Wie Sie wissen, sind die Moleküle und Atome, aus denen die Objekte um uns herum bestehen, sehr klein. Um Berechnungen während chemischer Reaktionen durchzuführen und das Verh alten einer Mischung nicht wechselwirkender Komponenten in Flüssigkeiten und Gasen zu analysieren, wird das Konzept der Molenbrüche verwendet. Was sie sind und wie sie verwendet werden können, um die makroskopischen physikalischen Größen einer Mischung zu erh alten, wird in diesem Artikel diskutiert.
Avogadros Nummer
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts maß der französische Wissenschaftler Jean Perrin bei Experimenten mit Gasgemischen die Anzahl der H2-Moleküle, die in 1 Gramm dieses Gases enth alten sind. Diese Zahl stellte sich als riesige Zahl heraus (6.0221023). Da es äußerst unbequem ist, mit solchen Zahlen zu rechnen, schlug Perrin einen Namen für diesen Wert vor - die Zahl von Avogadro. Dieser Name wurde zu Ehren des italienischen Wissenschaftlers des frühen 19. Jahrhunderts, Amedeo Avogadro, gewählt, der wie Perrin Gasgemische untersuchte und sogar formulieren konntefür sie das Gesetz, das derzeit seinen Nachnamen trägt.
Die Zahl von Avogadro wird derzeit häufig bei der Untersuchung verschiedener Substanzen verwendet. Es verknüpft makroskopische und mikroskopische Eigenschaften.
Stoffmenge und Molmasse
In den 60er Jahren führte die Internationale Kammer für Maß und Gewicht die siebte Grundeinheit in das System der physikalischen Einheiten (SI) ein. Es wurde eine Motte. Der Maulwurf zeigt die Anzahl der Elemente, aus denen das betreffende System besteht. Ein Mol entspricht der Zahl von Avogadro.
Die Molmasse ist das Gewicht von einem Mol einer bestimmten Substanz. Es wird in Gramm pro Mol gemessen. Die Molmasse ist eine additive Größe, d. h. um sie für eine bestimmte chemische Verbindung zu bestimmen, müssen die Molmassen der chemischen Elemente, aus denen diese Verbindung besteht, addiert werden. Zum Beispiel ist die Molmasse von Methan (CH4):
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Das heißt, 1 Mol Methanmolekül hat eine Masse von 16 Gramm.
Konzept des Molenbruchs
Reine Substanzen sind in der Natur selten. Zum Beispiel sind verschiedene Verunreinigungen (Salze) immer in Wasser gelöst; Die Luft unseres Planeten ist ein Gasgemisch. Mit anderen Worten, jede Substanz im flüssigen und gasförmigen Zustand ist eine Mischung aus verschiedenen Elementen. Der Molenbruch ist ein Wert, der angibt, welcher Teil des Moläquivalents von der einen oder anderen Komponente eingenommen wirdMischungen. Wenn die Stoffmenge der gesamten Mischung mit n bezeichnet wird und die Stoffmenge der Komponente i mit ni bezeichnet wird, dann kann die folgende Gleichung geschrieben werden:
xi=ni / n.
Dabei ist xi der Stoffmengenanteil der Komponente i für diese Mischung. Wie man sieht, ist diese Größe dimensionslos. Für alle Komponenten der Mischung wird die Summe ihrer Molenbrüche durch die folgende Formel ausgedrückt:
∑i(xi)=1.
Diese Formel zu bekommen ist nicht schwierig. Ersetzen Sie dazu einfach xi.
durch den vorherigen Ausdruck
Atomzins
Bei der Lösung chemischer Aufgaben werden die Anfangswerte oft in Atomprozent angegeben. Beispielsweise beträgt letzterer in einer Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff 60 Atom-%. Dies bedeutet, dass von 10 Molekülen in der Mischung 6 Wasserstoff entsprechen. Da der Molenbruch das Verhältnis der Anzahl der Komponentenatome zu ihrer Gesamtzahl ist, sind Atomprozente synonym mit dem betreffenden Konzept.
Die Umrechnung von Anteilen in Atomprozent erfolgt durch einfaches Erhöhen um zwei Größenordnungen. Beispielsweise entsprechen 0,21 Molanteil Sauerstoff in Luft 21 Atom-%.
Ideales Gas
Das Konzept der Molenbrüche wird oft bei der Lösung von Problemen mit Gasgemischen verwendet. Die meisten Gase unter normalen Bedingungen (Temperatur 300 K und Druck 1 atm.) sind ideal. Das bedeutet, dass die Atome und Moleküle, aus denen das Gas besteht, weit voneinander entfernt sind und nicht miteinander interagieren.
Für ideale Gase gilt folgende Zustandsgleichung:
PV=nRT.
Hier sind P, V und T drei makroskopische thermodynamische Eigenschaften: Druck, Volumen bzw. Temperatur. Der Wert R=8, 314 J / (Kmol) ist eine Konstante für alle Gase, n ist die Anzahl der Teilchen in Mol, also die Stoffmenge.
Die Zustandsgleichung zeigt, wie sich eine der drei makroskopischen Gaseigenschaften (P, V oder T) ändert, wenn die zweite festgelegt und die dritte verändert wird. Beispielsweise ist der Druck bei einer konstanten Temperatur umgekehrt proportional zum Gasvolumen (Boyle-Mariotte-Gesetz).
Das Bemerkenswerteste an der geschriebenen Formel ist, dass sie die chemische Natur der Moleküle und Atome des Gases nicht berücksichtigt, das heißt, sie gilt sowohl für reine Gase als auch für ihre Mischungen.
D altonsches Gesetz und Partialdruck
Wie berechnet man den Stoffmengenanteil eines Gases in einem Gemisch? Dazu reicht es aus, die Gesamtzahl der Partikel und deren Anzahl für das betrachtete Bauteil zu kennen. Sie können jedoch auch anders vorgehen.
Der Molenbruch eines Gases in einem Gemisch kann durch Kenntnis seines Partialdrucks ermittelt werden. Unter letzterem versteht man den Druck, den eine bestimmte Komponente des Gasgemisches erzeugen würde, wenn alle anderen Komponenten entfernt werden könnten. Bezeichnen wir den Partialdruck der i-ten Komponente mit Pi und den Druck der gesamten Mischung mit P, dann nimmt die Formel für den Stoffmengenanteil dieser Komponente die Form an:
xi=Pi / P.
Weil der Betragvon allen xi gleich eins ist, dann können wir folgenden Ausdruck schreiben:
∑i(Pi / P)=1, also ∑i (Pi)=P.
Die letzte Gleichheit heißt D altonsches Gesetz, benannt nach dem britischen Wissenschaftler des frühen 19. Jahrhunderts, John D alton.
Das Partialdruckgesetz oder D altonsche Gesetz ist eine direkte Folgerung aus der Zustandsgleichung idealer Gase. Wenn Atome oder Moleküle in einem Gas miteinander zu interagieren beginnen (dies geschieht bei hohen Temperaturen und hohem Druck), dann ist das Gesetz von D alton unfair. Im letzteren Fall ist es zur Berechnung der Stoffmengenanteile der Komponenten notwendig, die Formel in Bezug auf die Stoffmenge und nicht in Bezug auf den Partialdruck zu verwenden.
Luft als Gasgemisch
Nachdem wir uns mit der Frage befasst haben, wie man den Stoffmengenanteil einer Komponente in einem Gemisch findet, lösen wir folgende Aufgabe: Berechnen Sie die Werte xi und P i für jede Komponente in Luft.
Wenn wir trockene Luft betrachten, dann besteht sie aus folgenden 4 Gaskomponenten:
- Stickstoff (78,09%);
- Sauerstoff (20,95%);
- Argon (0,93%);
- Kohlendioxidgas (0,04%)
Aus diesen Daten lassen sich die Stoffmengenanteile für jedes Gas sehr einfach berechnen. Dazu reicht es aus, die Prozentsätze relativ darzustellen, wie oben im Artikel erwähnt. Dann erh alten wir:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
PartialdruckWir berechnen diese Luftkomponenten unter der Annahme, dass der atmosphärische Druck auf Meereshöhe 101 325 Pa oder 1 atm beträgt. Dann erh alten wir:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Diese Daten bedeuten, dass der Druck um 22 % sinkt, wenn Sie den gesamten Sauerstoff und andere Gase aus der Atmosphäre entfernen und nur Stickstoff zurücklassen.
Die Kenntnis des Sauerstoffpartialdrucks spielt für Menschen, die unter Wasser tauchen, eine entscheidende Rolle. Wenn es also weniger als 0,16 atm beträgt, verliert die Person sofort das Bewusstsein. Im Gegenteil, der Partialdruck von Sauerstoff überschreitet die Marke von 1,6 atm. führt zu einer Vergiftung mit diesem Gas, die von Krämpfen begleitet wird. Daher sollte ein sicherer Sauerstoffpartialdruck für menschliches Leben innerhalb von 0,16 - 1,6 atm liegen.
