Kao što znate, molekuli i atomi koji čine objekte oko nas vrlo su mali. Za izvođenje proračuna tokom kemijskih reakcija, kao i za analizu ponašanja mješavine neinteragirajućih komponenti u tekućinama i plinovima, koristi se koncept molnih frakcija. Šta su oni i kako se mogu koristiti za dobijanje makroskopskih fizičkih veličina smeše, raspravlja se u ovom članku.
Avogadrov broj
Početkom 20. veka, tokom eksperimenata sa mešavinama gasa, francuski naučnik Žan Perin izmerio je broj H2 molekula sadržanih u 1 gramu ovog gasa. Ispostavilo se da je ovaj broj ogroman (6,0221023). Budući da je krajnje nezgodno izvoditi proračune s takvim brojkama, Perrin je predložio naziv za ovu vrijednost - Avogadrov broj. Ovo ime je izabrano u čast italijanskog naučnika s početka 19. veka, Amedea Avogadra, koji je, poput Perina, proučavao mešavine gasova i čak bio u stanju da formulišeza njih, zakon koji trenutno nosi njegovo prezime.
Avogadrov broj se trenutno široko koristi u proučavanju različitih supstanci. Povezuje makroskopske i mikroskopske karakteristike.
Količina supstance i molarna masa
60-ih godina, Međunarodna komora za tegove i mjere uvela je sedmu osnovnu mjernu jedinicu u sistem fizičkih jedinica (SI). Postao je moljac. Krtica pokazuje broj elemenata koji čine dotični sistem. Jedan mol je jednak Avogadrovom broju.
Molarna masa je težina jednog mola date supstance. Mjeri se u gramima po molu. Molarna masa je aditivna veličina, odnosno da bi se odredila za određeni hemijski spoj, potrebno je sabrati molarne mase hemijskih elemenata koji čine ovo jedinjenje. Na primjer, molarna masa metana (CH4) je:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
To jest, 1 mol molekula metana će imati masu od 16 grama.
Koncept molskih frakcija
Čiste supstance su retke u prirodi. Na primjer, razne nečistoće (soli) se uvijek otapaju u vodi; Vazduh naše planete je mešavina gasova. Drugim riječima, svaka tvar u tekućem i plinovitom stanju je mješavina različitih elemenata. Molni udio je vrijednost koja pokazuje koji dio u molskom ekvivalentu zauzima jedna ili druga komponenta umješavine. Ako se količina supstance cijele smjese označi kao n, a količina supstance komponente i kao ni, tada se može napisati sljedeća jednačina:
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 mješavine, zbir njihovih molnih udjela izražava se formulom na sljedeći način:
∑i(xi)=1.
Dobivanje ove formule nije teško. Da biste to učinili, samo zamijenite prethodni izraz za xi.
u njega
Atomska kamata
Kada se rješavaju problemi iz hemije, često se početne vrijednosti daju u atomskim procentima. Na primjer, u mješavini kisika i vodika, potonjeg ima 60 atomskih. To znači da će od 10 molekula u mješavini 6 odgovarati vodoniku. Budući da je molni udio omjer broja atoma komponenti i njihovog ukupnog broja, atomski procenti su sinonim za dotični koncept.
Pretvaranje udjela u atomske procente se vrši jednostavnim povećanjem za dva reda veličine. Na primjer, 0,21 molski udio kisika u zraku odgovara 21 atomskom %.
Idealni plin
Koncept molnih frakcija se često koristi u rješavanju problema s mješavinama plinova. Većina gasova u normalnim uslovima (temperatura 300 K i pritisak 1 atm.) je idealna. To znači da su atomi i molekuli koji čine gas na velikoj udaljenosti jedan od drugog i da ne stupaju u interakciju jedni s drugima.
Za idealne gasove važi sledeća jednačina stanja:
PV=nRT.
Ovde su P, V i T tri makroskopske termodinamičke karakteristike: pritisak, zapremina i temperatura respektivno. Vrijednost R=8, 314 J / (Kmol) je konstanta za sve plinove, n je broj čestica u molovima, odnosno količina supstance.
Jednačina stanja pokazuje kako će se jedna od tri makroskopske karakteristike gasa (P, V ili T) promijeniti ako se druga od njih fiksira, a treća promijeni. Na primjer, pri konstantnoj temperaturi, pritisak će biti obrnuto proporcionalan zapremini gasa (Boyle-Mariotteov zakon).
Najčudnija stvar u pisanoj formuli je da ne uzima u obzir hemijsku prirodu molekula i atoma gasa, odnosno važi i za čiste gasove i za njihove mešavine.
D altonov zakon i parcijalni pritisak
Kako izračunati molski udio gasa u smeši? Da biste to učinili, dovoljno je znati ukupan broj čestica i njihov broj za komponentu koja se razmatra. Međutim, možete učiniti drugačije.
Molni udio gasa u mešavini može se naći znajući njegov parcijalni pritisak. Potonje se podrazumijeva kao pritisak koji bi određena komponenta plinske mješavine stvorila kada bi bilo moguće ukloniti sve ostale komponente. Ako označimo parcijalni tlak i-te komponente 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 jedan, tada možemo napisati sljedeći izraz:
∑i(Pi / P)=1, dakle ∑i (Pi)=P.
Posljednja jednakost se zove D altonov zakon, koji je tako nazvan po britanskom naučniku s početka 19. stoljeća, Johnu D altonu.
Zakon parcijalnog pritiska ili D altonov zakon je direktna posledica jednadžbe stanja za idealne gasove. Ako atomi ili molekule u plinu počnu međusobno komunicirati (to se događa na visokim temperaturama i visokom tlaku), tada je D altonov zakon nepravedan. U potonjem slučaju, za izračunavanje molskih udjela komponenti, potrebno je koristiti formulu u smislu količine supstance, a ne u smislu parcijalnog pritiska.
Vazduh kao mešavina gasa
Razmotrivši pitanje kako pronaći molski udio komponente u mješavini, rješavamo sljedeći problem: izračunavamo vrijednosti xi i P i za svaku komponentu u zraku.
Ako uzmemo u obzir suh vazduh, onda se on sastoji od sledeće 4 gasne komponente:
- azot (78,09%);
- kiseonik (20,95%);
- argon (0,93%);
- gas ugljični dioksid (0,04%).
Iz ovih podataka, molske frakcije za svaki gas je vrlo lako izračunati. Da biste to učinili, dovoljno je prikazati procente u relativnim iznosima, kao što je gore navedeno u članku. Tada dobijamo:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Parcijalni pritisakizračunavamo ove komponente vazduha, s obzirom da je atmosferski pritisak na nivou mora 101 325 Pa ili 1 atm. Tada dobijamo:
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 kiseonik i druge gasove iz atmosfere, a ostavite samo azot, pritisak će pasti za 22%.
Poznavanje parcijalnog pritiska kiseonika igra vitalnu ulogu za ljude koji rone pod vodom. Dakle, ako je manji od 0,16 atm., tada osoba trenutno gubi svijest. Naprotiv, parcijalni pritisak kiseonika prelazi oznaku od 1,6 atm. dovodi do trovanja ovim plinom, što je praćeno konvulzijama. Dakle, siguran parcijalni pritisak kiseonika za ljudski život treba da bude unutar 0,16 - 1,6 atm.
