Jak wiesz, cząsteczki i atomy tworzące obiekty wokół nas są bardzo małe. Do wykonywania obliczeń w trakcie reakcji chemicznych, a także do analizy zachowania się mieszaniny składników nieoddziałujących w cieczach i gazach wykorzystuje się pojęcie ułamków molowych. Czym one są i jak można je wykorzystać do uzyskania makroskopowych wielkości fizycznych mieszaniny, omówiono w tym artykule.
Numer Avogadro
Na początku XX wieku, przeprowadzając eksperymenty z mieszaninami gazów, francuski naukowiec Jean Perrin zmierzył liczbę cząsteczek H2 zawartych w 1 gramie tego gazu. Ta liczba okazała się ogromną liczbą (60221023). Ponieważ wykonywanie obliczeń z takimi liczbami jest niezwykle niewygodne, Perrin zaproponował nazwę tej wartości - liczba Avogadro. Nazwa ta została wybrana na cześć włoskiego naukowca z początku XIX wieku, Amedeo Avogadro, który podobnie jak Perrin badał mieszaniny gazów, a nawet był w stanie sformułowaćdla nich prawo, które obecnie nosi jego nazwisko.
Liczba Avogadro jest obecnie szeroko stosowana w badaniach nad różnymi substancjami. Łączy cechy makroskopowe i mikroskopowe.
Ilość substancji i masa molowa
W latach 60. Międzynarodowa Izba Miar wprowadziła siódmą podstawową jednostkę miary do systemu jednostek fizycznych (SI). Stał się ćmą. Kret pokazuje liczbę elementów składających się na dany system. Jeden kret jest równy liczbie Avogadro.
Masa molowa to waga jednego mola danej substancji. Jest mierzony w gramach na mol. Masa molowa jest wielkością addytywną, to znaczy, aby określić ją dla konkretnego związku chemicznego, konieczne jest dodanie mas molowych pierwiastków chemicznych tworzących ten związek. Na przykład masa molowa metanu (CH4) wynosi:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Oznacza to, że 1 mol cząsteczek metanu będzie miał masę 16 gramów.
Koncepcja ułamka molowego
Czyste substancje są w naturze rzadkie. Na przykład różne zanieczyszczenia (sole) są zawsze rozpuszczane w wodzie; Powietrze naszej planety to mieszanina gazów. Innymi słowy, każda substancja w stanie ciekłym i gazowym jest mieszaniną różnych pierwiastków. Ułamek molowy to wartość pokazująca, jaką część ekwiwalentu molowego zajmuje ten lub inny składnik wmieszaniny. Jeżeli ilość substancji w całej mieszaninie oznaczymy jako n, a ilość substancji składnika i jako ni, to można zapisać następujące równanie:
xi=ni / n.
Tu xi jest ułamkiem molowym składnika i dla tej mieszaniny. Jak widać, ta ilość jest bezwymiarowa. Dla wszystkich składników mieszaniny sumę ich ułamków molowych wyraża wzór:
∑i(xi)=1.
Pobranie tej formuły nie jest trudne. Aby to zrobić, po prostu zamień w to poprzednie wyrażenie xi.
Zainteresowanie atomowe
Podczas rozwiązywania problemów w chemii często wartości początkowe podawane są w procentach atomowych. Na przykład w mieszaninie tlenu i wodoru ten ostatni wynosi 60% atomowych. Oznacza to, że na 10 cząsteczek w mieszaninie 6 będzie odpowiadać wodorowi. Ponieważ ułamek molowy jest stosunkiem liczby atomów składowych do ich całkowitej liczby, procenty atomowe są równoznaczne z omawianym pojęciem.
Konwersja udziałów na procenty atomowe odbywa się poprzez proste zwiększenie ich o dwa rzędy wielkości. Na przykład 0,21 ułamek molowy tlenu w powietrzu odpowiada 21% atomowym.
Gaz idealny
Pojęcie ułamków molowych jest często używane w rozwiązywaniu problemów z mieszaninami gazów. Większość gazów w normalnych warunkach (temperatura 300 K i ciśnienie 1 atm.) jest idealna. Oznacza to, że atomy i cząsteczki tworzące gaz znajdują się w dużej odległości od siebie i nie oddziałują ze sobą.
W przypadku gazów doskonałych obowiązuje następujące równanie stanu:
PV=nRT.
Tutaj P, V i T to trzy makroskopowe charakterystyki termodynamiczne: odpowiednio ciśnienie, objętość i temperatura. Wartość R=8, 314 J / (Kmol) jest stałą dla wszystkich gazów, n to liczba cząstek w molach, czyli ilość substancji.
Równanie stanu pokazuje, jak zmieni się jedna z trzech makroskopowych charakterystyk gazu (P, V lub T), jeśli druga z nich zostanie ustalona, a trzecia zmieniona. Na przykład w stałej temperaturze ciśnienie będzie odwrotnie proporcjonalne do objętości gazu (prawo Boyle-Mariotte).
Najbardziej niezwykłą cechą spisanego wzoru jest to, że nie uwzględnia on chemicznej natury cząsteczek i atomów gazu, co oznacza, że jest ważny zarówno dla czystych gazów, jak i ich mieszanin.
Prawo D altona i ciśnienie cząstkowe
Jak obliczyć ułamek molowy gazu w mieszaninie? Aby to zrobić, wystarczy znać całkowitą liczbę cząstek i ich liczbę dla rozważanego składnika. Możesz jednak zrobić inaczej.
Ułamek molowy gazu w mieszaninie można znaleźć, znając jego ciśnienie cząstkowe. Przez to ostatnie rozumie się ciśnienie, jakie wytworzyłby dany składnik mieszaniny gazowej, gdyby możliwe było usunięcie wszystkich pozostałych składników. Jeżeli ciśnienie cząstkowe i-tego składnika oznaczymy jako Pi, a ciśnienie całej mieszaniny jako P, to wzór na ułamek molowy tego składnika przyjmie postać:
xi=Pi / P.
Ponieważ kwotawszystkich xi jest równe jeden, wtedy możemy napisać następujące wyrażenie:
∑i(Pi / P)=1, stąd ∑i (Pi)=P.
Ostatnia równość nazywana jest prawem D altona, które zostało tak nazwane na cześć brytyjskiego naukowca z początku XIX wieku, Johna D altona.
Prawo ciśnienia cząstkowego lub prawo D altona jest bezpośrednią konsekwencją równania stanu dla gazów doskonałych. Jeśli atomy lub cząsteczki w gazie zaczynają ze sobą oddziaływać (dzieje się to w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem), to prawo D altona jest niesprawiedliwe. W tym drugim przypadku, aby obliczyć ułamki molowe składników, konieczne jest wykorzystanie wzoru pod względem ilości substancji, a nie pod względem ciśnienia cząstkowego.
Powietrze jako mieszanina gazów
Po rozważeniu pytania, jak znaleźć ułamek molowy składnika w mieszaninie, rozwiązujemy następujący problem: oblicz wartości xi i P i dla każdego składnika w powietrzu.
Jeśli weźmiemy pod uwagę suche powietrze, to składa się ono z następujących 4 składników gazu:
- azot (78,09%);
- tlen (20,95%),
- argon (0,93%);
- gazowy dwutlenek węgla (0,04%).
Na podstawie tych danych można bardzo łatwo obliczyć ułamki molowe każdego gazu. W tym celu wystarczy przedstawić wartości procentowe w ujęciu względnym, o czym wspomniano powyżej w artykule. Następnie otrzymujemy:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Ciśnienie cząstkoweobliczamy te składniki powietrza, biorąc pod uwagę, że ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 101 325 Pa lub 1 atm. Następnie otrzymujemy:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Te dane oznaczają, że jeśli usuniesz cały tlen i inne gazy z atmosfery, a pozostawisz tylko azot, ciśnienie spadnie o 22%.
Znajomość ciśnienia parcjalnego tlenu odgrywa kluczową rolę dla osób nurkujących pod wodą. Tak więc, jeśli jest mniej niż 0,16 atm., osoba natychmiast traci przytomność. Wręcz przeciwnie, ciśnienie parcjalne tlenu przekracza znak 1,6 atm. prowadzi do zatrucia tym gazem, któremu towarzyszą drgawki. Zatem bezpieczne ciśnienie parcjalne tlenu dla ludzkiego życia powinno mieścić się w granicach 0,16 – 1,6 atm.
