no es el que mencionaste. Está fechado en 1999 y los coautores son diferentes.

A alta temperatura, todos los elementos que dijiste seguirán de cerca el comportamiento del gas ideal.

Esos gases alcanzan la degeneración cuántica cuando la temperatura se vuelve lo suficientemente fría como para que la longitud de onda térmica de De Broglie (inversamente proporcional a la desviación estándar en el impulso: a medida que baja la temperatura, la dispersión del impulso disminuye) comienza a ser comparable al espacio entre partículas (consulte el artículo de Wikipedia sobre Thermal de longitud de onda de Broglie).

Otra forma de decir lo mismo es que la densidad del espacio de fase del gas comienza a aproximarse a la unidad.

En este punto, las estadísticas cuánticas de las partículas cobran importancia, y el gas degenerado cuántico se puede clasificar como condensado de Bose-Einstein o gas degenerado de Fermi, dependiendo de si el elemento es bosón o fermión. Creo que todos los elementos que enumeraste solo tienen isótopos bosónicos.

Los condensados ​​de Bose-Einstein que interactúan muestran un comportamiento superfluido. Busque cualquier artículo popular sobre BEC.

Ahora algunos puntos misceláneos:

  1. El primer BEC de hidrógeno fue creado en el MIT por Dan Kleppner y Tom Greytak. La mayoría de los elementos se solidifican a baja temperatura, pero el hidrógeno permanece gaseoso. En realidad, puede hacer BEC con otros elementos (por ejemplo, álcali), pero son metaestables.

  2. el helio es especial ya que se mantiene como fluido a baja temperatura. Necesita alta presión para que se solidifique a baja temperatura. El helio superfluido es un ejemplo de superfluido que interactúa fuertemente, mientras que otros gases cuánticos degenerados suelen interactuar débilmente, a menos que modifique el comportamiento de dispersión entre partículas utilizando campos externos.

Esta es la comprensión moderna del término, pero parece tener poco que ver con el uso como en el ejemplo de la pregunta.
En efecto. Después de que el OP agregó más información a la pregunta, parece que el tema relevante es la expansión virial de la ecuación de estado del gas (expansión de la serie de potencias de la desviación de la ley del gas ideal) y qué principios (mecánica cuántica versus clásica) se utilizan para calcular los coeficientes del virial.
Sin embargo, todavía vale la pena que el uso moderno del término haga presencia aquí.
@IamAStudent No es específicamente una ecuación de estado de gas virial, ¡pero también puede aplicarse a la ecuación de estado cúbica general!
@ShahMHasan Una expansión virial es un enfoque genérico, y la ecuación de estado cúbica es solo un ejemplo.
¿Por qué el hidrógeno, el helio y el neón se conocen como gases cuánticos en la literatura química de mediados del siglo XX?
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