Kot veste, so molekule in atomi, ki sestavljajo predmete okoli nas, zelo majhni. Za izvajanje izračunov med kemičnimi reakcijami ter za analizo obnašanja mešanice neinteraktivnih komponent v tekočinah in plinih se uporablja koncept molskih frakcij. Kaj so in kako jih je mogoče uporabiti za pridobivanje makroskopskih fizikalnih količin zmesi, je obravnavano v tem članku.
Avogadrova številka
Na začetku 20. stoletja je francoski znanstvenik Jean Perrin med izvajanjem poskusov s plinskimi mešanicami izmeril število H2 molekul, ki jih vsebuje 1 gram tega plina. To število se je izkazalo za ogromno (6.0221023). Ker je izračune s takšnimi številkami izjemno neprijetno izvajati, je Perrin predlagal ime za to vrednost - Avogadrovo število. To ime je bilo izbrano v čast italijanskega znanstvenika iz zgodnjega 19. stoletja, Amedea Avogadra, ki je tako kot Perrin preučeval mešanice plinov in je lahko celo oblikovalza njih zakon, ki trenutno nosi njegov priimek.
Avogadrova številka se trenutno pogosto uporablja pri preučevanju različnih snovi. Povezuje makroskopske in mikroskopske značilnosti.
Količina snovi in molska masa
V 60. letih je Mednarodna zbornica za uteži in mere uvedla sedmo osnovno mersko enoto v sistem fizičnih enot (SI). Postal je molj. Krt prikazuje število elementov, ki sestavljajo zadevni sistem. En mol je enak Avogadrovemu številu.
Molarna masa je teža enega mola dane snovi. Meri se v gramih na mol. Molarna masa je aditivna količina, to je, da jo določimo za določeno kemično spojino, je treba sešteti molske mase kemičnih elementov, ki sestavljajo to spojino. Na primer, molska masa metana (CH4) je:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
To pomeni, da bo 1 mol molekul metana imel maso 16 gramov.
koncept molskih ulomkov
Čiste snovi so v naravi redke. V vodi so na primer vedno raztopljene različne nečistoče (soli); Zrak našega planeta je mešanica plinov. Z drugimi besedami, vsaka snov v tekočem in plinastem stanju je mešanica različnih elementov. Molski delež je vrednost, ki kaže, kolikšen delež v molskem ekvivalentu zaseda ena ali druga komponenta vmešanice. Če je količina snovi celotne zmesi označena z n, količina snovi komponente i pa z ni, potem lahko zapišemo naslednjo enačbo:
xi=ni / n.
Tukaj je xi molski delež komponente i za to mešanico. Kot je razvidno, je ta količina brezdimenzionalna. Za vse sestavine zmesi je vsota njihovih molskih deležev izražena s formulo, kot sledi:
∑i(xi)=1.
Pridobivanje te formule ni težko. Če želite to narediti, samo nadomestite prejšnji izraz za xi.
vanj
Atomske obresti
Pri reševanju problemov iz kemije so pogosto začetne vrednosti podane v atomskih odstotkih. Na primer, v mešanici kisika in vodika je slednjega 60 atomskih %. To pomeni, da bo od 10 molekul v mešanici 6 ustrezalo vodiku. Ker je molski delež razmerje med številom atomov komponent in njihovim skupnim številom, so atomski odstotki sinonim za zadevni koncept.
Pretvorba deležev v atomske odstotke se izvede tako, da jih preprosto povečamo za dva reda velikosti. Na primer, 0,21 molskega deleža kisika v zraku ustreza 21 atomskim %.
Idealni plin
Koncept molskih frakcij se pogosto uporablja pri reševanju težav s plinskimi mešanicami. Večina plinov v normalnih pogojih (temperatura 300 K in tlak 1 atm.) je idealnih. To pomeni, da so atomi in molekule, ki sestavljajo plin, zelo oddaljeni drug od drugega in ne medsebojno delujejo.
Za idealne pline velja naslednja enačba stanja:
PV=nRT.
Tukaj so P, V in T tri makroskopske termodinamične značilnosti: tlak, prostornina in temperatura. Vrednost R=8, 314 J / (Kmol) je konstanta za vse pline, n je število delcev v molih, to je količina snovi.
Enačba stanja prikazuje, kako se bo ena od treh makroskopskih lastnosti plina (P, V ali T) spremenila, če je druga od njih fiksna in tretja spremenjena. Na primer, pri konstantni temperaturi bo tlak obratno sorazmeren s prostornino plina (Boyle-Mariotteov zakon).
Najbolj izjemna stvar pri napisani formuli je, da ne upošteva kemijske narave molekul in atomov plina, torej velja tako za čiste pline kot za njihove mešanice.
D altonov zakon in parcialni tlak
Kako izračunati molski delež plina v zmesi? Za to je dovolj vedeti skupno število delcev in njihovo število za obravnavano komponento. Lahko pa storite drugače.
Molni delež plina v zmesi lahko ugotovimo, če poznamo njegov parcialni tlak. Slednje se razume kot tlak, ki bi ga ustvarila določena komponenta plinske mešanice, če bi bilo mogoče odstraniti vse druge komponente. Če označimo parcialni tlak i-te komponente kot Pi in tlak celotne zmesi kot P, potem bo formula za molski delež za to komponento dobila obliko:
xi=Pi / P.
Zaradi zneskaod vseh xi je enako ena, potem lahko zapišemo naslednji izraz:
∑i(Pi / P)=1, torej ∑i (Pi)=P.
Zadnja enakost se imenuje D altonov zakon, ki je tako poimenovan po britanskem znanstveniku iz zgodnjega 19. stoletja Johnu D altonu.
Zakon parcialnega tlaka ali D altonov zakon je neposredna posledica enačbe stanja za idealne pline. Če atomi ali molekule v plinu začnejo medsebojno delovati (to se zgodi pri visokih temperaturah in visokem tlaku), potem je D altonov zakon nepravičen. V slednjem primeru je za izračun molskih deležev komponent potrebno uporabiti formulo glede na količino snovi in ne glede na delni tlak.
Zrak kot mešanica plinov
Po obravnavi vprašanja, kako najti molski delež komponente v zmesi, rešimo naslednji problem: izračunamo vrednosti xi in P i za vsako komponento v zraku.
Če upoštevamo suh zrak, potem je sestavljen iz naslednjih 4 komponent plina:
- dušik (78,09%);
- kisik (20,95%);
- argon (0,93%);
- plin ogljikov dioksid (0,04%).
Iz teh podatkov je zelo enostavno izračunati molske deleže za vsak plin. Za to je dovolj, da odstotke predstavimo v relativnih izrazih, kot je navedeno zgoraj v članku. Potem dobimo:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Parcialni tlakte komponente zraka izračunamo, glede na to, da je atmosferski tlak na morski gladini 101 325 Pa ali 1 atm. Potem dobimo:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Ta podatek pomeni, da če odstranite ves kisik in druge pline iz ozračja in pustite samo dušik, bo tlak padel za 22%.
Poznavanje parcialnega tlaka kisika igra ključno vlogo za ljudi, ki se potapljajo pod vodo. Torej, če je manj kot 0,16 atm., potem oseba takoj izgubi zavest. Nasprotno, delni tlak kisika presega oznako 1,6 atm. vodi do zastrupitve s tem plinom, ki jo spremljajo krči. Tako bi moral biti varen parcialni tlak kisika za človeško življenje znotraj 0,16 - 1,6 atm.
