Nồng độ của các phân tử khí lý tưởng. Công thức và bài toán mẫu

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 17:58

Khí có khả năng phản ứng cao so với thể lỏng và thể rắn do diện tích bề mặt hoạt động lớn và động năng cao của các phần tử tạo thành hệ. Trong trường hợp này, hoạt động hóa học của khí, áp suất của nó và một số thông số khác phụ thuộc vào nồng độ của các phân tử. Trong bài viết này, hãy cùng xem xét giá trị này là gì và cách tính giá trị này.

Chúng ta đang nói về khí gì?

Bài viết này sẽ xem xét cái gọi là khí lý tưởng. Họ bỏ qua kích thước của các hạt và sự tương tác giữa chúng. Quá trình duy nhất xảy ra trong khí lý tưởng là va chạm đàn hồi giữa các hạt và thành mạch. Kết quả của những va chạm này là một áp suất tuyệt đối.

Bất kỳ khí thực nào cũng đạt đến lý tưởng về đặc tính của nó nếu áp suất hoặc mật độ của nó giảm và nhiệt độ tuyệt đối của nó tăng lên. Tuy nhiên, có những hóa chất, ngay cả ở mật độ thấp và caonhiệt độ khác xa khí lý tưởng. Một ví dụ nổi bật và nổi tiếng về chất như vậy là hơi nước. Thực tế là các phân tử của nó (H_{2O) rất phân cực (oxy kéo mật độ electron ra khỏi nguyên tử hydro). Sự phân cực dẫn đến tương tác tĩnh điện đáng kể giữa chúng, điều này vi phạm hoàn toàn khái niệm khí lý tưởng.}

Định luật phổ quát của Clapeyron-Mendeleev

Để có thể tính được nồng độ của các phân tử của khí lý tưởng, người ta nên làm quen với định luật mô tả trạng thái của bất kỳ hệ khí lý tưởng nào, bất kể thành phần hóa học của nó. Luật này mang tên người Pháp Emile Clapeyron và nhà khoa học người Nga Dmitri Mendeleev. Phương trình tương ứng là:

PV=nRT.

Đẳng thức nói rằng tích của áp suất P và thể tích V phải luôn tỷ lệ thuận với tích của nhiệt độ tuyệt đối T và lượng chất n đối với một khí lý tưởng. Ở đây R là hệ số tỉ lệ, được gọi là hằng số khí phổ. Nó cho biết lượng công mà 1 mol khí thực hiện là do sự nở ra nếu nó được nung nóng bởi 1 K (R=8, 314 J / (molK)).

Nồng độ của các phân tử và cách tính của nó

Theo định nghĩa, nồng độ của nguyên tử hoặc phân tử được hiểu là số lượng các hạt trong hệ, rơi vào một đơn vị thể tích. Về mặt toán học, bạn có thể viết:

c_{N=N / V.}

Trong đó N là tổng số hạt trong hệ.

Trước khi viết công thức xác định nồng độ phân tử khí, chúng ta hãy nhớ lại định nghĩa lượng chất n và biểu thức liên hệ giá trị của R với hằng số Boltzmann k_B:

n=N / N_A;

k_B=R / N_A.

Sử dụng các giá trị bằng nhau này, chúng tôi biểu thị tỷ lệ N / V từ phương trình phổ quát của trạng thái:

PV=nRT=>

PV=N / N_A RT=Nk_{B T=>}

c_N=N / V=P / (k_{B T).}

Vậy là chúng ta đã có công thức xác định nồng độ của các hạt trong khí. Như bạn thấy, nó tỷ lệ thuận với áp suất trong hệ thống và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối.

Vì số lượng hạt trong hệ lớn nên nồng độ c_Nkhông thuận tiện khi sử dụng khi thực hiện các phép tính thực tế. Thay vào đó, nồng độ mol c_{được sử dụng thường xuyên hơn. Nó được định nghĩa cho một khí lý tưởng như sau:}

c_{=n / V=P / (RT).}

Bài toán ví dụ

Cần tính nồng độ mol phân tử oxy trong không khí ở điều kiện thường.

Để giải quyết vấn đề này, hãy nhớ rằng không khí chứa 21% oxy. Theo định luật D alton, oxy tạo ra áp suất riêng phần là 0,21P₀, trong đó P₀=101325 Pa (một khí quyển). Điều kiện bình thường cũng giả định nhiệt độ là 0^{oC(273,15 K).}

Chúng tôi biết tất cả các thông số cần thiết để tính nồng độ mol của oxy trong không khí. Chúng tôi nhận được:

c(O₂)=P / (RT)=0,21101325 / (8,314273, 15)=9,37 mol / m^3.

Nếu giảm nồng độ này đến thể tích 1 lít, thì chúng ta nhận được giá trị 0,009 mol / L.

Để hiểu có bao nhiêu phân tử O₂chứa trong 1 lít không khí, hãy nhân nồng độ tính được với số N_A. Sau khi hoàn thành thủ tục này, chúng tôi nhận được một giá trị lớn: N (O₂)=5, 6410^{21phân tử.}