Nagu teate, on meid ümbritsevaid objekte moodustavad molekulid ja aatomid väga väikesed. Arvutuste tegemiseks keemiliste reaktsioonide käigus, samuti vedelikes ja gaasides mitteinterakteeruvate komponentide segu käitumise analüüsimiseks kasutatakse moolifraktsioonide mõistet. Mis need on ja kuidas neid kasutada segu makroskoopiliste füüsikaliste koguste saamiseks, arutatakse selles artiklis.
Avogadro number
20. sajandi alguses mõõtis prantsuse teadlane Jean Perrin gaasisegudega katseid tehes H2 molekulide arvu, mis sisaldusid 1 grammis selles gaasis. See arv osutus tohutuks arvuks (60221023). Kuna selliste arvudega arvutusi teha on äärmiselt ebamugav, pakkus Perrin sellele väärtusele nime – Avogadro number. See nimi valiti 19. sajandi alguse itaalia teadlase Amedeo Avogadro auks, kes sarnaselt Perriniga uuris gaasisegusid ja suutis isegi formuleerida.nende jaoks seadus, mis praegu kannab tema perekonnanime.
Avogadro numbrit kasutatakse praegu laialdaselt erinevate ainete uurimisel. See ühendab makroskoopilisi ja mikroskoopilisi omadusi.
Aine kogus ja molaarmass
60ndatel võttis Rahvusvaheline Kaalude ja Mõõtude Koda füüsiliste ühikute süsteemi (SI) kasutusele seitsmenda põhimõõtühiku. Sellest sai ööliblikas. Mool näitab elementide arvu, millest kõnealune süsteem koosneb. Üks mool võrdub Avogadro arvuga.
Molaarmass on antud aine ühe mooli kaal. Seda mõõdetakse grammides mooli kohta. Molaarmass on aditiivne suurus, see tähendab, et selle määramiseks konkreetse keemilise ühendi jaoks on vaja lisada selle ühendi moodustavate keemiliste elementide molaarmassid. Näiteks metaani molaarmass (CH4) on:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
See tähendab, et 1 mooli metaani molekulide mass on 16 grammi.
Moolimurru mõiste
Puhtasid aineid leidub looduses harva. Näiteks erinevad lisandid (soolad) lahustatakse alati vees; Meie planeedi õhk on gaaside segu. Teisisõnu, mis tahes vedelas ja gaasilises olekus olev aine on erinevate elementide segu. Moolfraktsioon on väärtus, mis näitab, millise osa moolekvivalendist hõivab üks või teine komponentsegud. Kui kogu segu aine kogus on tähistatud kui n ja komponendi i aine kogus on tähistatud kui ni, siis saab kirjutada järgmise võrrandi:
xi=ni / n.
Siin xi on selle segu komponendi i mooliosa. Nagu näha, on see kogus mõõtmeteta. Segu kõigi komponentide puhul väljendatakse nende mooliosade summa järgmise valemiga:
∑i(xi)=1.
Selle valemi hankimine pole keeruline. Selleks asendage lihts alt eelmine avaldis xi.
Aatomihuvi
Keemia ülesandeid lahendades esitatakse algväärtused sageli aatomprotsentides. Näiteks hapniku ja vesiniku segus on viimast 60 aatomiprotsenti. See tähendab, et 10 segu molekulist vastab 6 vesinikule. Kuna moolifraktsioon on komponentide aatomite arvu ja nende koguarvu suhe, on aatomiprotsendid kõnealuse mõiste sünonüümid.
Aktsiate teisendamine aatomprotsentideks toimub lihts alt suurendades neid kahe suurusjärgu võrra. Näiteks 0,21 mooliosa hapnikust õhus vastab 21 aatomile.
Ideaalne gaas
Moolifraktsioonide mõistet kasutatakse sageli gaasisegudega seotud probleemide lahendamisel. Enamik gaase tavatingimustes (temperatuur 300 K ja rõhk 1 atm.) on ideaalsed. See tähendab, et gaasi moodustavad aatomid ja molekulid on üksteisest suurel kaugusel ega interakteeru üksteisega.
Ideaalsete gaaside puhul kehtib järgmine olekuvõrrand:
PV=nRT.
Siin P, V ja T on kolm makroskoopilist termodünaamilist karakteristikku: vastav alt rõhk, maht ja temperatuur. Väärtus R=8, 314 J / (Kmol) on kõigi gaaside konstant, n on osakeste arv moolides, st aine kogus.
Olekuvõrrand näitab, kuidas muutub üks kolmest makroskoopilisest gaasikarakteristikust (P, V või T), kui teine neist fikseeritakse ja kolmas muudetakse. Näiteks konstantsel temperatuuril on rõhk pöördvõrdeline gaasi mahuga (Boyle'i-Mariotte seadus).
Kirjutatud valemi juures on kõige tähelepanuväärsem see, et see ei võta arvesse gaasi molekulide ja aatomite keemilist olemust ehk kehtib nii puhaste gaaside kui ka nende segude kohta.
D altoni seadus ja osarõhk
Kuidas arvutada segus oleva gaasi mooliosa? Selleks piisab, kui on teada osakeste koguarv ja nende arv vaadeldava komponendi kohta. Kuid võite teha teisiti.
Gaasi mooliosa segus saab leida selle osarõhku teades. Viimase all mõeldakse rõhku, mille gaasisegu antud komponent tekitaks, kui oleks võimalik eemaldada kõik teised komponendid. Kui nimetame i-nda komponendi osarõhuks Pi ja kogu segu rõhuks P, siis saab selle komponendi moolfraktsiooni valem kujule:
xi=Pi / P.
Sest summakõigist xi on võrdne ühega, siis saame kirjutada järgmise avaldise:
∑i(Pi / P)=1, seega ∑i (Pi)=P.
Viimast võrdsust nimetatakse D altoni seaduseks, mis on saanud oma nime 19. sajandi alguse Briti teadlase John D altoni järgi.
Osalise rõhu seadus ehk D altoni seadus on ideaalsete gaaside olekuvõrrandi otsene tagajärg. Kui gaasi aatomid või molekulid hakkavad üksteisega suhtlema (see juhtub kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul), siis on D altoni seadus ebaõiglane. Viimasel juhul on komponentide mooliosade arvutamiseks vaja kasutada valemit aine koguse, mitte osarõhu järgi.
Õhk gaasiseguna
Võttes arvesse küsimust, kuidas leida segus komponendi mooliosa, lahendame järgmise ülesande: arvutage väärtused xi ja P i iga õhus oleva komponendi kohta.
Kui arvestada kuiva õhku, koosneb see neljast järgmisest gaasikomponendist:
- lämmastik (78,09%);
- hapnik (20,95%);
- argoon (0,93%);
- süsinikdioksiid (0,04%).
Nende andmete põhjal on iga gaasi mooliosasid väga lihtne arvutada. Selleks piisab, kui esitada protsendid suhtelistes näitajates, nagu eespool artiklis mainitud. Siis saame:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Osaline surveme arvutame need õhukomponendid, arvestades, et atmosfäärirõhk merepinnal on 101 325 Pa ehk 1 atm. Siis saame:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Need andmed tähendavad, et kui eemaldate atmosfäärist kogu hapniku ja muud gaasid ning jätate alles ainult lämmastiku, langeb rõhk 22%.
Hapniku osarõhu tundmine mängib vee all sukelduvate inimeste jaoks üliolulist rolli. Seega, kui see on alla 0,16 atm, kaotab inimene kohe teadvuse. Vastupidi, hapniku osarõhk ületab 1,6 atm. viib selle gaasiga mürgistuseni, millega kaasnevad krambid. Seega peaks inimelude jaoks ohutu hapniku osarõhk olema vahemikus 0,16–1,6 atm.
