Kaip žinote, molekulės ir atomai, sudarantys mus supančius objektus, yra labai maži. Skaičiavimams cheminių reakcijų metu atlikti, taip pat nesąveikaujančių komponentų mišinio skysčiuose ir dujose elgsenai analizuoti naudojama molinių frakcijų sąvoka. Kas tai yra ir kaip juos galima naudoti norint gauti makroskopinius fizinius mišinio kiekius, aptariama šiame straipsnyje.
Avogadro numeris
XX amžiaus pradžioje, atlikdamas eksperimentus su dujų mišiniais, prancūzų mokslininkas Jeanas Perrinas išmatavo H2 molekulių skaičių 1 grame šių dujų. Paaiškėjo, kad šis skaičius yra didžiulis (6 0221023). Kadangi atlikti skaičiavimus su tokiais skaičiais yra labai nepatogu, Perrinas pasiūlė šiai reikšmei pavadinimą - Avogadro skaičių. Šis vardas pasirinktas XIX amžiaus pradžios italų mokslininko Amedeo Avogadro garbei, kuris, kaip ir Perrinas, tyrinėjo dujų mišinius ir netgi sugebėjo suformuluotijiems – įstatymas, kuris šiuo metu turi jo pavardę.
Avogadro numeris šiuo metu plačiai naudojamas tiriant įvairias medžiagas. Jis susieja makroskopines ir mikroskopines charakteristikas.
Medžiagos kiekis ir molinė masė
60-aisiais Tarptautiniai svorių ir matų rūmai į fizinių vienetų sistemą (SI) įvedė septintą pagrindinį matavimo vienetą. Tai tapo drugeliu. Apgamas rodo elementų, sudarančių nagrinėjamą sistemą, skaičių. Vienas apgamas lygus Avogadro skaičiui.
Molinė masė yra vieno molio tam tikros medžiagos masė. Jis matuojamas gramais vienam moliui. Molinė masė yra priedinis dydis, tai yra, norint ją nustatyti tam tikram cheminiam junginiui, būtina pridėti cheminių elementų, sudarančių šį junginį, molines mases. Pavyzdžiui, metano molinė masė (CH4) yra:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Tai yra, 1 molio metano molekulių masė bus 16 gramų.
Molinės trupmenos samprata
Grynos medžiagos gamtoje yra retos. Pavyzdžiui, įvairios priemaišos (druskos) visada ištirpsta vandenyje; Mūsų planetos oras yra dujų mišinys. Kitaip tariant, bet kuri skystos ir dujinės būsenos medžiaga yra įvairių elementų mišinys. Molinė dalis yra reikšmė, rodanti, kokią dalį molinio ekvivalento užima vienas ar kitas komponentasmišiniai. Jei viso mišinio medžiagos kiekis žymimas n, o komponento i medžiagos kiekis žymimas ni, tada galima parašyti tokią lygtį:
xi=ni / n.
Čia xi yra šio mišinio komponento i molinė dalis. Kaip matote, šis kiekis yra bematis. Visų mišinio komponentų molinių frakcijų suma išreiškiama tokia formule:
∑i(xi)=1.
Gauti šią formulę nėra sunku. Norėdami tai padaryti, tiesiog pakeiskite ankstesnę išraišką xi.
Atominės palūkanos
Spręsdami chemijos uždavinius, dažnai pradinės reikšmės pateikiamos atominiais procentais. Pavyzdžiui, deguonies ir vandenilio mišinyje pastarasis yra 60 atomų%. Tai reiškia, kad iš 10 mišinio molekulių 6 atitiks vandenilį. Kadangi molinė dalis yra komponentų atomų skaičiaus ir bendro jų skaičiaus santykis, atominiai procentai yra nagrinėjamos sąvokos sinonimai.
Akcijų konvertavimas į atominius procentus atliekamas tiesiog padidinus jas dviem dydžiais. Pavyzdžiui, 0,21 molio deguonies dalis ore atitinka 21 atominį.
Idealios dujos
Molių frakcijų sąvoka dažnai naudojama sprendžiant dujų mišinių problemas. Dauguma dujų normaliomis sąlygomis (temperatūra 300 K ir slėgis 1 atm.) yra idealios. Tai reiškia, kad dujas sudarantys atomai ir molekulės yra labai nutolę vienas nuo kito ir nesąveikauja tarpusavyje.
Idealioms dujoms galioja ši būsenos lygtis:
PV=nRT.
Čia P, V ir T yra trys makroskopinės termodinaminės charakteristikos: atitinkamai slėgis, tūris ir temperatūra. Reikšmė R=8, 314 J / (Kmol) yra visų dujų konstanta, n yra dalelių skaičius moliuose, tai yra medžiagos kiekis.
Būsenos lygtis parodo, kaip pasikeis viena iš trijų makroskopinių dujų charakteristikų (P, V arba T), jei antroji iš jų bus fiksuota, o trečioji pakeista. Pavyzdžiui, esant pastoviai temperatūrai, slėgis bus atvirkščiai proporcingas dujų tūriui (Boyle-Mariotte dėsnis).
Įspūdingiausias dalykas parašytoje formulėje yra tai, kad joje neatsižvelgiama į cheminę dujų molekulių ir atomų prigimtį, tai yra, ji galioja tiek grynoms dujoms, tiek jų mišiniams.
D altono dėsnis ir dalinis slėgis
Kaip apskaičiuoti dujų molinę dalį mišinyje? Norėdami tai padaryti, pakanka žinoti bendrą dalelių skaičių ir jų skaičių nagrinėjamam komponentui. Tačiau galite elgtis kitaip.
Dujų molinę dalį mišinyje galima rasti žinant jų dalinį slėgį. Pastarasis suprantamas kaip slėgis, kurį sukurtų tam tikras dujų mišinio komponentas, jei būtų įmanoma pašalinti visus kitus komponentus. Jei i-ojo komponento dalinį slėgį pažymėsime kaip Pi, o viso mišinio slėgį kaip P, tada šio komponento molinės dalies formulė bus tokia forma.:
xi=Pi / P.
Kadangi sumaiš visų xi yra lygus vienetui, tada galime parašyti tokią išraišką:
∑i(Pi / P)=1, taigi ∑i (Pi)=P.
Paskutinė lygybė vadinama D altono dėsniu, kuris taip pavadintas XIX amžiaus pradžios britų mokslininko Johno D altono vardu.
Paralinio slėgio arba D altono dėsnis yra tiesioginė idealių dujų būsenos lygties pasekmė. Jei dujose esantys atomai ar molekulės pradeda sąveikauti tarpusavyje (tai atsitinka esant aukštai temperatūrai ir aukštam slėgiui), D altono dėsnis yra neteisingas. Pastaruoju atveju, norint apskaičiuoti komponentų molines dalis, formulę reikia naudoti pagal medžiagos kiekį, o ne pagal dalinį slėgį.
Oras kaip dujų mišinys
Apsvarstę klausimą, kaip rasti mišinio komponento molinę dalį, išsprendžiame šią užduotį: apskaičiuojame reikšmes xi ir P i už kiekvieną komponentą ore.
Jei laikysime sausą orą, jį sudaro šie 4 dujų komponentai:
- azotas (78,09%);
- deguonis (20,95%);
- argonas (0,93 %);
- anglies dioksido dujos (0,04 %).
Iš šių duomenų labai lengva apskaičiuoti kiekvienos dujų molines dalis. Norėdami tai padaryti, pakanka pateikti procentus santykiniais dydžiais, kaip minėta aukščiau straipsnyje. Tada gauname:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Dalinis spaudimasapskaičiuojame šiuos oro komponentus, atsižvelgiant į tai, kad atmosferos slėgis jūros lygyje yra 101 325 Pa arba 1 atm. Tada gauname:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Šie duomenys reiškia, kad jei iš atmosferos pašalinsite visą deguonį ir kitas dujas, o paliksite tik azotą, slėgis sumažės 22%.
Žinojimas apie dalinį deguonies slėgį yra gyvybiškai svarbus žmonėms, kurie nardo po vandeniu. Taigi, jei jis yra mažesnis nei 0,16 atm., tada žmogus akimirksniu praranda sąmonę. Priešingai, dalinis deguonies slėgis viršija 1,6 atm ženklą. sukelia apsinuodijimą šiomis dujomis, kuriuos lydi traukuliai. Taigi saugus dalinis deguonies slėgis žmogaus gyvybei turėtų būti 0,16–1,6 atm.
