Kuten tiedätte, molekyylit ja atomit, jotka muodostavat ympärillämme olevat esineet, ovat hyvin pieniä. Laskelmien suorittamiseksi kemiallisten reaktioiden aikana sekä ei-vuorovaikutteisten komponenttien seoksen käyttäytymisen analysoimiseksi nesteissä ja kaasuissa käytetään mooliosien käsitettä. Mitä ne ovat ja kuinka niitä voidaan käyttää seoksen makroskooppisten fysikaalisten määrien saamiseksi, käsitellään tässä artikkelissa.
Avogadron numero
1900-luvun alussa ranskalainen tiedemies Jean Perrin mittasi kaasuseoksilla kokeita tehdessään H2-molekyylien lukumäärän 1 grammassa tätä kaasua. Tämä luku osoittautui v altavaksi luvuksi (6 0221023). Koska on erittäin hankalaa suorittaa laskelmia tällaisilla luvuilla, Perrin ehdotti tälle arvolle nimeä - Avogadron numero. Tämä nimi valittiin 1800-luvun alun italialaisen tiedemiehen Amedeo Avogadron kunniaksi, joka Perrinin tavoin tutki kaasuseoksia ja pystyi jopa muotoilemaanheille laki, joka tällä hetkellä kantaa hänen sukunimeään.
Avogadron numeroa käytetään tällä hetkellä laaj alti eri aineiden tutkimuksessa. Se yhdistää makroskooppiset ja mikroskooppiset ominaisuudet.
Aineen määrä ja moolimassa
60-luvulla Kansainvälinen paino- ja mittakamari otti käyttöön seitsemännen perusmittayksikön fyysisten yksikköjen järjestelmään (SI). Siitä tuli koi. Mooli näyttää elementtien määrän, jotka muodostavat kyseessä olevan järjestelmän. Yksi mooli on yhtä suuri kuin Avogadron luku.
Moolimassa on tietyn aineen yhden moolin paino. Se mitataan grammoina per mooli. Moolimassa on additiivinen määrä, eli sen määrittämiseksi tietylle kemialliselle yhdisteelle on tarpeen lisätä tämän yhdisteen muodostavien kemiallisten alkuaineiden moolimassat. Esimerkiksi metaanin moolimassa (CH4) on:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Toisin sanoen 1 mooli metaanimolekyylejä painaa 16 grammaa.
Mooliosuuden käsite
Puhtaat aineet ovat harvinaisia luonnossa. Esimerkiksi erilaiset epäpuhtaudet (suolat) liukenevat aina veteen; Planeettamme ilma on kaasujen seos. Toisin sanoen mikä tahansa nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa oleva aine on sekoitus erilaisia alkuaineita. Mooliosuus on arvo, joka osoittaa, minkä osan mooliekvivalenttia yksi tai toinen komponentti varaaseokset. Jos koko seoksen aineen määrä merkitään n:llä ja komponentin i aineen määrä ni, voidaan kirjoittaa seuraava yhtälö:
xi=ni / n.
Tässä xi on tämän seoksen komponentin i mooliosuus. Kuten voidaan nähdä, tämä määrä on mittaamaton. Kaikkien seoksen komponenttien mooliosuuksien summa ilmaistaan kaavalla seuraavasti:
∑i(xi)=1.
Tämän kaavan saaminen ei ole vaikeaa. Voit tehdä tämän korvaamalla sen edellisellä lausekkeella xi.
Atomikorko
Kemiassa tehtäviä ratkaistaessa alkuarvot annetaan usein atomiprosentteina. Esimerkiksi hapen ja vedyn seoksessa jälkimmäinen on 60 atomiprosenttia. Tämä tarkoittaa, että seoksen 10 molekyylistä 6 vastaa vetyä. Koska mooliosuus on komponenttiatomien lukumäärän suhde niiden kokonaismäärään, atomiprosentit ovat synonyymejä kyseiselle käsitteelle.
Osuuksien muuntaminen atomiprosentteiksi suoritetaan yksinkertaisesti lisäämällä niitä kahdella suuruusluokalla. Esimerkiksi 0,21 mooliosuus happea ilmassa vastaa 21 atomia.
Ihanteellinen kaasu
Mooliosien käsitettä käytetään usein kaasuseosten ongelmien ratkaisemisessa. Useimmat kaasut normaaleissa olosuhteissa (lämpötila 300 K ja paine 1 atm.) ovat ihanteellisia. Tämä tarkoittaa, että kaasun muodostavat atomit ja molekyylit ovat suurella etäisyydellä toisistaan eivätkä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Ihanteellisille kaasuille pätee seuraava tilayhtälö:
PV=nRT.
Tässä P, V ja T ovat kolme makroskooppista termodynaamista ominaisuutta: paine, tilavuus ja lämpötila. Arvo R=8, 314 J / (Kmol) on vakio kaikille kaasuille, n on hiukkasten lukumäärä mooliina, eli aineen määrä.
Tilayhtälö näyttää, kuinka yksi kolmesta makroskooppisesta kaasun ominaispiirteestä (P, V tai T) muuttuu, jos toinen niistä on kiinteä ja kolmas muutettu. Esimerkiksi vakiolämpötilassa paine on kääntäen verrannollinen kaasun tilavuuteen (Boyle-Mariotten laki).
Kirjallisessa kaavassa huomattavin asia on, että se ei ota huomioon kaasun molekyylien ja atomien kemiallista luonnetta, eli se pätee sekä puhtaille kaasuille että niiden seoksille.
D altonin laki ja osapaine
Miten lasketaan kaasun mooliosuus seoksessa? Tätä varten riittää, että tiedetään tarkasteltavana olevan komponentin hiukkasten kokonaismäärä ja niiden lukumäärä. Voit kuitenkin tehdä toisin.
Kaasun mooliosuus seoksessa voidaan selvittää tuntemalla sen osapaine. Jälkimmäinen ymmärretään paineeksi, jonka kaasuseoksen tietty komponentti synnyttäisi, jos kaikki muut komponentit olisi mahdollista poistaa. Jos määritämme i:nnen komponentin osapaineeksi Pi ja koko seoksen paineeksi P, niin tämän komponentin mooliosuuden kaava saa muotoa:
xi=Pi / P.
Koska summakaikista xi on yhtä suuri kuin yksi, niin voimme kirjoittaa seuraavan lausekkeen:
∑i(Pi / P)=1, joten ∑i (Pi)=P.
Viimeistä tasa-arvoa kutsutaan D altonin laiksi, joka on niin nimetty 1800-luvun alun brittiläisen tiedemiehen John D altonin mukaan.
Osittainen paine eli D altonin laki on suora seuraus ihanteellisten kaasujen tilayhtälöstä. Jos kaasun atomit tai molekyylit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa (tämä tapahtuu korkeissa lämpötiloissa ja korkeassa paineessa), D altonin laki on epäoikeudenmukainen. Jälkimmäisessä tapauksessa komponenttien mooliosuuksien laskemiseksi on käytettävä kaavaa aineen määrän, ei osapaineen, mukaan.
Ilma kaasuseoksena
Otettuaan pohdittua kysymystä siitä, kuinka löytää seoksen komponentin mooliosuus, ratkaisemme seuraavan tehtävän: laske arvot xi ja P i jokaiselle ilmassa olevalle komponentille.
Jos tarkastelemme kuivaa ilmaa, se koostuu seuraavista 4 kaasukomponentista:
- typpi (78,09 %);
- happi (20,95 %);
- argon (0,93 %);
- hiilidioksidikaasu (0,04 %).
Näistä tiedoista kunkin kaasun mooliosuudet on erittäin helppo laskea. Tätä varten riittää, että prosenttiosuudet esitetään suhteellisesti, kuten edellä artikkelissa mainittiin. Sitten saamme:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Osittainen painelaskemme nämä ilman komponentit, koska ilmanpaine merenpinnalla on 101 325 Pa tai 1 atm. Sitten saamme:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Tämä tieto tarkoittaa, että jos poistat kaiken hapen ja muut kaasut ilmakehästä ja jätät vain typen, paine laskee 22 %.
Hapen osapaineen tunteminen on elintärkeää veden alle sukeltaville ihmisille. Joten jos se on alle 0,16 atm, henkilö menettää heti tajuntansa. Päinvastoin, hapen osapaine ylittää merkin 1,6 atm. johtaa myrkytykseen tällä kaasulla, johon liittyy kouristuksia. Näin ollen ihmisen elämälle turvallisen hapen osapaineen tulisi olla 0,16 - 1,6 atm.
