Το αέριο έχει υψηλή αντιδραστικότητα σε σύγκριση με τα υγρά και στερεά σώματα λόγω της μεγάλης επιφάνειας της ενεργού επιφάνειάς του και της υψηλής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που σχηματίζουν το σύστημα. Σε αυτή την περίπτωση, η χημική δραστηριότητα του αερίου, η πίεσή του και ορισμένες άλλες παράμετροι εξαρτώνται από τη συγκέντρωση των μορίων. Ας εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο ποια είναι αυτή η τιμή και πώς μπορεί να υπολογιστεί.
Για ποιο αέριο μιλάμε;
Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τα λεγόμενα ιδανικά αέρια. Παραμελούν το μέγεθος των σωματιδίων και την αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Η μόνη διεργασία που συμβαίνει στα ιδανικά αέρια είναι οι ελαστικές συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων και τοιχωμάτων αγγείων. Το αποτέλεσμα αυτών των συγκρούσεων είναι μια απόλυτη πίεση.
Οποιοδήποτε πραγματικό αέριο προσεγγίζει το ιδανικό στις ιδιότητές του εάν η πίεση ή η πυκνότητά του μειωθεί και η απόλυτη θερμοκρασία του αυξηθεί. Παρόλα αυτά, υπάρχουν χημικές ουσίες που, ακόμη και σε χαμηλές και υψηλές πυκνότητεςοι θερμοκρασίες απέχουν πολύ από το ιδανικό αέριο. Ένα εντυπωσιακό και γνωστό παράδειγμα μιας τέτοιας ουσίας είναι οι υδρατμοί. Το γεγονός είναι ότι τα μόριά του (H2O) είναι εξαιρετικά πολικά (το οξυγόνο απομακρύνει την πυκνότητα των ηλεκτρονίων από τα άτομα υδρογόνου). Η πολικότητα οδηγεί σε σημαντική ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση μεταξύ τους, η οποία αποτελεί κατάφωρη παραβίαση της έννοιας του ιδανικού αερίου.
Ο καθολικός νόμος του Clapeyron-Mendeleev
Για να μπορεί κανείς να υπολογίσει τη συγκέντρωση των μορίων ενός ιδανικού αερίου, θα πρέπει να εξοικειωθεί με το νόμο που περιγράφει την κατάσταση κάθε ιδανικού συστήματος αερίων, ανεξάρτητα από τη χημική του σύσταση. Ο νόμος αυτός φέρει τα ονόματα του Γάλλου Emile Clapeyron και του Ρώσου επιστήμονα Dmitri Mendeleev. Η αντίστοιχη εξίσωση είναι:
PV=nRT.
Η ισότητα λέει ότι το γινόμενο της πίεσης P και του όγκου V πρέπει πάντα να είναι ευθέως ανάλογο με το γινόμενο της απόλυτης θερμοκρασίας T και την ποσότητα της ουσίας n για ένα ιδανικό αέριο. Εδώ R είναι ο συντελεστής αναλογικότητας, ο οποίος ονομάζεται καθολική σταθερά αερίου. Δείχνει την ποσότητα εργασίας που κάνει 1 mol αερίου ως αποτέλεσμα της διαστολής εάν θερμανθεί κατά 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Συγκέντρωση μορίων και ο υπολογισμός της
Σύμφωνα με τον ορισμό, η συγκέντρωση ατόμων ή μορίων νοείται ως ο αριθμός των σωματιδίων στο σύστημα, ο οποίος πέφτει ανά μονάδα όγκου. Μαθηματικά, μπορείτε να γράψετε:
cN=N/V.
Όπου N είναι ο συνολικός αριθμός σωματιδίων στο σύστημα.
Πριν καταγράψουμε τον τύπο για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των μορίων αερίου, ας θυμηθούμε τον ορισμό της ποσότητας της ουσίας n και την έκφραση που συσχετίζει την τιμή του R με τη σταθερά Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις ισότητες, εκφράζουμε τον λόγο N/V από την καθολική εξίσωση κατάστασης:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Έτσι πήραμε τον τύπο για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των σωματιδίων σε ένα αέριο. Όπως μπορείτε να δείτε, είναι ευθέως ανάλογη με την πίεση στο σύστημα και αντιστρόφως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία.
Δεδομένου ότι ο αριθμός των σωματιδίων στο σύστημα είναι μεγάλος, η συγκέντρωση cNδεν είναι βολική για χρήση κατά την εκτέλεση πρακτικών υπολογισμών. Αντίθετα, η μοριακή συγκέντρωση c χρησιμοποιείται πιο συχνά. Ορίζεται για ένα ιδανικό αέριο ως εξής:
c=n/V=P/(R T).
Παράδειγμα προβλήματος
Είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της μοριακής συγκέντρωσης των μορίων οξυγόνου στον αέρα υπό κανονικές συνθήκες.
Για να λύσετε αυτό το πρόβλημα, θυμηθείτε ότι ο αέρας περιέχει 21% οξυγόνο. Σύμφωνα με το νόμο του D alton, το οξυγόνο δημιουργεί μερική πίεση 0,21P0, όπου P0=101325 Pa (μία ατμόσφαιρα). Οι κανονικές συνθήκες υποθέτουν επίσης θερμοκρασία 0 oC(273,15 K).
Γνωρίζουμε όλες τις απαραίτητες παραμέτρους για να υπολογίσουμε τη μοριακή συγκέντρωση οξυγόνου στον αέρα. Παίρνουμε:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Αν αυτή η συγκέντρωση μειωθεί σε όγκο 1 λίτρου, τότε παίρνουμε την τιμή 0,009 mol/L.
Για να κατανοήσετε πόσα μόρια O2 περιέχονται σε 1 λίτρο αέρα, πολλαπλασιάστε την υπολογιζόμενη συγκέντρωση με τον αριθμό NA. Μετά την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας, παίρνουμε μια τεράστια τιμή: N(O2)=5, 641021molecules.
