Kao što znate, molekule i atomi koji čine objekte oko nas vrlo su mali. Za provođenje proračuna tijekom kemijskih reakcija, kao i za analizu ponašanja mješavine komponenti koje nisu u interakciji u tekućinama i plinovima, koristi se koncept molnih udjela. Što su oni i kako se mogu koristiti za dobivanje makroskopskih fizičkih količina smjese, raspravlja se u ovom članku.
Avogadrov broj
Početkom 20. stoljeća, dok je provodio eksperimente s plinskim mješavinama, francuski znanstvenik Jean Perrin izmjerio je broj H2 molekula sadržanih u 1 gramu ovog plina. Pokazalo se da je ovaj broj ogroman (6.0221023). Budući da je krajnje nezgodno provoditi izračune s takvim brojkama, Perrin je predložio naziv za ovu vrijednost - Avogadrov broj. Ovo ime izabrano je u čast talijanskog znanstvenika s početka 19. stoljeća, Amedea Avogadra, koji je, poput Perrina, proučavao mješavine plinova i čak je mogao formuliratiza njih, zakon koji trenutno nosi njegovo prezime.
Avogadrov broj trenutno se široko koristi u proučavanju različitih tvari. Povezuje makroskopske i mikroskopske karakteristike.
Količina tvari i molarna masa
60-ih godina, Međunarodna komora za utege i mjere uvela je sedmu osnovnu mjernu jedinicu u sustav fizičkih jedinica (SI). Postalo je moljac. Krtica pokazuje broj elemenata koji čine dotični sustav. Jedan mol jednak je Avogadrovom broju.
Molarna masa je težina jednog mola određene tvari. Mjeri se u gramima po molu. Molarna masa je aditivna veličina, odnosno da bi se odredila za određeni kemijski spoj, potrebno je zbrojiti molarne mase kemijskih elemenata koji čine ovaj spoj. Na primjer, molarna masa metana (CH4) je:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
To jest, 1 mol molekula metana imat će masu od 16 grama.
Koncept molskih frakcija
Čiste tvari su rijetke u prirodi. Na primjer, u vodi se uvijek otapaju razne nečistoće (soli); Zrak našeg planeta je mješavina plinova. Drugim riječima, svaka tvar u tekućem i plinovitom stanju mješavina je različitih elemenata. Molni udio je vrijednost koja pokazuje koji dio u molskom ekvivalentu zauzima jedna ili druga komponenta usmjese. Ako se količina tvari cijele smjese označi kao n, a količina tvari komponente i kao ni, tada se može napisati sljedeća jednadžba:
xi=ni / n.
Ovdje xi je molski udio komponente i za ovu smjesu. Kao što se može vidjeti, ova količina je bezdimenzionalna. Za sve komponente smjese, zbroj njihovih molnih udjela izražava se formulom kako slijedi:
∑i(xi)=1.
Dobivanje ove formule nije teško. Da biste to učinili, samo zamijenite prethodni izraz za xi.
u njega
Atomske kamate
Kada se rješavaju problemi iz kemije, često se početne vrijednosti daju u atomskim postocima. Na primjer, u smjesi kisika i vodika, potonjeg ima 60 atomskih %. To znači da će od 10 molekula u smjesi 6 odgovarati vodiku. Budući da je molni udio omjer broja atoma komponenti i njihovog ukupnog broja, atomski postoci su sinonim za dotični koncept.
Pretvorba udjela u atomske postotke provodi se jednostavnim povećanjem za dva reda veličine. Na primjer, 0,21 molski udio kisika u zraku odgovara 21 atomskom %.
Idealni plin
Koncept molnih frakcija često se koristi u rješavanju problema s plinskim mješavinama. Većina plinova u normalnim uvjetima (temperatura 300 K i tlak 1 atm.) je idealna. To znači da su atomi i molekule koji čine plin na velikoj udaljenosti jedan od drugog i da ne stupaju u interakciju jedni s drugima.
Za idealne plinove vrijedi sljedeća jednadžba stanja:
PV=nRT.
Ovdje su P, V i T tri makroskopske termodinamičke karakteristike: tlak, volumen i temperatura. Vrijednost R=8, 314 J / (Kmol) je konstanta za sve plinove, n je broj čestica u molovima, odnosno količina tvari.
Jednadžba stanja pokazuje kako će se jedna od tri makroskopske karakteristike plina (P, V ili T) promijeniti ako se druga od njih fiksira, a treća promijeni. Na primjer, pri konstantnoj temperaturi tlak će biti obrnuto proporcionalan volumenu plina (Boyle-Mariotteov zakon).
Najčudnija stvar u napisanoj formuli je da ne uzima u obzir kemijsku prirodu molekula i atoma plina, odnosno vrijedi i za čiste plinove i za njihove mješavine.
D altonov zakon i parcijalni tlak
Kako izračunati molski udio plina u smjesi? Da biste to učinili, dovoljno je znati ukupan broj čestica i njihov broj za komponentu koja se razmatra. Međutim, možete učiniti drugačije.
Molni udio plina u smjesi može se pronaći znajući njegov parcijalni tlak. Potonje se shvaća kao tlak koji bi određena komponenta plinske mješavine stvorila kada bi bilo moguće ukloniti sve ostale komponente. Ako parcijalni tlak i-te komponente označimo kao Pi, a tlak cijele smjese kao P, tada će formula za molski udio za ovu komponentu imati oblik:
xi=Pi / P.
Zato što je iznosod svih xi jednako je jedan, tada možemo napisati sljedeći izraz:
∑i(Pi / P)=1, dakle ∑i (Pi)=P.
Posljednja jednakost naziva se D altonov zakon, koji je tako nazvan po britanskom znanstveniku s početka 19. stoljeća, Johnu D altonu.
Zakon parcijalnog tlaka ili D altonov zakon izravna je posljedica jednadžbe stanja za idealne plinove. Ako atomi ili molekule u plinu počnu međusobno komunicirati (to se događa pri visokim temperaturama i visokom tlaku), tada je D altonov zakon nepravedan. U potonjem slučaju, za izračunavanje molnih udjela komponenti, potrebno je koristiti formulu u smislu količine tvari, a ne u smislu parcijalnog tlaka.
Zrak kao mješavina plina
Razmotrivši pitanje kako pronaći molni udio komponente u smjesi, rješavamo sljedeći problem: izračunavamo vrijednosti xi i P i za svaku komponentu u zraku.
Ako uzmemo u obzir suhi zrak, tada se on sastoji od sljedeće 4 plinske komponente:
- dušik (78,09%);
- kisik (20,95%);
- argon (0,93%);
- plinovi ugljični dioksid (0,04%).
Iz ovih podataka vrlo je lako izračunati molne udjele za svaki plin. Da biste to učinili, dovoljno je prikazati postotke u relativnim iznosima, kao što je gore spomenuto u članku. Tada dobivamo:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Parcijalni pritisakizračunavamo te komponente zraka, s obzirom da je atmosferski tlak na razini mora 101 325 Pa ili 1 atm. Tada dobivamo:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Ovaj podatak znači da ako uklonite sav kisik i druge plinove iz atmosfere, a ostavite samo dušik, tlak će pasti za 22%.
Poznavanje parcijalnog tlaka kisika igra vitalnu ulogu za ljude koji rone pod vodom. Dakle, ako je manji od 0,16 atm., tada osoba odmah gubi svijest. Naprotiv, parcijalni tlak kisika prelazi oznaku od 1,6 atm. dovodi do trovanja tim plinom, što je popraćeno konvulzijama. Dakle, siguran parcijalni tlak kisika za ljudski život trebao bi biti unutar 0,16 - 1,6 atm.
