همانطور که می دانید، مولکول ها و اتم هایی که اجسام اطراف ما را تشکیل می دهند بسیار کوچک هستند. برای انجام محاسبات در طول واکنش های شیمیایی، و همچنین برای تجزیه و تحلیل رفتار مخلوطی از اجزای غیر متقابل در مایعات و گازها، از مفهوم کسرهای مولی استفاده می شود. اینکه آنها چیستند و چگونه می توان از آنها برای بدست آوردن مقادیر فیزیکی ماکروسکوپیک یک مخلوط استفاده کرد، در این مقاله بحث شده است.
شماره آووگادرو
در آغاز قرن بیستم، دانشمند فرانسوی ژان پرین، هنگام انجام آزمایش‌هایی با مخلوط‌های گازی، تعداد مولکول‌های H2 موجود در ۱ گرم از این گاز را اندازه‌گیری کرد. این عدد یک عدد بزرگ بود (60221023). از آنجایی که انجام محاسبات با چنین ارقامی بسیار ناخوشایند است، پرین نامی را برای این مقدار پیشنهاد کرد - شماره آووگادرو. این نام به افتخار دانشمند ایتالیایی اوایل قرن نوزدهم، آمدئو آووگادرو، که مانند پرین، مخلوط گازها را مطالعه کرد و حتی قادر به فرمولاسیون بود، انتخاب شد.برای آنها، قانونی که در حال حاضر نام خانوادگی او را دارد.
عدد آووگادرو در حال حاضر به طور گسترده در مطالعه مواد مختلف استفاده می شود. این ویژگی های ماکروسکوپی و میکروسکوپی را به هم مرتبط می کند.
مقدار ماده و جرم مولی
در دهه 60، اتاق بین المللی اوزان و اندازه گیری ها هفتمین واحد اساسی اندازه گیری را به سیستم واحدهای فیزیکی (SI) معرفی کرد. پروانه شد. مول تعداد عناصر تشکیل دهنده سیستم مورد نظر را نشان می دهد. یک مول برابر با عدد آووگادرو است.
جرم مولی وزن یک مول از یک ماده معین است. بر حسب گرم بر مول اندازه گیری می شود. جرم مولی یک کمیت افزودنی است، یعنی برای تعیین آن برای یک ترکیب شیمیایی خاص، باید جرم مولی عناصر شیمیایی تشکیل دهنده این ترکیب را اضافه کرد. برای مثال، جرم مولی متان (CH4) برابر است با:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 گرم در مول.
یعنی 1 مول مولکول متان جرمی برابر با 16 گرم خواهد داشت.
مفهوم کسر مول
مواد خالص در طبیعت کمیاب هستند. به عنوان مثال، ناخالصی های مختلف (نمک) همیشه در آب حل می شود; هوای سیاره ما مخلوطی از گازها است. به عبارت دیگر هر ماده ای در حالت مایع و گاز مخلوطی از عناصر مختلف است. کسر مول مقداری است که نشان می دهد چه بخشی از معادل مولی توسط یک یا آن جزء در آن اشغال شده است.مخلوط ها اگر مقدار ماده کل مخلوط با n و مقدار ماده جزء i با ni نشان داده شود، می توان معادله زیر را نوشت:
xi=ni / n.
در اینجا xi کسر مولی جزء i برای این مخلوط است. همانطور که مشاهده می شود، این کمیت بدون بعد است. برای تمام اجزای مخلوط، مجموع کسرهای مولی آنها با فرمول زیر بیان می شود:
∑i(xi)=1.
دریافت این فرمول دشوار نیست. برای انجام این کار، فقط عبارت قبلی را با xi.
در آن جایگزین کنید.
سود اتمی
هنگام حل مسائل در شیمی، اغلب مقادیر اولیه بر حسب درصد اتمی داده می شود. به عنوان مثال، در مخلوطی از اکسیژن و هیدروژن، دومی 60 اتمی است. این بدان معناست که از 10 مولکول موجود در مخلوط، 6 مولکول مربوط به هیدروژن است. از آنجایی که کسر مول نسبت تعداد اتم های جزء به تعداد کل آنها است، درصد اتمی مترادف با مفهوم مورد بحث است.
تبدیل سهام به درصد اتمی صرفاً با افزایش دو مرتبه بزرگی آنها انجام می شود. به عنوان مثال، 0.21 کسر مول از اکسیژن در هوا مربوط به 21% اتمی است.
گاز ایده آل
مفهوم کسرهای مول اغلب در حل مسائل با مخلوط گاز استفاده می شود. اکثر گازها در شرایط عادی (دما 300 کلوین و فشار 1 اتمسفر) ایده آل هستند. این بدان معنی است که اتم ها و مولکول های سازنده گاز در فاصله زیادی از یکدیگر قرار دارند و با یکدیگر برهمکنش ندارند.
برای گازهای ایده آل، معادله حالت زیر معتبر است:
PV=nRT.
در اینجا P، V و T سه ویژگی ترمودینامیکی ماکروسکوپی هستند: فشار، حجم و دما. مقدار R=8، 314 J / (Kmol) برای همه گازها ثابت است، n تعداد ذرات در مول است، یعنی مقدار ماده.
معادله حالت نشان می دهد که اگر دومی ثابت و سومی تغییر کند، چگونه یکی از سه مشخصه گاز ماکروسکوپی (P، V یا T) تغییر می کند. برای مثال، در دمای ثابت، فشار با حجم گاز نسبت معکوس خواهد داشت (قانون بویل-ماریو).
قابل توجه ترین نکته در مورد فرمول نوشته شده این است که ماهیت شیمیایی مولکول ها و اتم های گاز را در نظر نمی گیرد، یعنی هم برای گازهای خالص و هم برای مخلوط آنها معتبر است.
قانون دالتون و فشار جزئی
چگونه کسر مولی گاز را در مخلوط محاسبه کنیم؟ برای انجام این کار، دانستن تعداد کل ذرات و تعداد آنها برای جزء مورد نظر کافی است. با این حال، شما می توانید در غیر این صورت انجام دهید.
کسری مول یک گاز در یک مخلوط را می توان با دانستن فشار جزئی آن پیدا کرد. دومی به عنوان فشاری در نظر گرفته می شود که یک جزء معین از مخلوط گاز در صورت امکان حذف همه اجزای دیگر ایجاد می کند. اگر فشار جزئی جزء iام را Pi و فشار کل مخلوط را P تعیین کنیم، فرمول کسر مولی برای این جزء شکل خواهد گرفت.:
xi=Pi / P.
چون مقداراز تمام xi برابر با یک است، سپس می توانیم عبارت زیر را بنویسیم:
∑i(Pi / P)=۱، بنابراین ∑i (Pi)=P.
آخرین برابری قانون دالتون نام دارد که به نام دانشمند بریتانیایی اوایل قرن نوزدهم، جان دالتون، نامگذاری شده است.
قانون فشار جزئی یا قانون دالتون نتیجه مستقیم معادله حالت گازهای ایده آل است. اگر اتم‌ها یا مولکول‌های گاز شروع به تعامل با یکدیگر کنند (این در دماهای بالا و فشار بالا اتفاق می‌افتد)، پس قانون دالتون ناعادلانه است. در مورد اخیر، برای محاسبه کسرهای مول اجزاء، باید از فرمول از نظر مقدار ماده استفاده کرد نه از نظر فشار جزئی.
هوا به عنوان مخلوط گاز
با در نظر گرفتن این سوال که چگونه کسر مولی یک جزء را در یک مخلوط پیدا کنیم، مشکل زیر را حل می کنیم: مقادیر xi و P را محاسبه می کنیم. i برای هر جزء در هوا.
اگر هوای خشک را در نظر بگیریم، آنگاه از 4 جزء گازی زیر تشکیل شده است:
- نیتروژن (78.09%)؛
- اکسیژن (20.95%)؛
- آرگون (0.93%);
- گاز دی اکسید کربن (0.04%).
از این داده ها، کسرهای مول برای هر گاز بسیار آسان است. برای این کار کافی است که درصدها را به صورت نسبی همانطور که در مقاله ذکر شد ارائه کنید. سپس دریافت می کنیم:
xN2=0, 7809;
xO2=0، 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
فشار جزئیما این اجزای هوا را محاسبه می کنیم، با توجه به اینکه فشار اتمسفر در سطح دریا 101 325 Pa یا 1 atm است. سپس دریافت می کنیم:
PN2=xN2 P=0.7809 atm.;
PO2=xO2 P=0، 2095 atm.;
PAr=xAr P=0.0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0.0004 atm.
این داده به این معنی است که اگر تمام اکسیژن و سایر گازها را از جو حذف کنید و فقط نیتروژن را باقی بگذارید، فشار 22٪ کاهش می یابد.
دانستن فشار جزئی اکسیژن برای افرادی که در زیر آب غواصی می کنند نقشی حیاتی دارد. بنابراین، اگر کمتر از 0.16 اتمسفر باشد، فرد فوراً هوشیاری خود را از دست می دهد. برعکس، فشار جزئی اکسیژن از علامت 1.6 اتمسفر فراتر می رود. منجر به مسمومیت با این گاز می شود که با تشنج همراه است. بنابراین، فشار جزئی ایمن اکسیژن برای زندگی انسان باید بین 0.16 - 1.6 atm باشد.
