Както знаете, молекулите и атомите, които изграждат обектите около нас, са много малки. За извършване на изчисления по време на химични реакции, както и за анализиране на поведението на смес от невзаимодействащи компоненти в течности и газове, се използва концепцията за молни фракции. Какво представляват те и как могат да се използват за получаване на макроскопичните физични количества на сместа, се обсъжда в тази статия.
Номерът на Avogadro
В началото на 20-ти век, докато провежда експерименти с газови смеси, френският учен Жан Перен измерва броя на молекулите H2, съдържащи се в 1 грам от този газ. Това число се оказа огромно число (60221023). Тъй като е изключително неудобно да се извършват изчисления с такива цифри, Перин предложи име за тази стойност - числото на Авогадро. Това име е избрано в чест на италианския учен от началото на 19 век Амедео Авогадро, който, подобно на Перин, изучава смеси от газове и дори успява да формулираза тях законът, който в момента носи неговото фамилно име.
Числото на Авогадро в момента се използва широко при изследването на различни вещества. Той свързва макроскопични и микроскопични характеристики.
Количество вещество и моларна маса
През 60-те години Международната камара за мерки и теглилки въведе седмата основна мерна единица в системата от физически единици (SI). Стана молец. Къртицата показва броя на елементите, които изграждат въпросната система. Един мол е равен на числото на Авогадро.
Моларната маса е теглото на един мол от дадено вещество. Измерва се в грамове на мол. Моларната маса е адитивно количество, тоест, за да се определи за определено химично съединение, е необходимо да се добавят моларните маси на химичните елементи, които съставляват това съединение. Например моларната маса на метана (CH4) е:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Тоест, 1 мол молекули метан ще има маса от 16 грама.
Концепция за молна фракция
Чистите вещества са рядкост в природата. Например във вода винаги се разтварят различни примеси (соли); Въздухът на нашата планета е смес от газове. С други думи, всяко вещество в течно и газообразно състояние е смес от различни елементи. Молната фракция е стойност, която показва каква част в молния еквивалент е заета от един или друг компонент всмеси. Ако количеството на веществото от цялата смес се обозначи с n, а количеството на веществото на компонента i е обозначено като ni, тогава може да се запише следното уравнение:
xi=ni / n.
Тук xi е молната част на компонент i за тази смес. Както се вижда, това количество е безразмерно. За всички компоненти на сместа сумата от техните молни фракции се изразява по следната формула:
∑i(xi)=1.
Получаването на тази формула не е трудно. За да направите това, просто заменете предишния израз за xi.
в него
Атомна лихва
При решаване на задачи по химия често първоначалните стойности се дават в атомни проценти. Например, в смес от кислород и водород, последният е 60 атомни%. Това означава, че от 10 молекули в сместа 6 ще съответстват на водород. Тъй като молната фракция е съотношението на броя на съставните атоми към общия им брой, атомните проценти са синоним на въпросната концепция.
Преобразуването на дяловете в атомни проценти се извършва чрез просто увеличаването им с два порядъка. Например, 0,21 молна фракция кислород във въздуха съответства на 21 атомни%.
Идеален газ
Концепцията за молни фракции често се използва при решаване на проблеми с газови смеси. Повечето газове при нормални условия (температура 300 К и налягане 1 атм.) са идеални. Това означава, че атомите и молекулите, които изграждат газа, са на голямо разстояние един от друг и не взаимодействат един с друг.
За идеални газове е валидно следното уравнение на състоянието:
PV=nRT.
Тук P, V и T са три макроскопични термодинамични характеристики: съответно налягане, обем и температура. Стойността R=8, 314 J / (Kmol) е константа за всички газове, n е броят на частиците в молове, тоест количеството вещество.
Уравнението на състоянието показва как една от трите макроскопични характеристики на газа (P, V или T) ще се промени, ако втората от тях е фиксирана, а третата е променена. Например, при постоянна температура налягането ще бъде обратно пропорционално на обема на газа (закон на Бойл-Мариот).
Най-забележителното в написаната формула е, че тя не отчита химическата природа на молекулите и атомите на газа, тоест е валидна както за чисти газове, така и за техните смеси.
Закон на Далтън и парциално налягане
Как да изчислим молната част на газ в смес? За да направите това, достатъчно е да знаете общия брой частици и техния брой за разглеждания компонент. Можете обаче да направите друго.
Молната фракция на газ в смес може да се намери, като се знае неговото парциално налягане. Последното се разбира като налягането, което даден компонент на газовата смес би създал, ако е възможно да се отстранят всички други компоненти. Ако обозначим парциалното налягане на i-тия компонент като Pi, а налягането на цялата смес като P, тогава формулата за молната фракция за този компонент ще приеме формата:
xi=Pi / P.
Защото суматаот всички xi е равно на единица, тогава можем да напишем следния израз:
∑i(Pi / P)=1, следователно ∑i (Pi)=P.
Последното равенство се нарича закон на Далтън, който е наречен така на британския учен от началото на 19-ти век, Джон Далтън.
Законът за парциалното налягане или законът на Далтън е пряко следствие от уравнението на състоянието за идеалните газове. Ако атомите или молекулите в газа започнат да взаимодействат един с друг (това се случва при високи температури и високо налягане), тогава законът на Далтън е несправедлив. В последния случай, за да се изчислят молните фракции на компонентите, е необходимо да се използва формулата по отношение на количеството вещество, а не по отношение на парциалното налягане.
Въздух като газова смес
След като разгледахме въпроса как да намерим молната част на компонент в смес, решаваме следния проблем: изчисляваме стойностите xi и P i за всеки компонент във въздуха.
Ако разглеждаме сухия въздух, тогава той се състои от следните 4 газови компонента:
- азот (78,09%);
- кислород (20,95%);
- аргон (0,93%);
- газ въглероден диоксид (0,04%).
От тези данни, молните фракции за всеки газ са много лесни за изчисляване. За да направите това, достатъчно е да представите процентите в относително изражение, както беше споменато по-горе в статията. Тогава получаваме:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
частично наляганение изчисляваме тези компоненти на въздуха, като се има предвид, че атмосферното налягане на морското равнище е 101 325 Pa или 1 атм. Тогава получаваме:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Тези данни означават, че ако премахнете целия кислород и други газове от атмосферата и оставите само азот, налягането ще спадне с 22%.
Познаването на парциалното налягане на кислорода играе жизненоважна роля за хората, които се гмуркат под вода. Така че, ако е по-малко от 0,16 атм., тогава човекът незабавно губи съзнание. Напротив, парциалното налягане на кислорода надвишава марката от 1,6 атм. води до отравяне с този газ, което е придружено от конвулсии. По този начин безопасното парциално налягане на кислорода за човешкия живот трябва да бъде в рамките на 0,16 - 1,6 атм.
