อย่างที่คุณทราบ โมเลกุลและอะตอมที่ประกอบเป็นวัตถุรอบตัวเรานั้นเล็กมาก ในการดำเนินการคำนวณระหว่างปฏิกิริยาเคมี เช่นเดียวกับการวิเคราะห์พฤติกรรมของส่วนผสมของส่วนประกอบที่ไม่ทำปฏิกิริยาในของเหลวและก๊าซ จะใช้แนวคิดของเศษส่วนโมล มันคืออะไรและวิธีการใช้เพื่อให้ได้ปริมาณทางกายภาพของส่วนผสมที่มีมหภาคจะกล่าวถึงในบทความนี้
เบอร์อาโวกาโดร
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ในขณะที่ทำการทดลองกับก๊าซผสม นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jean Perrin ได้วัดจำนวน H2 โมเลกุลที่บรรจุอยู่ในก๊าซ 1 กรัม ตัวเลขนี้กลายเป็นจำนวนมหาศาล (6,0221023) เนื่องจากไม่สะดวกอย่างยิ่งในการคำนวณด้วยตัวเลขดังกล่าว Perrin จึงเสนอชื่อสำหรับค่านี้ - ตัวเลขของ Avogadro ชื่อนี้ได้รับเลือกเพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีในต้นศตวรรษที่ 19 Amedeo Avogadro ผู้ซึ่งศึกษาส่วนผสมของก๊าซเช่นเดียวกับ Perrin และสามารถกำหนดได้สำหรับพวกเขา กฎหมายที่ใช้นามสกุลของเขาในปัจจุบัน
ปัจจุบันหมายเลขอโวกาโดรใช้ในการศึกษาสารต่างๆ อย่างแพร่หลาย มันเชื่อมโยงลักษณะมหภาคและจุลภาค
ปริมาณสารและมวลโมเลกุล
ในยุค 60s หอการค้าน้ำหนักและมาตรการระหว่างประเทศได้แนะนำหน่วยการวัดพื้นฐานที่เจ็ดเข้าสู่ระบบของหน่วยทางกายภาพ (SI) มันกลายเป็นมอด โมลแสดงจำนวนองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นระบบที่เป็นปัญหา หนึ่งโมลเท่ากับเลขอาโวกาโดร
มวลโมเลกุลคือน้ำหนักของสารหนึ่งโมล มีหน่วยวัดเป็นกรัมต่อโมล มวลโมลาร์คือปริมาณสารเติมแต่ง กล่าวคือ จำเป็นต้องเพิ่มมวลโมลาร์ขององค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบขึ้นเป็นสารประกอบนี้เพื่อกำหนดหาสารประกอบทางเคมีชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น มวลโมลาร์ของมีเทน (CH4) คือ:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 กรัม/โมล
นั่นคือโมเลกุลมีเทน 1 โมลจะมีมวล 16 กรัม
แนวคิดเศษส่วนไฝ
สารบริสุทธิ์หายากในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น สิ่งเจือปนต่างๆ (เกลือ) จะละลายในน้ำเสมอ อากาศในโลกของเราเป็นส่วนผสมของก๊าซ กล่าวอีกนัยหนึ่ง สารใดๆ ในสถานะของเหลวและก๊าซเป็นส่วนผสมของธาตุต่างๆ เศษส่วนโมลเป็นค่าที่แสดงว่าส่วนใดในโมลที่เทียบเท่ากันถูกครอบครองโดยองค์ประกอบอย่างใดอย่างหนึ่งในสารผสม หากปริมาณของสารของส่วนผสมทั้งหมดแสดงเป็น n และปริมาณของส่วนประกอบ i ถูกแทนด้วย ni สมการต่อไปนี้สามารถเขียนได้:
xi=ni / n.
ที่นี่ xi คือเศษส่วนโมลของส่วนประกอบ i สำหรับส่วนผสมนี้ อย่างที่เห็น ปริมาณนี้ไม่มีมิติ สำหรับส่วนประกอบทั้งหมดของของผสม ผลรวมของเศษส่วนของโมลจะแสดงโดยสูตรดังนี้
∑i(xi)=1.
ได้สูตรนี้ไม่ยาก ในการทำเช่นนี้ เพียงแทนที่นิพจน์ก่อนหน้าสำหรับ xi.
ลงในนั้น
ดอกเบี้ยอะตอม
เมื่อแก้ปัญหาในวิชาเคมี ค่าเริ่มต้นมักจะกำหนดเป็นเปอร์เซ็นต์อะตอม ตัวอย่างเช่น ในส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจน มีค่า 60 อะตอม% ซึ่งหมายความว่าจาก 10 โมเลกุลในส่วนผสม 6 จะสอดคล้องกับไฮโดรเจน เนื่องจากเศษส่วนโมลเป็นอัตราส่วนของจำนวนอะตอมของส่วนประกอบต่อจำนวนทั้งหมด เปอร์เซ็นต์ของอะตอมจึงมีความหมายเหมือนกันกับแนวคิดที่เป็นปัญหา
การแปลงสัดส่วนของหุ้นเป็นเปอร์เซ็นต์อะตอมทำได้โดยเพิ่มจำนวนขึ้นเป็น 2 เท่า ตัวอย่างเช่น 0.21 โมลของออกซิเจนในอากาศสอดคล้องกับ 21 อะตอม%
แก๊สในอุดมคติ
แนวคิดเรื่องเศษส่วนโมลมักใช้ในการแก้ปัญหาเกี่ยวกับส่วนผสมของแก๊ส ก๊าซส่วนใหญ่ภายใต้สภาวะปกติ (อุณหภูมิ 300 K และความดัน 1 atm.) เหมาะอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่าอะตอมและโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นก๊าซอยู่ห่างจากกันมากและไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน
สำหรับก๊าซในอุดมคติ สมการสถานะต่อไปนี้ถูกต้อง:
PV=nRT.
ที่นี่ P, V และ T เป็นสามลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ระดับมหภาค: ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิตามลำดับ ค่า R=8, 314 J / (Kmol) เป็นค่าคงที่สำหรับก๊าซทั้งหมด n คือจำนวนอนุภาคในโมลนั่นคือปริมาณของสาร
สมการสถานะแสดงให้เห็นว่าหนึ่งในสามของลักษณะก๊าซมหภาค (P, V หรือ T) จะเปลี่ยนไปอย่างไรหากค่าที่สองได้รับการแก้ไขและการเปลี่ยนแปลงที่สาม ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิคงที่ ความดันจะแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส (กฎของบอยล์-มาริออตต์)
สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดเกี่ยวกับสูตรที่เขียนไว้คือไม่คำนึงถึงลักษณะทางเคมีของโมเลกุลและอะตอมของก๊าซ นั่นคือใช้ได้กับทั้งก๊าซบริสุทธิ์และของผสมของพวกมัน
กฎของดาลตันและความกดดันบางส่วน
จะคำนวณเศษส่วนโมลของแก๊สในส่วนผสมได้อย่างไร? เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ก็เพียงพอที่จะทราบจำนวนอนุภาคทั้งหมดและจำนวนอนุภาคสำหรับส่วนประกอบที่อยู่ระหว่างการพิจารณา อย่างไรก็ตาม คุณสามารถทำอย่างอื่นได้
ส่วนโมลของก๊าซในส่วนผสมสามารถหาได้จากการรู้แรงดันบางส่วนของมัน หลังเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นความดันที่ส่วนประกอบที่กำหนดของส่วนผสมก๊าซจะสร้างขึ้นหากสามารถถอดส่วนประกอบอื่น ๆ ทั้งหมดออกได้ หากเรากำหนดความดันบางส่วนของส่วนประกอบที่ i เป็น Pi และความดันของส่วนผสมทั้งหมดเป็น P สูตรสำหรับเศษส่วนโมลสำหรับส่วนประกอบนี้จะอยู่ในรูป:
xi=Pi / ป.
เพราะปริมาณของ xi ทั้งหมด เท่ากับหนึ่ง จากนั้นเราสามารถเขียนนิพจน์ต่อไปนี้:
∑i(Pi / P)=1 ดังนั้น ∑i (Pi)=P.
ความเท่าเทียมกันสุดท้ายเรียกว่ากฎของดาลตัน ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 จอห์น ดาลตัน
กฎความดันบางส่วนหรือกฎของดาลตันเป็นผลโดยตรงของสมการสถานะสำหรับก๊าซในอุดมคติ หากอะตอมหรือโมเลกุลในแก๊สเริ่มมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน (สิ่งนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงและความดันสูง) กฎของดาลตันก็ไม่ยุติธรรม ในกรณีหลัง ในการคำนวณเศษส่วนโมลของส่วนประกอบ จำเป็นต้องใช้สูตรในแง่ของปริมาณของสาร ไม่ใช่ในแง่ของความดันบางส่วน
อากาศเป็นแก๊สผสม
เมื่อพิจารณาถึงคำถามเกี่ยวกับวิธีการหาเศษส่วนโมลของส่วนประกอบในส่วนผสม เราแก้ปัญหาต่อไปนี้: คำนวณค่า xi และ P i สำหรับแต่ละองค์ประกอบในอากาศ
ถ้าเรานึกถึงอากาศแห้ง มันจะประกอบด้วยองค์ประกอบก๊าซ 4 อย่างต่อไปนี้:
- ไนโตรเจน (78.09%);
- ออกซิเจน (20.95%)
- อาร์กอน (0.93%);
- ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (0.04%).
จากข้อมูลนี้ เศษส่วนโมลสำหรับแก๊สแต่ละชนิดคำนวณได้ง่ายมาก เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ก็เพียงพอที่จะนำเสนอเปอร์เซ็นต์ในแง่สัมพัทธ์ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นในบทความ จากนั้นเราจะได้:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
ความดันบางส่วนเราคำนวณส่วนประกอบอากาศเหล่านี้ เนื่องจากความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลเท่ากับ 101 325 Pa หรือ 1 atm จากนั้นเราจะได้:
PN2=xN2 P=0.7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0.0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0.0004 atm.
ข้อมูลนี้หมายความว่าหากคุณเอาออกซิเจนและก๊าซอื่นๆ ออกจากบรรยากาศทั้งหมด และเหลือเพียงไนโตรเจน ความดันจะลดลง 22%
การรู้จักความดันบางส่วนของออกซิเจนมีบทบาทสำคัญในผู้ที่ดำน้ำใต้น้ำ ดังนั้นหากน้อยกว่า 0.16 atm. บุคคลนั้นก็จะหมดสติทันที ในทางตรงกันข้าม ความดันบางส่วนของออกซิเจนเกินเครื่องหมาย 1.6 atm นำไปสู่พิษด้วยก๊าซนี้ซึ่งมาพร้อมกับอาการชัก ดังนั้นความดันออกซิเจนบางส่วนที่ปลอดภัยสำหรับชีวิตมนุษย์ควรอยู่ภายใน 0.16 - 1.6 atm.