Ako viete, molekuly a atómy, ktoré tvoria predmety okolo nás, sú veľmi malé. Na vykonávanie výpočtov počas chemických reakcií, ako aj na analýzu správania zmesi neinteragujúcich zložiek v kvapalinách a plynoch sa používa koncept mólových frakcií. Čo to je a ako sa dajú použiť na získanie makroskopických fyzikálnych veličín zmesi, je diskutované v tomto článku.
Avogadroovo číslo
Na začiatku 20. storočia francúzsky vedec Jean Perrin počas experimentov so zmesami plynov zmeral počet molekúl H2 obsiahnutých v 1 grame tohto plynu. Ukázalo sa, že toto číslo je obrovské číslo (6 0221023). Keďže je mimoriadne nepohodlné vykonávať výpočty s takýmito číslami, Perrin navrhol pre túto hodnotu názov - Avogadroovo číslo. Toto meno bolo zvolené na počesť talianskeho vedca zo začiatku 19. storočia Amedea Avogadra, ktorý podobne ako Perrin študoval zmesi plynov a dokonca dokázal formulovaťpre nich zákon, ktorý momentálne nesie jeho priezvisko.
Avogadrove číslo sa v súčasnosti široko používa pri štúdiu rôznych látok. Spája makroskopické a mikroskopické charakteristiky.
Látkové množstvo a molárna hmotnosť
V 60. rokoch Medzinárodná komora pre váhy a miery zaviedla do sústavy fyzikálnych jednotiek (SI) siedmu základnú jednotku merania. Stal sa z toho nočný motýľ. Krtek ukazuje počet prvkov, ktoré tvoria príslušný systém. Jeden mol sa rovná Avogadrovmu číslu.
Molárna hmotnosť je hmotnosť jedného mólu danej látky. Meria sa v gramoch na mol. Molárna hmotnosť je aditívna veličina, to znamená, že na jej určenie pre konkrétnu chemickú zlúčeninu je potrebné pridať molárne hmotnosti chemických prvkov, ktoré tvoria túto zlúčeninu. Napríklad molárna hmotnosť metánu (CH4) je:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
To znamená, že 1 mol molekúl metánu bude mať hmotnosť 16 gramov.
Koncept molárnych zlomkov
Čisté látky sú v prírode zriedkavé. Napríklad rôzne nečistoty (soli) sú vždy rozpustené vo vode; Vzduch našej planéty je zmesou plynov. Inými slovami, akákoľvek látka v kvapalnom a plynnom stave je zmesou rôznych prvkov. Molárny zlomok je hodnota, ktorá ukazuje, akú časť v molárnom ekvivalente zaberá jedna alebo druhá zložkazmesi. Ak sa látkové množstvo celej zmesi označí ako n a látkové množstvo zložky i sa označí ako ni, potom možno napísať nasledujúcu rovnicu:
xi=ni / n.
Tu xi je molárny zlomok zložky i pre túto zmes. Ako je vidieť, toto množstvo je bezrozmerné. Pre všetky zložky zmesi je súčet ich molárnych zlomkov vyjadrený vzorcom takto:
∑i(xi)=1.
Získať tento vzorec nie je ťažké. Ak to chcete urobiť, stačí doň nahradiť predchádzajúci výraz za xi.
Atómový úrok
Pri riešení problémov v chémii sa často počiatočné hodnoty uvádzajú v atómových percentách. Napríklad v zmesi kyslíka a vodíka je vodík 60 atómových %. To znamená, že z 10 molekúl v zmesi bude 6 zodpovedať vodíku. Keďže molárny zlomok je pomer počtu atómov komponentov k ich celkovému počtu, atómové percentá sú synonymom pre daný pojem.
Premena podielov na atómové percentá sa vykonáva jednoduchým zvýšením o dva rády. Napríklad 0,21 molárneho zlomku kyslíka vo vzduchu zodpovedá 21 atómovým %.
Ideálny plyn
Pojem molárnych frakcií sa často používa pri riešení problémov so zmesami plynov. Väčšina plynov za normálnych podmienok (teplota 300 K a tlak 1 atm.) je ideálna. To znamená, že atómy a molekuly, ktoré tvoria plyn, sú od seba vo veľkej vzdialenosti a vzájomne neinteragujú.
Pre ideálne plyny platí nasledujúca stavová rovnica:
PV=nRT.
Tu P, V a T sú tri makroskopické termodynamické charakteristiky: tlak, objem a teplota. Hodnota R=8, 314 J / (Kmol) je konštanta pre všetky plyny, n je počet častíc v móloch, teda látkové množstvo.
Stavová rovnica ukazuje, ako sa zmení jedna z troch makroskopických charakteristík plynu (P, V alebo T), ak je druhá z nich pevná a tretia sa zmení. Napríklad pri konštantnej teplote bude tlak nepriamo úmerný objemu plynu (Boyleov-Mariottov zákon).
Najpozoruhodnejšie na napísanom vzorci je, že nezohľadňuje chemickú povahu molekúl a atómov plynu, to znamená, že platí pre čisté plyny aj ich zmesi.
D altonov zákon a parciálny tlak
Ako vypočítať molárny zlomok plynu v zmesi? Na to stačí poznať celkový počet častíc a ich počet pre uvažovanú zložku. Môžete však urobiť aj inak.
Molárny zlomok plynu v zmesi možno nájsť na základe poznania jeho parciálneho tlaku. Ten sa chápe ako tlak, ktorý by daná zložka plynnej zmesi vytvorila, ak by bolo možné odstrániť všetky ostatné zložky. Ak označíme parciálny tlak i-tej zložky ako Pi a tlak celej zmesi ako P, potom vzorec pre molárny zlomok pre túto zložku bude mať tvar:
xi=Pi / P.
Pretože množstvozo všetkých xi sa rovná jednej, potom môžeme napísať nasledujúci výraz:
∑i(Pi / P)=1, teda ∑i (Pi)=P.
Posledná rovnosť sa nazýva D altonov zákon, ktorý je tak pomenovaný po britskom vedcovi zo začiatku 19. storočia Johnovi D altonovi.
Zákon parciálneho tlaku alebo D altonov zákon je priamym dôsledkom stavovej rovnice pre ideálne plyny. Ak atómy alebo molekuly v plyne začnú navzájom interagovať (stane sa to pri vysokých teplotách a vysokom tlaku), potom je D altonov zákon nespravodlivý. V druhom prípade je na výpočet mólových zlomkov zložiek potrebné použiť vzorec z hľadiska množstva látky a nie z hľadiska parciálneho tlaku.
Vzduch ako zmes plynov
Po zvážení otázky, ako nájsť molárny zlomok zložky v zmesi, riešime nasledujúci problém: vypočítajte hodnoty xi a P i pre každú zložku vo vzduchu.
Ak vezmeme do úvahy suchý vzduch, potom pozostáva z nasledujúcich 4 zložiek plynu:
- dusík (78,09 %);
- kyslík (20,95 %);
- argón (0,93 %);
- plynný oxid uhličitý (0,04 %).
Z týchto údajov sa dajú veľmi ľahko vypočítať mólové zlomky pre každý plyn. Na to stačí uviesť percentá v relatívnom vyjadrení, ako je uvedené vyššie v článku. Potom dostaneme:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Čiastočný tlaktieto zložky vzduchu vypočítame za predpokladu, že atmosférický tlak na hladine mora je 101 325 Pa alebo 1 atm. Potom dostaneme:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Tieto údaje znamenajú, že ak z atmosféry odstránite všetok kyslík a iné plyny a ponecháte len dusík, tlak klesne o 22 %.
Znalosť parciálneho tlaku kyslíka hrá zásadnú úlohu pre ľudí, ktorí sa potápajú pod vodou. Takže, ak je to menej ako 0,16 atm., potom osoba okamžite stratí vedomie. Naopak, parciálny tlak kyslíka presahuje značku 1,6 atm. vedie k otrave týmto plynom, ktorá je sprevádzaná kŕčmi. Čiže bezpečný parciálny tlak kyslíka pre ľudský život by mal byť v rozmedzí 0,16 - 1,6 atm.
