După cum știți, moleculele și atomii care alcătuiesc obiectele din jurul nostru sunt foarte mici. Pentru a efectua calcule în timpul reacțiilor chimice, precum și pentru a analiza comportamentul unui amestec de componente care nu interacționează în lichide și gaze, se utilizează conceptul de fracții molare. Ce sunt acestea și cum pot fi utilizate pentru a obține cantitățile fizice macroscopice ale unui amestec sunt discutate în acest articol.
Numărul lui Avogadro
La începutul secolului al XX-lea, în timp ce efectua experimente cu amestecuri de gaze, omul de știință francez Jean Perrin a măsurat numărul de molecule H2 conținute în 1 gram din acest gaz. Acest număr s-a dovedit a fi un număr imens (6.0221023). Deoarece este extrem de incomod să efectuați calcule cu astfel de cifre, Perrin a propus un nume pentru această valoare - numărul lui Avogadro. Acest nume a fost ales în onoarea savantului italian de la începutul secolului al XIX-lea, Amedeo Avogadro, care, la fel ca Perrin, a studiat amestecurile de gaze și chiar a fost capabil să formulezepentru ei, legea care îi poartă în prezent numele de familie.
Numărul lui Avogadro este utilizat în prezent pe scară largă în studiul diferitelor substanțe. Leagă caracteristicile macroscopice și microscopice.
Cantitatea de substanță și masa molară
În anii 60, Camera Internațională de Greutăți și Măsuri a introdus a șaptea unitate de măsură de bază în sistemul de unități fizice (SI). A devenit o molie. Alunița arată numărul de elemente care alcătuiesc sistemul în cauză. O aluniță este egală cu numărul lui Avogadro.
Masa molară este greutatea unui mol dintr-o substanță dată. Se măsoară în grame pe mol. Masa molară este o cantitate aditivă, adică pentru a o determina pentru un anumit compus chimic, este necesar să se adauge masele molare ale elementelor chimice care alcătuiesc acest compus. De exemplu, masa molară a metanului (CH4) este:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Adică 1 mol de molecule de metan va avea o masă de 16 grame.
Concept de fracție molară
Substanțele pure sunt rare în natură. De exemplu, diferite impurități (săruri) sunt întotdeauna dizolvate în apă; Aerul planetei noastre este un amestec de gaze. Cu alte cuvinte, orice substanță în stare lichidă și gazoasă este un amestec de diferite elemente. Fracția molară este o valoare care arată ce parte din echivalent molar este ocupată de una sau alta componentă înamestecuri. Dacă cantitatea de substanță din întregul amestec se notează cu n, iar cantitatea de substanță din componenta i este notată cu ni, atunci se poate scrie următoarea ecuație:
xi=ni / n.
Aici xi este fracția molară a componentului i pentru acest amestec. După cum se vede, această cantitate este adimensională. Pentru toate componentele amestecului, suma fracțiilor lor molare este exprimată prin formula după cum urmează:
∑i(xi)=1.
Obținerea acestei formule nu este dificilă. Pentru a face acest lucru, înlocuiți expresia anterioară pentru xi.
în ea
Interes atomic
La rezolvarea problemelor din chimie, adesea valorile inițiale sunt date în procente atomice. De exemplu, într-un amestec de oxigen și hidrogen, acesta din urmă are 60%. Aceasta înseamnă că din 10 molecule din amestec, 6 vor corespunde hidrogenului. Deoarece fracția molară este raportul dintre numărul de atomi componente și numărul lor total, procentele atomice sunt sinonime cu conceptul în cauză.
Conversia acțiunilor în procente atomice se realizează prin simpla creștere a acestora cu două ordine de mărime. De exemplu, 0,21 fracție molară de oxigen din aer corespunde cu 21%.
Gaz ideal
Conceptul de fracții molare este adesea folosit în rezolvarea problemelor cu amestecurile de gaze. Majoritatea gazelor în condiții normale (temperatura 300 K și presiune 1 atm.) sunt ideale. Aceasta înseamnă că atomii și moleculele care alcătuiesc gazul sunt la o distanță mare unul de celăl alt și nu interacționează unul cu celăl alt.
Pentru gazele ideale, următoarea ecuație de stare este valabilă:
PV=nRT.
Aici P, V și T sunt trei caracteristici termodinamice macroscopice: presiune, volum și respectiv temperatură. Valoarea R=8, 314 J / (Kmol) este o constantă pentru toate gazele, n este numărul de particule în moli, adică cantitatea de substanță.
Ecuația de stare arată cum se va schimba una dintre cele trei caracteristici macroscopice ale gazului (P, V sau T) dacă a doua dintre ele este fixată și a treia este schimbată. De exemplu, la o temperatură constantă, presiunea va fi invers proporțională cu volumul gazului (legea Boyle-Mariotte).
Cel mai remarcabil lucru la formula scrisă este că nu ține cont de natura chimică a moleculelor și atomilor gazului, adică este valabilă atât pentru gazele pure, cât și pentru amestecurile acestora.
Legea lui D alton și presiunea parțială
Cum se calculează fracția molară a unui gaz într-un amestec? Pentru a face acest lucru, este suficient să cunoașteți numărul total de particule și numărul lor pentru componenta luată în considerare. Cu toate acestea, puteți face altfel.
Fracția molară a unui gaz dintr-un amestec poate fi găsită cunoscând presiunea parțială a acestuia. Acesta din urmă este înțeles ca presiunea pe care o anumită componentă a amestecului de gaze ar crea dacă ar fi posibilă îndepărtarea tuturor celorl alte componente. Dacă desemnăm presiunea parțială a componentei i ca Pi și presiunea întregului amestec ca P, atunci formula pentru fracția molară pentru această componentă va lua forma:
xi=Pi / P.
Deoarece sumadin toate xi este egal cu unul, atunci putem scrie următoarea expresie:
∑i(Pi / P)=1, prin urmare ∑i (Pi)=P.
Ultima egalitate se numește legea lui D alton, care este numită așa după omul de știință britanic de la începutul secolului al XIX-lea, John D alton.
Legea presiunii parțiale sau legea lui D alton este o consecință directă a ecuației de stare pentru gazele ideale. Dacă atomii sau moleculele dintr-un gaz încep să interacționeze între ele (acest lucru se întâmplă la temperaturi ridicate și presiune ridicată), atunci legea lui D alton este nedreaptă. În acest din urmă caz, pentru a calcula fracțiile molare ale componentelor, este necesar să se folosească formula în ceea ce privește cantitatea de substanță, și nu în termeni de presiune parțială.
Aer ca amestec de gaz
Luând în considerare întrebarea cum să găsim fracția molară a unei componente dintr-un amestec, rezolvăm următoarea problemă: calculați valorile xi și P i pentru fiecare componentă din aer.
Dacă luăm în considerare aerul uscat, atunci acesta constă din următoarele 4 componente de gaz:
- azot (78,09%);
- oxigen (20,95%);
- argon (0,93%);
- dioxid de carbon gazos (0,04%).
Din aceste date, fracțiile molare pentru fiecare gaz sunt foarte ușor de calculat. Pentru a face acest lucru, este suficient să prezentați procentele în termeni relativi, așa cum s-a menționat mai sus în articol. Apoi obținem:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Presiune parțialăcalculăm aceste componente ale aerului, având în vedere că presiunea atmosferică la nivelul mării este de 101 325 Pa sau 1 atm. Apoi obținem:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Aceste date înseamnă că, dacă eliminați tot oxigenul și alte gaze din atmosferă și lăsați doar azot, presiunea va scădea cu 22%.
Cunoașterea presiunii parțiale a oxigenului joacă un rol vital pentru persoanele care se scufundă sub apă. Deci, dacă este mai mică de 0,16 atm., atunci persoana își pierde instantaneu cunoștința. Dimpotrivă, presiunea parțială a oxigenului depășește marca de 1,6 atm. duce la otrăvire cu acest gaz, care este însoțită de convulsii. Astfel, o presiune parțială sigură a oxigenului pentru viața umană ar trebui să fie între 0,16 - 1,6 atm.
