گازدر مقایسه با اجسام مایع و جامد به دلیل مساحت زیاد سطح فعال آن و انرژی جنبشی بالای ذرات تشکیل دهنده سیستم، واکنش پذیری بالایی دارد. در این حالت، فعالیت شیمیایی گاز، فشار آن و برخی پارامترهای دیگر به غلظت مولکول ها بستگی دارد. بیایید در این مقاله در نظر بگیریم که این مقدار چیست و چگونه می توان آن را محاسبه کرد.
در مورد چه گازی صحبت می کنیم؟
این مقاله گازهای به اصطلاح ایده آل را بررسی می کند. آنها از اندازه ذرات و تعامل بین آنها غفلت می کنند. تنها فرآیندی که در گازهای ایده آل رخ می دهد برخوردهای الاستیک بین ذرات و دیواره رگ است. نتیجه این برخوردها یک فشار مطلق است.
هر گاز واقعی اگر فشار یا چگالی آن کاهش یابد و دمای مطلق آن افزایش یابد، از نظر خواص به ایده آل نزدیک می شود. با این وجود، مواد شیمیایی وجود دارد که، حتی در چگالی کم و بالادما از گاز ایده آل فاصله زیادی دارد. نمونه بارز و شناخته شده چنین ماده ای بخار آب است. واقعیت این است که مولکول های آن (H2O) بسیار قطبی هستند (اکسیژن چگالی الکترون را از اتم های هیدروژن می کشد). قطبیت منجر به تعامل الکترواستاتیکی قابل توجهی بین آنها می شود که نقض فاحش مفهوم گاز ایده آل است.
قانون جهانی کلاپیرون- مندلیف
برای اینکه بتوان غلظت مولکول های یک گاز ایده آل را محاسبه کرد، باید با قانونی آشنا شد که وضعیت هر سیستم گاز ایده آل را بدون توجه به ترکیب شیمیایی آن توصیف می کند. این قانون نام امیل کلاپیرون فرانسوی و دیمیتری مندلیف دانشمند روسی را دارد. معادله مربوطه این است:
PV=nRT.
برابری می گوید که حاصل ضرب فشار P و حجم V باید همیشه با حاصلضرب دمای مطلق T و مقدار ماده n برای یک گاز ایده آل نسبت مستقیم داشته باشد. در اینجا R ضریب تناسب است که به آن ثابت گاز جهانی می گویند. مقدار کاری را که 1 مول گاز در نتیجه انبساط انجام می دهد را نشان می دهد اگر 1 K گرم شود (R=8, 314 J/(molK)).
غلظت مولکولها و محاسبه آن
طبق تعریف، غلظت اتم ها یا مولکول ها به عنوان تعداد ذرات موجود در سیستم درک می شود که در واحد حجم کاهش می یابد. از نظر ریاضی، می توانید بنویسید:
cN=N/V.
جایی که N تعداد کل ذرات در سیستم است.
قبل از نوشتن فرمول تعیین غلظت مولکول های گاز، بیایید تعریف مقدار ماده n و عبارتی را که مقدار R را به ثابت بولتزمن مرتبط می کند، به یاد بیاوریم.:
n=N/NA;
kB=R/NA.
با استفاده از این برابری ها، نسبت N/V را از معادله جهانی حالت بیان می کنیم:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
بنابراین فرمول تعیین غلظت ذرات در یک گاز را به دست آوردیم. همانطور که می بینید، با فشار در سیستم نسبت مستقیم و با دمای مطلق نسبت معکوس دارد.
از آنجایی که تعداد ذرات در سیستم زیاد است، غلظت cN برای استفاده هنگام انجام محاسبات عملی ناخوشایند است. در عوض، غلظت مولی c بیشتر استفاده می شود. برای یک گاز ایده آل به صورت زیر تعریف می شود:
c=n/V=P/(R T).
مشکل مثال
لازم است غلظت مولی مولکول های اکسیژن در هوا در شرایط عادی محاسبه شود.
برای حل این مشکل، به یاد داشته باشید که هوا حاوی ۲۱٪ اکسیژن است. مطابق با قانون دالتون، اکسیژن فشار جزئی 0.21P0 ایجاد می کند که در آن P0=101325 Pa (یک اتمسفر). شرایط عادی نیز دمای 0 oC را فرض می کنند(273.15 K).
ما تمام پارامترهای لازم برای محاسبه غلظت مولی اکسیژن در هوا را می دانیم. دریافت می کنیم:
c(O2)=P/(R T)=0.21101325/(8.314273، 15)=9.37 mol/m3.
اگر این غلظت به حجم 1 لیتر کاهش یابد، مقدار 0.009 mol/L به دست می آید.
برای درک اینکه چند مولکول O2 در 1 لیتر هوا وجود دارد، غلظت محاسبه شده را در عدد NA ضرب کنید. پس از تکمیل این روش، یک مقدار بزرگ دریافت می کنیم: N(O2)=5, 641021مولکول.
