Gazul are o reactivitate ridicată în comparație cu corpurile lichide și solide datorită suprafeței mari a suprafeței sale active și energiei cinetice mari a particulelor care formează sistemul. În acest caz, activitatea chimică a gazului, presiunea acestuia și alți parametri depind de concentrația moleculelor. Să luăm în considerare în acest articol care este această valoare și cum poate fi calculată.
Despre ce gaz vorbim?
Acest articol va lua în considerare așa-numitele gaze ideale. Ei neglijează dimensiunea particulelor și interacțiunea dintre ele. Singurul proces care are loc în gazele ideale este coliziunile elastice între particule și pereții vaselor. Rezultatul acestor ciocniri este o presiune absolută.
Orice gaz real se apropie de ideal în proprietățile sale dacă presiunea sau densitatea acestuia este redusă și temperatura absolută este crescută. Cu toate acestea, există substanțe chimice care, chiar și la densități mici și maritemperaturile sunt departe de gazul ideal. Un exemplu izbitor și binecunoscut al unei astfel de substanțe este vaporii de apă. Faptul este că moleculele sale (H2O) sunt foarte polare (oxigenul trage densitatea electronilor departe de atomii de hidrogen). Polaritatea duce la o interacțiune electrostatică semnificativă între ele, ceea ce reprezintă o încălcare gravă a conceptului de gaz ideal.
Legea universală a lui Clapeyron-Mendeleev
Pentru a putea calcula concentrația moleculelor unui gaz ideal, ar trebui să se familiarizeze cu legea care descrie starea oricărui sistem de gaze ideale, indiferent de compoziția sa chimică. Această lege poartă numele francezului Emile Clapeyron și al savantului rus Dmitri Mendeleev. Ecuația corespunzătoare este:
PV=nRT.
Egalitatea spune că produsul dintre presiunea P și volumul V trebuie să fie întotdeauna direct proporțional cu produsul dintre temperatura absolută T și cantitatea de substanță n pentru un gaz ideal. Aici R este coeficientul de proporționalitate, care se numește constanta universală a gazului. Acesta arată cantitatea de lucru pe care 1 mol de gaz o face ca urmare a expansiunii dacă este încălzit cu 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentrația moleculelor și calculul acesteia
Conform definiției, concentrația de atomi sau molecule este înțeleasă ca numărul de particule din sistem, care scade pe unitatea de volum. Matematic, puteți scrie:
cN=N/V.
Unde N este numărul total de particule din sistem.
Înainte de a scrie formula pentru determinarea concentrației moleculelor de gaz, să ne amintim definiția cantității de substanță n și expresia care leagă valoarea lui R de constanta Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Folosind aceste egalități, exprimăm raportul N/V din ecuația universală de stare:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Așa că am obținut formula pentru determinarea concentrației de particule într-un gaz. După cum puteți vedea, este direct proporțională cu presiunea din sistem și invers proporțională cu temperatura absolută.
Deoarece numărul de particule din sistem este mare, concentrația cN este incomod de utilizat atunci când se efectuează calcule practice. În schimb, concentrația molară c este folosită mai des. Este definit pentru un gaz ideal după cum urmează:
c=n/V=P/(R T).
Exemplu de problemă
Este necesar să se calculeze concentrația molară a moleculelor de oxigen din aer în condiții normale.
Pentru a rezolva această problemă, rețineți că aerul conține 21% oxigen. În conformitate cu legea lui D alton, oxigenul creează o presiune parțială de 0,21P0, unde P0=101325 Pa (o atmosferă). Condițiile normale presupun, de asemenea, o temperatură de 0 oC(273,15 K).
Cunoaștem toți parametrii necesari pentru a calcula concentrația molară de oxigen din aer. Primim:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Dacă această concentrație este redusă la un volum de 1 litru, atunci obținem valoarea 0,009 mol/L.
Pentru a înțelege câte O2 sunt conținute în 1 litru de aer, înmulțiți concentrația calculată cu numărul NA. După finalizarea acestei proceduri, obținem o valoare uriașă: N(O2)=5, 641021molecule.
