Như bạn đã biết, các phân tử và nguyên tử tạo nên các vật thể xung quanh chúng ta là rất nhỏ. Để thực hiện các phép tính trong các phản ứng hóa học, cũng như để phân tích hoạt động của hỗn hợp các thành phần không tương tác trong chất lỏng và chất khí, khái niệm phân số mol được sử dụng. Chúng là gì và cách chúng có thể được sử dụng để thu được các đại lượng vật lý vĩ mô của một hỗn hợp, được thảo luận trong bài viết này.
Avogadro's number
Vào đầu thế kỷ 20, trong khi tiến hành thí nghiệm với hỗn hợp khí, nhà khoa học người Pháp Jean Perrin đã đo được số phân tử H2có trong 1 gam khí này. Con số này hóa ra là một con số khổng lồ (6,0221023). Vì vô cùng bất tiện khi thực hiện các phép tính với những số liệu như vậy, Perrin đã đề xuất một cái tên cho giá trị này - số Avogadro. Tên này được chọn để vinh danh nhà khoa học người Ý vào đầu thế kỷ 19, Amedeo Avogadro, người, giống như Perrin, đã nghiên cứu các hỗn hợp khí và thậm chí có thể tạo rađối với họ, luật hiện đang mang họ của anh ấy.
Số của Avogadro hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu các chất khác nhau. Nó liên kết các đặc điểm vĩ mô và vi mô.
Lượng chất và khối lượng mol
Vào những năm 60, Phòng Cân nặng và Đo lường Quốc tế đã đưa đơn vị đo lường cơ bản thứ bảy vào hệ thống các đơn vị vật lý (SI). Nó đã trở thành một con bướm đêm. Số nốt ruồi cho biết số lượng phần tử tạo nên hệ thống được đề cập. Một nốt ruồi bằng số Avogadro.
Khối lượng mol là khối lượng của một mol chất nhất định. Nó được đo bằng gam trên mỗi mol. Khối lượng mol là một đại lượng cộng, nghĩa là để xác định nó cho một hợp chất hóa học cụ thể thì cần cộng khối lượng mol của các nguyên tố hóa học tạo nên hợp chất này. Ví dụ, khối lượng mol của metan (CH4) là:
MCH4=MC+ 4MH=12 + 41=16 g / mol.
Tức là 1 mol phân tử metan sẽ có khối lượng là 16 gam.
Khái niệm phân số nốt ruồi
Chất tinh khiết rất hiếm trong tự nhiên. Ví dụ, các tạp chất (muối) khác nhau luôn được hòa tan trong nước; Không khí của hành tinh chúng ta là một hỗn hợp của các loại khí. Nói cách khác, bất kỳ chất nào ở trạng thái lỏng và khí đều là hỗn hợp của nhiều nguyên tố khác nhau. Phần mol là một giá trị cho biết phần nào tương đương với phần mol bị chiếm bởi một hoặc một thành phần khác tronghỗn hợp. Nếu lượng chất của toàn bộ hỗn hợp được ký hiệu là n và lượng chất của thành phần i được ký hiệu là nithì có thể viết phương trình sau:
xi=ni/ n.
Ở đây xilà thành phần thứ i của hỗn hợp này. Có thể thấy, đại lượng này là không thứ nguyên. Đối với tất cả các thành phần của hỗn hợp, tổng số mol của chúng được biểu thị bằng công thức như sau:
∑i(xi)=1.
Bắt được công thức này không khó. Để thực hiện việc này, chỉ cần thay thế biểu thức trước đó cho xi.
vào đó
Mối quan tâm nguyên tử
Khi giải các bài toán trong hóa học, thường các giá trị ban đầu được tính theo phần trăm nguyên tử. Ví dụ, trong một hỗn hợp của oxy và hydro, sau cùng là 60% nguyên tử. Điều này có nghĩa là trong số 10 phân tử trong hỗn hợp, 6 phân tử sẽ tương ứng với hydro. Vì phần trăm số mol là tỷ số giữa số nguyên tử thành phần trên tổng số của chúng, nên phần trăm nguyên tử đồng nghĩa với khái niệm được đề cập.
Việc chuyển đổi cổ phiếu thành tỷ lệ phần trăm nguyên tử được thực hiện bằng cách đơn giản là tăng chúng lên hai bậc của độ lớn. Ví dụ, 0,21 phần mol oxy trong không khí tương ứng với 21% nguyên tử.
Khílý
Khái niệm phân số mol thường được sử dụng trong giải các bài toán về hỗn hợp khí. Hầu hết các khí ở điều kiện bình thường (nhiệt độ 300 K và áp suất 1 atm.) Là lý tưởng. Điều này có nghĩa là các nguyên tử và phân tử tạo nên chất khí ở khoảng cách rất xa và không tương tác với nhau.
Đối với khí lý tưởng, phương trình trạng thái sau là hợp lệ:
PV=nRT.
Ở đây P, V và T là ba đặc điểm nhiệt động vĩ mô: áp suất, thể tích và nhiệt độ tương ứng. Giá trị R=8, 314 J / (Kmol) là hằng số đối với mọi chất khí, n là số hạt tính bằng mol, tức là lượng chất.
Phương trình trạng thái cho biết một trong ba đặc tính khí vĩ mô (P, V hoặc T) sẽ thay đổi như thế nào nếu đặc tính thứ hai cố định và đặc tính thứ ba thay đổi. Ví dụ, ở nhiệt độ không đổi, áp suất sẽ tỷ lệ nghịch với thể tích của khí (định luật Boyle-Mariotte).
Điều đáng chú ý nhất của công thức được viết là nó không tính đến bản chất hóa học của các phân tử và nguyên tử của khí, tức là nó có giá trị đối với cả khí nguyên chất và hỗn hợp của chúng.
Định luật D alton và áp suất riêng phần
Làm thế nào để tính phần trăm số mol của một khí trong một hỗn hợp? Để làm được điều này, chỉ cần biết tổng số hạt và số lượng của chúng đối với thành phần đang xét là đủ. Tuy nhiên, bạn có thể làm khác.
Có thể tìm phần mol của một chất khí trong hỗn hợp bằng cách biết áp suất riêng phần của nó. Áp suất sau được hiểu là áp suất mà một thành phần nhất định của hỗn hợp khí sẽ tạo ra nếu có thể loại bỏ tất cả các thành phần khác. Nếu chúng ta chỉ định áp suất riêng phần của thành phần thứ i là Pivà áp suất của toàn bộ hỗn hợp là P, thì công thức về phần mol của thành phần này sẽ có dạng:
xi=Pi/ P.
Vì lượngcủa tất cả xibằng một, thì chúng ta có thể viết biểu thức sau:
∑i(Pi/ P)=1, do đó ∑i(Pi)=P.
Bình đẳng cuối cùng được gọi là định luật D alton, được đặt theo tên của nhà khoa học người Anh đầu thế kỷ 19, John D alton.
Định luật áp suất riêng phần hay định luật D alton là hệ quả trực tiếp của phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Nếu các nguyên tử hoặc phân tử trong chất khí bắt đầu tương tác với nhau (điều này xảy ra ở nhiệt độ cao và áp suất cao), thì định luật D alton là không công bằng. Trong trường hợp thứ hai, để tính thành phần số mol của các thành phần, cần phải sử dụng công thức về lượng chất chứ không phải theo áp suất riêng phần.
Không khí là hỗn hợp khí
Sau khi xem xét câu hỏi làm thế nào để tìm phần trăm số mol của một thành phần trong một hỗn hợp, chúng tôi giải quyết vấn đề sau: tính các giá trị xivà P icho từng thành phần trong không khí.
Nếu chúng ta coi không khí khô, thì nó bao gồm 4 thành phần khí sau:
- nitơ (78,09%);
- oxy (20,95%);
- argon (0,93%);
- khí carbon dioxide (0,04%).
Từ dữ liệu này, các phân số mol của mỗi khí rất dễ tính. Để làm được điều này, chỉ cần trình bày các tỷ lệ phần trăm trong điều kiện tương đối, như đã đề cập ở trên trong bài báo. Sau đó, chúng tôi nhận được:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Áp lực một phầnchúng tôi tính toán các thành phần không khí này, cho rằng áp suất khí quyển ở mực nước biển là 101 325 Pa hoặc 1 atm. Sau đó, chúng tôi nhận được:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Dữ liệu này có nghĩa là nếu bạn loại bỏ tất cả oxy và các khí khác khỏi khí quyển và chỉ để lại nitơ, áp suất sẽ giảm 22%.
Biết được áp suất riêng phần của oxy đóng một vai trò quan trọng đối với những người lặn dưới nước. Vì vậy, nếu nó nhỏ hơn 0,16 atm, thì người đó sẽ bất tỉnh ngay lập tức. Ngược lại, áp suất riêng phần của oxy vượt quá mức 1,6 atm. dẫn đến ngộ độc khí này, kèm theo co giật. Do đó, áp suất riêng phần an toàn của oxy đối với sự sống của con người nên nằm trong khoảng 0,16 - 1,6 atm.
