Come sai, le molecole e gli atomi che compongono gli oggetti che ci circondano sono molto piccoli. Per eseguire calcoli durante reazioni chimiche, nonché per analizzare il comportamento di una miscela di componenti non interagenti in liquidi e gas, viene utilizzato il concetto di frazioni molari. Cosa sono e come possono essere usati per ottenere le quantità fisiche macroscopiche di una miscela è discusso in questo articolo.
Numero di Avogadro
All'inizio del 20° secolo, mentre conduceva esperimenti con miscele di gas, lo scienziato francese Jean Perrin misurò il numero di molecole H2 contenute in 1 grammo di questo gas. Questo numero si è rivelato essere un numero enorme (6.0221023). Poiché è estremamente scomodo eseguire calcoli con tali cifre, Perrin ha proposto un nome per questo valore: il numero di Avogadro. Questo nome fu scelto in onore dello scienziato italiano del primo Ottocento, Amedeo Avogadro, che, come Perrin, studiò miscele di gas e seppe addirittura formulareper loro, la legge che attualmente porta il suo cognome.
Il numero di Avogadro è attualmente ampiamente utilizzato nello studio di varie sostanze. Collega caratteristiche macroscopiche e microscopiche.
Quantità di sostanza e massa molare
Negli anni '60, la Camera Internazionale dei Pesi e delle Misure ha introdotto la settima unità di misura di base nel sistema delle unità fisiche (SI). È diventata una falena. La talpa mostra il numero di elementi che compongono il sistema in questione. Una talpa è uguale al numero di Avogadro.
La massa molare è il peso di una mole di una data sostanza. Si misura in grammi per mole. La massa molare è una quantità additiva, cioè per determinarla per un particolare composto chimico, è necessario sommare le masse molari degli elementi chimici che compongono questo composto. Ad esempio, la massa molare del metano (CH4) è:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Ovvero, 1 mole di molecole di metano avrà una massa di 16 grammi.
Concetto di frazione molare
Le sostanze pure sono rare in natura. Ad esempio, varie impurità (sali) vengono sempre disciolte in acqua; L'aria del nostro pianeta è una miscela di gas. In altre parole, qualsiasi sostanza allo stato liquido e gassoso è una miscela di vari elementi. La frazione molare è un valore che mostra in quale parte in equivalente molare è occupata l'uno o l' altro componentemiscele. Se la quantità della sostanza dell'intera miscela è indicata come n e la quantità della sostanza del componente i è indicata come ni, allora si può scrivere la seguente equazione:
xi=ni / n.
Qui xi è la frazione molare del componente i per questa miscela. Come si può vedere, questa quantità è adimensionale. Per tutti i componenti della miscela, la somma delle loro frazioni molari è espressa dalla formula come segue:
∑i(xi)=1.
Ottenere questa formula non è difficile. Per fare ciò, sostituisci semplicemente l'espressione precedente per xi.
in essa
Interesse atomico
Quando si risolvono problemi di chimica, spesso i valori iniziali sono dati in percentuale atomica. Ad esempio, in una miscela di ossigeno e idrogeno, quest'ultimo è al 60% atomico. Ciò significa che su 10 molecole nella miscela, 6 corrisponderanno all'idrogeno. Poiché la frazione molare è il rapporto tra il numero degli atomi componenti e il loro numero totale, le percentuali atomiche sono sinonimo del concetto in questione.
La conversione delle quote in percentuali atomiche avviene semplicemente aumentandole di due ordini di grandezza. Ad esempio, 0,21 frazione molare di ossigeno nell'aria corrisponde a 21 atomico%.
Gas ideale
Il concetto di frazioni molari viene spesso utilizzato per risolvere problemi con miscele di gas. La maggior parte dei gas in condizioni normali (temperatura 300 K e pressione 1 atm.) sono ideali. Ciò significa che gli atomi e le molecole che compongono il gas sono a grande distanza l'uno dall' altro e non interagiscono tra loro.
Per i gas ideali vale la seguente equazione di stato:
PV=nRT.
Qui P, V e T sono tre caratteristiche termodinamiche macroscopiche: rispettivamente pressione, volume e temperatura. Il valore R=8, 314 J / (Kmol) è una costante per tutti i gas, n è il numero di particelle in moli, cioè la quantità di sostanza.
L'equazione di stato mostra come una delle tre caratteristiche macroscopiche del gas (P, V o T) cambierà se la seconda è fissa e la terza viene modificata. Ad esempio, a temperatura costante, la pressione sarà inversamente proporzionale al volume del gas (legge di Boyle-Mariotte).
La cosa più notevole della formula scritta è che non tiene conto della natura chimica delle molecole e degli atomi del gas, cioè è valida sia per i gas puri che per le loro miscele.
Legge di D alton e pressione parziale
Come calcolare la frazione molare di un gas in una miscela? Per fare ciò è sufficiente conoscere il numero totale di particelle e il loro numero per il componente in esame. Tuttavia, puoi fare diversamente.
La frazione molare di un gas in una miscela può essere trovata conoscendo la sua pressione parziale. Quest'ultima è intesa come la pressione che creerebbe un dato componente della miscela di gas se fosse possibile rimuovere tutti gli altri componenti. Se designiamo la pressione parziale dell'i-esimo componente come Pi, e la pressione dell'intera miscela come P, allora la formula per la frazione molare di questo componente assumerà la forma:
xi=Pi / P.
Perché l'importodi tutti xi è uguale a uno, allora possiamo scrivere la seguente espressione:
∑i(Pi / P)=1, quindi ∑i (Pi)=P.
L'ultima uguaglianza si chiama legge di D alton, che prende il nome dallo scienziato britannico dell'inizio del XIX secolo, John D alton.
La legge della pressione parziale o legge di D alton è una diretta conseguenza dell'equazione di stato per i gas ideali. Se atomi o molecole in un gas iniziano a interagire tra loro (questo accade ad alte temperature e ad alta pressione), la legge di D alton è ingiusta. In quest'ultimo caso, per calcolare le frazioni molari dei componenti, è necessario utilizzare la formula in termini di quantità di sostanza e non in termini di pressione parziale.
Aria come miscela di gas
Dopo aver considerato la domanda su come trovare la frazione molare di un componente in una miscela, risolviamo il seguente problema: calcola i valori xi e P i per ogni componente in aria.
Se consideriamo l'aria secca, allora è composta dai seguenti 4 componenti del gas:
- azoto (78,09%);
- ossigeno (20,95%);
- argon (0,93%);
- gas di anidride carbonica (0,04%).
Da questi dati, le frazioni molari per ciascun gas sono molto facili da calcolare. Per fare ciò è sufficiente presentare le percentuali in termini relativi, come detto sopra nell'articolo. Quindi otteniamo:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Pressione parzialecalcoliamo queste componenti dell'aria, dato che la pressione atmosferica al livello del mare è 101 325 Pa o 1 atm. Quindi otteniamo:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Questi dati significano che se si rimuove tutto l'ossigeno e gli altri gas dall'atmosfera e si lascia solo azoto, la pressione diminuirà del 22%.
Conoscere la pressione parziale dell'ossigeno gioca un ruolo fondamentale per le persone che si immergono sott'acqua. Quindi, se è inferiore a 0,16 atm., la persona perde istantaneamente conoscenza. Al contrario, la pressione parziale dell'ossigeno supera la soglia di 1,6 atm. porta all'avvelenamento con questo gas, che è accompagnato da convulsioni. Pertanto, una pressione parziale sicura dell'ossigeno per la vita umana dovrebbe essere compresa tra 0,16 e 1,6 atm.
