Koncentracija idealnih molekul plina. Formule in problem z vzorcem

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 17:55

Plin ima visoko reaktivnost v primerjavi s tekočimi in trdnimi telesi zaradi velike površine svoje aktivne površine in visoke kinetične energije delcev, ki tvorijo sistem. V tem primeru je kemična aktivnost plina, njegov tlak in nekateri drugi parametri odvisni od koncentracije molekul. V tem članku razmislimo, kaj je ta vrednost in kako jo je mogoče izračunati.

O katerem plinu govorimo?

Ta članek bo obravnaval tako imenovane idealne pline. Zanemajo velikost delcev in interakcijo med njimi. Edini proces, ki se pojavi v idealnih plinih, so elastični trki med delci in stenami posode. Rezultat teh trkov je absolutni pritisk.

Vsak pravi plin se po svojih lastnostih približa idealnemu, če se njegov tlak ali gostota zmanjšata in njegova absolutna temperatura poveča. Kljub temu pa obstajajo kemikalije, ki tudi pri nizki in visoki gostotitemperature so daleč od idealnega plina. Osupljiv in dobro znan primer takšne snovi je vodna para. Dejstvo je, da so njegove molekule (H_{2O) zelo polarne (kisik potegne elektronsko gostoto stran od vodikovih atomov). Polarnost vodi do pomembne elektrostatične interakcije med njima, kar je groba kršitev koncepta idealnega plina.}

Univerzalni zakon Clapeyron-Mendeleeva

Da bi lahko izračunali koncentracijo molekul idealnega plina, se je treba seznaniti z zakonom, ki opisuje stanje katerega koli idealnega plinskega sistema, ne glede na njegovo kemično sestavo. Ta zakon nosi imena Francoza Emila Clapeyrona in ruskega znanstvenika Dmitrija Mendelejeva. Ustrezna enačba je:

PV=nRT.

Enakost pravi, da mora biti produkt tlaka P in prostornine V vedno premo sorazmeren zmnožku absolutne temperature T in količine snovi n za idealen plin. Tukaj je R koeficient sorazmernosti, ki se imenuje univerzalna plinska konstanta. Kaže količino dela, ki ga opravi 1 mol plina zaradi raztezanja, če ga segrejemo za 1 K (R=8, 314 J/(molK)).

Koncentracija molekul in njen izračun

Po definiciji se koncentracija atomov ali molekul razume kot število delcev v sistemu, ki pade na enoto prostornine. Matematično lahko zapišete:

c_N=N/V.

Kjer je N skupno število delcev v sistemu.

Preden zapišemo formulo za določanje koncentracije molekul plina, se spomnimo definicije količine snovi n in izraza, ki povezuje vrednost R z Boltzmannovo konstanto k_B:

n=N/N_A;

k_B=R/N_A.

Z uporabo teh enačb izrazimo razmerje N/V iz univerzalne enačbe stanja:

PV=nRT=>

PV=N/N_ART=Nk_BT=>

c_N=N/V=P/(k_BT).

Tako smo dobili formulo za določanje koncentracije delcev v plinu. Kot lahko vidite, je neposredno sorazmeren s tlakom v sistemu in obratno sorazmeren z absolutno temperaturo.

Ker je število delcev v sistemu veliko, je koncentracija c_N neprimerna za uporabo pri izvajanju praktičnih izračunov. Namesto tega se pogosteje uporablja molarna koncentracija c_{. Za idealen plin je opredeljen na naslednji način:}

c_{=n/V=P/(R T).}

Primer težave

Treba je izračunati molsko koncentracijo molekul kisika v zraku v normalnih pogojih.

Za rešitev te težave ne pozabite, da zrak vsebuje 21 % kisika. V skladu z D altonovim zakonom kisik ustvari parcialni tlak 0,21P₀, kjer je P₀=101325 Pa (ena atmosfera). Normalni pogoji predvidevajo tudi temperaturo 0 ^{oC(273,15 K).}

Poznamo vse potrebne parametre za izračun molske koncentracije kisika v zraku. Dobimo:

c(O₂)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m^3.

Če to koncentracijo zmanjšamo na prostornino 1 liter, dobimo vrednost 0,009 mol/L.

Če želite razumeti, koliko molekul O₂ vsebuje 1 liter zraka, pomnožite izračunano koncentracijo s številom N_A. Po zaključku tega postopka dobimo ogromno vrednost: N(O₂)=5, 6410^21molekul.