Zoals je weet, zijn de moleculen en atomen waaruit de objecten om ons heen bestaan erg klein. Om berekeningen uit te voeren tijdens chemische reacties, maar ook om het gedrag van een mengsel van niet-interagerende componenten in vloeistoffen en gassen te analyseren, wordt het concept van molfracties gebruikt. Wat ze zijn en hoe ze kunnen worden gebruikt om de macroscopische fysieke hoeveelheden van een mengsel te verkrijgen, wordt in dit artikel besproken.
Avogadro's nummer
Aan het begin van de 20e eeuw mat de Franse wetenschapper Jean Perrin tijdens experimenten met gasmengsels het aantal H2-moleculen in 1 gram van dit gas. Dit aantal bleek een enorm aantal te zijn (6.0221023). Omdat het buitengewoon onhandig is om berekeningen met dergelijke cijfers uit te voeren, stelde Perrin een naam voor deze waarde voor - het getal van Avogadro. Deze naam werd gekozen ter ere van de Italiaanse wetenschapper uit het begin van de 19e eeuw, Amedeo Avogadro, die net als Perrin gasmengsels bestudeerde en zelfs in staat wasvoor hen de wet die momenteel zijn achternaam draagt.
Avogadro's nummer wordt momenteel veel gebruikt bij de studie van verschillende stoffen. Het verbindt macroscopische en microscopische kenmerken.
Hoeveelheid stof en molaire massa
In de jaren 60 introduceerde de International Chamber of Weights and Measures de zevende basismaateenheid in het systeem van fysieke eenheden (SI). Het werd een mot. De mol geeft het aantal elementen weer waaruit het betreffende systeem bestaat. Eén mol is gelijk aan het getal van Avogadro.
Molmassa is het gewicht van één mol van een bepaalde stof. Het wordt gemeten in gram per mol. De molmassa is een additieve hoeveelheid, dat wil zeggen, om het voor een bepaalde chemische verbinding te bepalen, is het noodzakelijk om de molmassa's van de chemische elementen waaruit deze verbinding bestaat, toe te voegen. De molaire massa van methaan (CH4) is bijvoorbeeld:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Dat wil zeggen, 1 mol methaanmoleculen heeft een massa van 16 gram.
Molefractie concept
Pure stoffen zijn zeldzaam in de natuur. Zo worden verschillende onzuiverheden (zouten) altijd opgelost in water; De lucht van onze planeet is een mengsel van gassen. Met andere woorden, elke stof in vloeibare en gasvormige toestand is een mengsel van verschillende elementen. De molfractie is een waarde die aangeeft welk deel in molequivalent wordt ingenomen door een of andere component inmengsels. Als de hoeveelheid van de stof van het hele mengsel wordt aangegeven als n, en de hoeveelheid van de stof van component i wordt aangegeven als ni, dan kan de volgende vergelijking worden geschreven:
xi=ni / n.
Hier is xi de molfractie van component i voor dit mengsel. Zoals te zien is, is deze hoeveelheid dimensieloos. Voor alle componenten van het mengsel wordt de som van hun molfracties als volgt uitgedrukt door de formule:
∑i(xi)=1.
Het verkrijgen van deze formule is niet moeilijk. Om dit te doen, vervangt u gewoon de vorige uitdrukking voor xi.
erin
Atoombelang
Bij het oplossen van problemen in de chemie worden de beginwaarden vaak in atomaire procenten gegeven. In een mengsel van zuurstof en waterstof is de laatste bijvoorbeeld 60 atoom%. Dit betekent dat van de 10 moleculen in het mengsel, 6 overeenkomen met waterstof. Aangezien de molfractie de verhouding is van het aantal samenstellende atomen tot hun totale aantal, zijn atoompercentages synoniem met het concept in kwestie.
De conversie van aandelen in atoompercentages wordt uitgevoerd door ze eenvoudig met twee ordes van grootte te verhogen. Bijvoorbeeld, 0,21 molfractie zuurstof in lucht komt overeen met 21 atoom%.
Ideaal gas
Het concept van molfracties wordt vaak gebruikt bij het oplossen van problemen met gasmengsels. De meeste gassen zijn onder normale omstandigheden (temperatuur 300 K en druk 1 atm.) ideaal. Dit betekent dat de atomen en moleculen waaruit het gas bestaat op grote afstand van elkaar staan en geen interactie met elkaar hebben.
Voor ideale gassen is de volgende toestandsvergelijking geldig:
PV=nRT.
Hier zijn P, V en T drie macroscopische thermodynamische kenmerken: respectievelijk druk, volume en temperatuur. De waarde R=8, 314 J / (Kmol) is een constante voor alle gassen, n is het aantal deeltjes in mol, dat wil zeggen de hoeveelheid stof.
De toestandsvergelijking laat zien hoe een van de drie macroscopische gaskenmerken (P, V of T) zal veranderen als de tweede vast is en de derde verandert. Bij een constante temperatuur is de druk bijvoorbeeld omgekeerd evenredig met het volume van het gas (wet van Boyle-Mariotte).
Het meest opmerkelijke aan de geschreven formule is dat er geen rekening wordt gehouden met de chemische aard van de moleculen en atomen van het gas, dat wil zeggen dat het geldt voor zowel zuivere gassen als hun mengsels.
De wet van D alton en partiële druk
Hoe bereken je de molfractie van een gas in een mengsel? Om dit te doen, is het voldoende om het totale aantal deeltjes en hun aantal voor de betreffende component te kennen. U kunt echter anders doen.
De molfractie van een gas in een mengsel kan worden gevonden door de partiële druk te kennen. Dit laatste wordt begrepen als de druk die een bepaalde component van het gasmengsel zou creëren als het mogelijk zou zijn om alle andere componenten te verwijderen. Als we de partiële druk van de i-de component aanduiden als Pi, en de druk van het gehele mengsel als P, dan zal de formule voor de molfractie voor deze component de vorm aannemen:
xi=Pi / P.
Omdat het bedragvan alle xi is gelijk aan één, dan kunnen we de volgende uitdrukking schrijven:
∑i(Pi / P)=1, vandaar ∑i (Pi)=P.
De laatste gelijkheid wordt de wet van D alton genoemd, die zo genoemd is naar de Britse wetenschapper uit het begin van de 19e eeuw, John D alton.
De wet van partiële druk of de wet van D alton is een direct gevolg van de toestandsvergelijking voor ideale gassen. Als atomen of moleculen in een gas met elkaar gaan interageren (dit gebeurt bij hoge temperaturen en hoge druk), dan is de wet van D alton oneerlijk. In het laatste geval is het voor het berekenen van de molfracties van de componenten noodzakelijk om de formule te gebruiken in termen van de hoeveelheid stof, en niet in termen van partiële druk.
Lucht als gasmengsel
Na de vraag hoe we de molfractie van een component in een mengsel kunnen vinden, lossen we het volgende probleem op: bereken de waarden xi en P i voor elk onderdeel in de lucht.
Als we droge lucht beschouwen, dan bestaat deze uit de volgende 4 gascomponenten:
- stikstof (78,09%);
- zuurstof (20,95%);
- argon (0,93%);
- kooldioxidegas (0,04%).
Op basis van deze gegevens zijn de molfracties voor elk gas heel eenvoudig te berekenen. Om dit te doen, volstaat het om de percentages relatief te presenteren, zoals hierboven in het artikel vermeld. Dan krijgen we:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Gedeeltelijke drukwe berekenen deze luchtcomponenten, aangezien de atmosferische druk op zeeniveau 101 325 Pa of 1 atm is. Dan krijgen we:
PN2=xN2 P=0.7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Deze gegevens betekenen dat als je alle zuurstof en andere gassen uit de atmosfeer verwijdert en alleen stikstof achterlaat, de druk met 22% da alt.
Het kennen van de partiële zuurstofdruk speelt een cruciale rol voor mensen die onder water duiken. Dus als het minder is dan 0,16 atm., dan verliest de persoon onmiddellijk het bewustzijn. Integendeel, de partiële zuurstofdruk overschrijdt de grens van 1,6 atm. leidt tot vergiftiging met dit gas, wat gepaard gaat met stuiptrekkingen. Dus een veilige partiële zuurstofdruk voor het menselijk leven moet binnen 0,16 - 1,6 atm liggen.
