Ποιο είναι το μοριακό κλάσμα μιας ουσίας; Πώς να βρείτε το μοριακό κλάσμα;

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Όπως γνωρίζετε, τα μόρια και τα άτομα που αποτελούν τα αντικείμενα γύρω μας είναι πολύ μικρά. Για τη διεξαγωγή υπολογισμών κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων, καθώς και για την ανάλυση της συμπεριφοράς ενός μείγματος μη αλληλεπιδρώντων συστατικών σε υγρά και αέρια, χρησιμοποιείται η έννοια των μοριακών κλασμάτων. Τι είναι και πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ληφθούν οι μακροσκοπικές φυσικές ποσότητες ενός μείγματος, συζητείται σε αυτό το άρθρο.

Αριθμός Avogadro

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ενώ διεξήγαγε πειράματα με μείγματα αερίων, ο Γάλλος επιστήμονας Jean Perrin μέτρησε τον αριθμό των μορίων H₂ που περιέχονται σε 1 γραμμάριο αυτού του αερίου. Αυτός ο αριθμός αποδείχθηκε τεράστιος αριθμός (6.02210²³). Δεδομένου ότι είναι εξαιρετικά άβολο να πραγματοποιούνται υπολογισμοί με τέτοιους αριθμούς, ο Perrin πρότεινε ένα όνομα για αυτήν την τιμή - τον αριθμό του Avogadro. Αυτό το όνομα επιλέχθηκε προς τιμήν του Ιταλού επιστήμονα των αρχών του 19ου αιώνα, Amedeo Avogadro, ο οποίος, όπως και ο Perrin, μελέτησε μείγματα αερίων και ήταν ακόμη σε θέση να διατυπώσειγια αυτούς, ο νόμος που φέρει το επίθετό του.

Ο αριθμός του Avogadro χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στη μελέτη διαφόρων ουσιών. Συνδέει μακροσκοπικά και μικροσκοπικά χαρακτηριστικά.

Ποσότητα ουσίας και μοριακή μάζα

Στη δεκαετία του '60, το Διεθνές Επιμελητήριο Βάρη και Μέτρων εισήγαγε την έβδομη βασική μονάδα μέτρησης στο σύστημα φυσικών μονάδων (SI). Έγινε σκόρος. Το mole δείχνει τον αριθμό των στοιχείων που απαρτίζουν το εν λόγω σύστημα. Ένα mole είναι ίσο με τον αριθμό του Avogadro.

Μοριακή μάζα είναι το βάρος ενός mol μιας δεδομένης ουσίας. Μετριέται σε γραμμάρια ανά mole. Η μοριακή μάζα είναι μια προσθετική ποσότητα, δηλαδή, για να την προσδιορίσουμε για μια συγκεκριμένη χημική ένωση, είναι απαραίτητο να προστεθούν οι μοριακές μάζες των χημικών στοιχείων που συνθέτουν αυτήν την ένωση. Για παράδειγμα, η μοριακή μάζα του μεθανίου (CH₄) είναι:

M_CH4=M_C + 4M_H=12 + 41=16 g/mol.

Δηλαδή, 1 mole μορίων μεθανίου θα έχει μάζα 16 γραμμαρίων.

Έννοια μοριακού κλάσματος

Οι καθαρές ουσίες είναι σπάνιες στη φύση. Για παράδειγμα, διάφορες ακαθαρσίες (άλατα) διαλύονται πάντα στο νερό. Ο αέρας του πλανήτη μας είναι ένα μείγμα αερίων. Με άλλα λόγια, οποιαδήποτε ουσία σε υγρή και αέρια κατάσταση είναι ένα μείγμα από διάφορα στοιχεία. Το μοριακό κλάσμα είναι μια τιμή που δείχνει ποιο μέρος στο γραμμομοριακό ισοδύναμο καταλαμβάνεται από ένα ή άλλο συστατικό στομείγματα. Εάν η ποσότητα της ουσίας ολόκληρου του μείγματος συμβολίζεται ως n και η ποσότητα της ουσίας του συστατικού i συμβολίζεται ως n_i, τότε μπορεί να γραφεί η ακόλουθη εξίσωση:

x_i=n_i / n.

Εδώ x_i είναι το μοριακό κλάσμα του συστατικού i για αυτό το μείγμα. Όπως φαίνεται, αυτή η ποσότητα είναι αδιάστατη. Για όλα τα συστατικά του μείγματος, το άθροισμα των μοριακών κλασμάτων τους εκφράζεται με τον τύπο ως εξής:

∑_i(x_i)=1.

Η απόκτηση αυτού του τύπου δεν είναι δύσκολη. Για να το κάνετε αυτό, απλώς αντικαταστήστε την προηγούμενη έκφραση με x_i.

σε αυτήν

Ατομικό ενδιαφέρον

Κατά την επίλυση προβλημάτων στη χημεία, συχνά οι αρχικές τιμές δίνονται σε ατομικό ποσοστό. Για παράδειγμα, σε ένα μείγμα οξυγόνου και υδρογόνου, το τελευταίο είναι 60 ατομικό%. Αυτό σημαίνει ότι από τα 10 μόρια του μείγματος, τα 6 θα αντιστοιχούν σε υδρογόνο. Δεδομένου ότι το μοριακό κλάσμα είναι ο λόγος του αριθμού των συστατικών ατόμων προς τον συνολικό αριθμό τους, τα ατομικά ποσοστά είναι συνώνυμα με την εν λόγω έννοια.

Η μετατροπή των μετοχών σε ατομικά ποσοστά πραγματοποιείται με απλή αύξηση τους κατά δύο τάξεις μεγέθους. Για παράδειγμα, κλάσμα 0,21 mol οξυγόνου στον αέρα αντιστοιχεί σε 21 άτομα.

Ιδανικό αέριο

Η έννοια των μοριακών κλασμάτων χρησιμοποιείται συχνά για την επίλυση προβλημάτων με μείγματα αερίων. Τα περισσότερα αέρια υπό κανονικές συνθήκες (θερμοκρασία 300 K και πίεση 1 atm.) είναι ιδανικά. Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα και τα μόρια που αποτελούν το αέριο βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Για ιδανικά αέρια, ισχύει η ακόλουθη εξίσωση κατάστασης:

PV=nRT.

Εδώ τα P, V και T είναι τρία μακροσκοπικά θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά: πίεση, όγκος και θερμοκρασία αντίστοιχα. Η τιμή R=8, 314 J / (Kmol) είναι μια σταθερά για όλα τα αέρια, n είναι ο αριθμός των σωματιδίων σε mol, δηλαδή η ποσότητα της ουσίας.

Η εξίσωση κατάστασης δείχνει πώς θα αλλάξει ένα από τα τρία μακροσκοπικά χαρακτηριστικά αερίου (P, V ή T) εάν το δεύτερο από αυτά είναι σταθερό και το τρίτο αλλάξει. Για παράδειγμα, σε σταθερή θερμοκρασία, η πίεση θα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον όγκο του αερίου (νόμος Boyle-Mariotte).

Το πιο αξιοσημείωτο σχετικά με τον γραπτό τύπο είναι ότι δεν λαμβάνει υπόψη τη χημική φύση των μορίων και των ατόμων του αερίου, δηλαδή ισχύει τόσο για τα καθαρά αέρια όσο και για τα μείγματά τους.

Νόμος D alton και μερική πίεση

Πώς υπολογίζεται το μοριακό κλάσμα ενός αερίου σε ένα μείγμα; Για να γίνει αυτό, αρκεί να γνωρίζουμε τον συνολικό αριθμό των σωματιδίων και τον αριθμό τους για το εξεταζόμενο συστατικό. Ωστόσο, μπορείτε να κάνετε διαφορετικά.

Το μοριακό κλάσμα ενός αερίου σε ένα μείγμα μπορεί να βρεθεί γνωρίζοντας τη μερική του πίεση. Το τελευταίο νοείται ως η πίεση που θα δημιουργούσε ένα δεδομένο συστατικό του μείγματος αερίων εάν ήταν δυνατό να αφαιρεθούν όλα τα άλλα συστατικά. Αν ορίσουμε τη μερική πίεση του i-ου συστατικού ως P_i και την πίεση ολόκληρου του μείγματος ως P, τότε ο τύπος για το μοριακό κλάσμα για αυτό το συστατικό θα πάρει τη μορφή:

x_i=P_i / P.

Επειδή το ποσόαπό όλα τα x_i είναι ίσο με ένα, τότε μπορούμε να γράψουμε την ακόλουθη παράσταση:

∑_i(P_i / P)=1, επομένως ∑_i (P_i)=P.

Η τελευταία ισότητα ονομάζεται νόμος του D alton, ο οποίος ονομάστηκε έτσι από τον Βρετανό επιστήμονα των αρχών του 19ου αιώνα, John D alton.

Ο νόμος της μερικής πίεσης ή ο νόμος του D alton είναι άμεση συνέπεια της εξίσωσης της κατάστασης για τα ιδανικά αέρια. Εάν τα άτομα ή τα μόρια ενός αερίου αρχίσουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους (αυτό συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλή πίεση), τότε ο νόμος του D alton είναι άδικος. Στην τελευταία περίπτωση, για τον υπολογισμό των μοριακών κλασμάτων των συστατικών, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ο τύπος ως προς την ποσότητα της ουσίας και όχι ως προς τη μερική πίεση.

Αέρας ως μείγμα αερίων

Έχοντας εξετάσει το ερώτημα πώς να βρούμε το μοριακό κλάσμα ενός συστατικού σε ένα μείγμα, λύνουμε το ακόλουθο πρόβλημα: υπολογίστε τις τιμές x_i και P i _{για κάθε συστατικό στον αέρα.}

Αν λάβουμε υπόψη τον ξηρό αέρα, τότε αποτελείται από τα ακόλουθα 4 συστατικά αερίου:

• άζωτο (78,09%);
• οξυγόνο (20,95%);
• argon (0,93%);
• αέριο διοξείδιο του άνθρακα (0,04%).

Από αυτά τα δεδομένα, τα μοριακά κλάσματα για κάθε αέριο είναι πολύ εύκολο να υπολογιστούν. Για να γίνει αυτό, αρκεί να παρουσιάσουμε τα ποσοστά σε σχετικούς όρους, όπως προαναφέραμε στο άρθρο. Τότε παίρνουμε:

x_N2=0, 7809;

x_O2=0, 2095;

x_Ar=0, 0093;

x_CO2=0, 0004.

Μερική πίεσηυπολογίζουμε αυτά τα συστατικά του αέρα, δεδομένου ότι η ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας είναι 101 325 Pa ή 1 atm. Τότε παίρνουμε:

P_N2=x_N2 P=0,7809 atm.;

P_O2=x_O2 P=0, 2095 atm.;

P_Ar=x_Ar P=0,0093 atm.;

P_CO2=x_CO2 P=0,0004 atm.

Αυτά τα δεδομένα σημαίνουν ότι εάν αφαιρέσετε όλο το οξυγόνο και άλλα αέρια από την ατμόσφαιρα και αφήσετε μόνο άζωτο, η πίεση θα μειωθεί κατά 22%.

Η γνώση της μερικής πίεσης του οξυγόνου παίζει ζωτικό ρόλο για τους ανθρώπους που βουτούν κάτω από το νερό. Έτσι, εάν είναι λιγότερο από 0,16 atm., τότε το άτομο χάνει αμέσως τις αισθήσεις του. Αντίθετα, η μερική πίεση του οξυγόνου υπερβαίνει το σημάδι των 1,6 atm. οδηγεί σε δηλητηρίαση με αυτό το αέριο, η οποία συνοδεύεται από σπασμούς. Έτσι, μια ασφαλής μερική πίεση οξυγόνου για την ανθρώπινη ζωή θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 0,16 - 1,6 atm.