ก๊าซมีปฏิกิริยาสูงเมื่อเทียบกับวัตถุที่เป็นของเหลวและของแข็ง เนื่องจากพื้นผิวที่แอคทีฟมีขนาดใหญ่และมีพลังงานจลน์สูงของอนุภาคที่สร้างระบบ ในกรณีนี้ กิจกรรมทางเคมีของแก๊ส ความดัน และพารามิเตอร์อื่นๆ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโมเลกุล ลองพิจารณาในบทความนี้ว่าค่านี้คืออะไรและจะคำนวณได้อย่างไร
เรากำลังพูดถึงก๊าซอะไร
บทความนี้จะพิจารณาถึงสิ่งที่เรียกว่าก๊าซในอุดมคติ พวกเขาละเลยขนาดของอนุภาคและปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเขา กระบวนการเดียวที่เกิดขึ้นในก๊าซในอุดมคติคือการชนกันของอนุภาคและผนังหลอดเลือดอย่างยืดหยุ่น ผลของการชนเหล่านี้คือแรงกดดันอย่างแท้จริง
ก๊าซจริงใดๆ จะเข้าใกล้อุดมคติในคุณสมบัติของมัน หากความดันหรือความหนาแน่นลดลงและอุณหภูมิสัมบูรณ์เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม มีสารเคมีที่แม้ที่ความหนาแน่นต่ำและสูงอุณหภูมิอยู่ไกลจากก๊าซในอุดมคติ ตัวอย่างที่โดดเด่นและเป็นที่รู้จักกันดีของสารดังกล่าวคือไอน้ำ ความจริงก็คือโมเลกุลของมัน (H2O) มีขั้วสูง (ออกซิเจนดึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน) ขั้วทำให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตอย่างมีนัยสำคัญระหว่างพวกเขา ซึ่งเป็นการละเมิดแนวคิดของก๊าซในอุดมคติอย่างร้ายแรง
กฎหมายสากลของ Clapeyron-Mendeleev
เพื่อให้สามารถคำนวณความเข้มข้นของโมเลกุลของก๊าซในอุดมคติได้ ควรทำความคุ้นเคยกับกฎหมายที่อธิบายสถานะของระบบก๊าซในอุดมคติโดยไม่คำนึงถึงองค์ประกอบทางเคมีของระบบ กฎหมายนี้มีชื่อของชาวฝรั่งเศส Emile Clapeyron และนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Dmitri Mendeleev สมการที่สอดคล้องกันคือ:
PV=nRT.
ความเท่าเทียมกันกล่าวว่าผลคูณของความดัน P และปริมาตร V จะต้องเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของอุณหภูมิสัมบูรณ์ T และปริมาณของสาร n สำหรับก๊าซในอุดมคติเสมอ ที่นี่ R คือสัมประสิทธิ์สัดส่วนซึ่งเรียกว่าค่าคงที่แก๊สสากล มันแสดงปริมาณงานที่ก๊าซ 1 โมลทำงานเป็นผลมาจากการขยายตัวหากได้รับความร้อน 1 K (R=8, 314 J/(molK))
ความเข้มข้นของโมเลกุลและการคำนวณ
ตามคำจำกัดความ ความเข้มข้นของอะตอมหรือโมเลกุลเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นจำนวนของอนุภาคในระบบ ซึ่งตกลงต่อปริมาตรหน่วย ในทางคณิตศาสตร์ คุณสามารถเขียน:
cN=N/V.
โดยที่ N คือจำนวนอนุภาคทั้งหมดในระบบ
ก่อนจะจดสูตรสำหรับกำหนดความเข้มข้นของโมเลกุลก๊าซ เรามาระลึกถึงคำจำกัดความของปริมาณของสาร n และนิพจน์ที่เกี่ยวข้องกับค่าของ R กับค่าคงที่โบลต์ซมันน์ kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
ใช้ความเท่าเทียมกันเหล่านี้ เราแสดงอัตราส่วน N/V จากสมการสากลของสถานะ:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
เราได้สูตรหาความเข้มข้นของอนุภาคในก๊าซแล้ว อย่างที่คุณเห็น มันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันในระบบและเป็นสัดส่วนผกผันกับอุณหภูมิสัมบูรณ์
เนื่องจากจำนวนอนุภาคในระบบมีมาก ความเข้มข้น cNจึงไม่สะดวกในการใช้ในการคำนวณเชิงปฏิบัติ แทนที่จะใช้ความเข้มข้นของฟันกราม c บ่อยขึ้น ถูกกำหนดไว้สำหรับก๊าซในอุดมคติดังนี้:
c=n/V=P/(R T).
ปัญหาตัวอย่าง
จำเป็นต้องคำนวณความเข้มข้นของโมลาร์ของโมเลกุลออกซิเจนในอากาศภายใต้สภาวะปกติ
เพื่อแก้ปัญหานี้ จำไว้ว่าอากาศมีออกซิเจน 21% ตามกฎของดาลตัน ออกซิเจนจะสร้างแรงกดดันบางส่วนที่ 0.21P0 โดยที่ P0=101325 Pa (หนึ่งบรรยากาศ) สภาวะปกติยังถือว่าอุณหภูมิอยู่ที่ 0 oC(273.15 K).
เราทราบพารามิเตอร์ที่จำเป็นทั้งหมดในการคำนวณความเข้มข้นของโมลของออกซิเจนในอากาศ เราได้:
c(O2)=P/(R T)=0.21101325/(8.314273, 15)=9.37 mol/m3.
ถ้าความเข้มข้นนี้ลดลงเหลือปริมาตร 1 ลิตร เราก็จะได้ค่า 0.009 โมล/ลิตร
เพื่อให้เข้าใจว่ามี O2 จำนวนเท่าใดในอากาศ 1 ลิตร ให้คูณความเข้มข้นที่คำนวณด้วยจำนวน NA หลังจากทำตามขั้นตอนนี้แล้ว เราได้รับมูลค่ามหาศาล: N(O2)=5, 641021molecules.
