Ինչպես գիտեք, մոլեկուլներն ու ատոմները, որոնք կազմում են մեզ շրջապատող առարկաները, շատ փոքր են: Քիմիական ռեակցիաների ժամանակ հաշվարկներ իրականացնելու, ինչպես նաև հեղուկների և գազերի մեջ չփոխազդող բաղադրիչների խառնուրդի վարքագիծը վերլուծելու համար օգտագործվում է մոլային ֆրակցիաներ հասկացությունը։ Թե ինչ են դրանք և ինչպես կարող են օգտագործվել խառնուրդի մակրոսկոպիկ ֆիզիկական քանակությունները ստանալու համար, քննարկվում է այս հոդվածում:
Ավոգադրոյի համարը
20-րդ դարի սկզբին, գազային խառնուրդներով փորձեր կատարելիս, ֆրանսիացի գիտնական Ժան Պերինը չափել է այս գազի 1 գրամում պարունակվող H2 մոլեկուլների քանակը։ Այս թիվը հսկայական թիվ է (60221023): Քանի որ չափազանց անհարմար է նման թվերով հաշվարկներ կատարելը, Պերինն առաջարկեց անուն այս արժեքի համար՝ Ավոգադրոյի համար: Այս անունը ընտրվել է ի պատիվ 19-րդ դարի սկզբի իտալացի գիտնական Ամեդեո Ավոգադրոյի, ով, ինչպես Պերինը, ուսումնասիրել է գազերի խառնուրդները և նույնիսկ կարողացել է ձևակերպել.նրանց համար օրենքը, որն այժմ կրում է նրա ազգանունը։
Ավոգադրոյի թիվը ներկայումս լայնորեն կիրառվում է տարբեր նյութերի ուսումնասիրության մեջ։ Այն կապում է մակրոսկոպիկ և մանրադիտակային բնութագրերը:
Նյութի և մոլային զանգվածի քանակը
60-ականներին Կշիռների և չափումների միջազգային պալատը ֆիզիկական միավորների համակարգ (SI) ներմուծեց չափման յոթերորդ հիմնական միավորը: Դա դարձավ ցեց: Խլուրդը ցույց է տալիս այն տարրերի թիվը, որոնք կազմում են տվյալ համակարգը: Մեկ մոլը հավասար է Ավոգադրոյի թվին։
Մոլային զանգվածը տվյալ նյութի մեկ մոլի զանգվածն է: Այն չափվում է գրամներով մեկ մոլի վրա: Մոլային զանգվածը հավելումային մեծություն է, այսինքն՝ որոշակի քիմիական միացության համար այն որոշելու համար անհրաժեշտ է ավելացնել այս միացությունը կազմող քիմիական տարրերի մոլային զանգվածները։ Օրինակ, մեթանի մոլային զանգվածը (CH4) է:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 գ/մոլ.
Այսինքն՝ 1 մոլ մեթանի մոլեկուլը կունենա 16 գրամ զանգված։
Խլուրդային կոտորակի հայեցակարգ
Մաքուր նյութերը բնության մեջ հազվադեպ են: Օրինակ՝ տարբեր կեղտեր (աղեր) միշտ լուծվում են ջրի մեջ. Մեր մոլորակի օդը գազերի խառնուրդ է։ Այսինքն՝ հեղուկ և գազային վիճակում գտնվող ցանկացած նյութ իրենից ներկայացնում է տարբեր տարրերի խառնուրդ։ Մոլային բաժինը արժեք է, որը ցույց է տալիս, թե մոլային համարժեքի ինչ մասն է զբաղեցնում այս կամ այն բաղադրիչըխառնուրդներ. Եթե ամբողջ խառնուրդի նյութի քանակը նշանակվում է n, իսկ i բաղադրիչի նյութի քանակը՝ ni, ապա կարելի է գրել հետևյալ հավասարումը.
xi=ni / n.
Այստեղ xi-ն այս խառնուրդի համար i բաղադրիչի մոլային բաժինն է: Ինչպես երևում է, այս քանակությունը չափազուրկ է։ Խառնուրդի բոլոր բաղադրիչների համար դրանց մոլային ֆրակցիաների գումարն արտահայտվում է հետևյալ բանաձևով՝
∑i(xi)=1.
Այս բանաձևը ստանալը դժվար չէ: Դա անելու համար պարզապես փոխարինեք նախորդ արտահայտությունը xi.
-ով դրա մեջ:
Ատոմային տոկոս
Քիմիայի խնդիրներ լուծելիս սկզբնական արժեքները հաճախ տրվում են ատոմային տոկոսով: Օրինակ՝ թթվածնի և ջրածնի խառնուրդում վերջինս կազմում է 60 ատոմ։ Սա նշանակում է, որ խառնուրդի 10 մոլեկուլներից 6-ը կհամապատասխանեն ջրածնին։ Քանի որ մոլային բաժինը բաղադրիչ ատոմների թվի հարաբերակցությունն է դրանց ընդհանուր թվին, ատոմային տոկոսները հոմանիշ են տվյալ հայեցակարգի հետ:
Բաժնետոմսերի փոխարկումը ատոմային տոկոսների իրականացվում է դրանք ուղղակի երկու կարգով մեծացնելու միջոցով։ Օրինակ՝ օդում թթվածնի 0,21 մոլ բաժինը համապատասխանում է 21 ատոմի%։
Իդեալական գազ
Մոլային ֆրակցիաների հասկացությունը հաճախ օգտագործվում է գազային խառնուրդների հետ կապված խնդիրների լուծման ժամանակ: Գազերի մեծ մասը նորմալ պայմաններում (ջերմաստիճանը 300 Կ և ճնշում 1 ատմ.) իդեալական են։ Սա նշանակում է, որ գազը կազմող ատոմներն ու մոլեկուլները գտնվում են միմյանցից մեծ հեռավորության վրա և չեն փոխազդում միմյանց հետ։
Իդեալական գազերի համար վավեր է վիճակի հետևյալ հավասարումը.
PV=nRT.
Այստեղ P, V և T երեք մակրոսկոպիկ թերմոդինամիկական բնութագրիչներ են՝ համապատասխանաբար ճնշում, ծավալ և ջերմաստիճան: R=8, 314 J / (Kմոլ) արժեքը հաստատուն է բոլոր գազերի համար, n-ը մոլերում մասնիկների քանակն է, այսինքն՝ նյութի քանակը։
Վիճակի հավասարումը ցույց է տալիս, թե ինչպես կփոխվի գազի երեք մակրոսկոպիկ բնութագրերից մեկը (P, V կամ T), եթե դրանցից երկրորդը ամրագրվի, իսկ երրորդը փոխվի: Օրինակ, հաստատուն ջերմաստիճանի դեպքում ճնշումը հակադարձ համեմատական կլինի գազի ծավալին (Բոյլ-Մարիոտի օրենք):
Գրված բանաձևի ամենաուշագրավն այն է, որ այն հաշվի չի առնում գազի մոլեկուլների և ատոմների քիմիական բնույթը, այսինքն՝ այն վավեր է և՛ մաքուր գազերի, և՛ դրանց խառնուրդների համար։
Դալթոնի օրենքը և մասնակի ճնշումը
Ինչպե՞ս հաշվարկել գազի մոլային բաժինը խառնուրդում: Դա անելու համար բավական է իմանալ մասնիկների ընդհանուր թիվը և դրանց թիվը դիտարկվող բաղադրիչի համար: Այնուամենայնիվ, դուք կարող եք այլ կերպ վարվել:
Խառնուրդում գազի մոլային բաժինը կարելի է գտնել՝ իմանալով դրա մասնակի ճնշումը: Վերջինս հասկացվում է որպես ճնշում, որը կստեղծեր գազային խառնուրդի տվյալ բաղադրիչը, եթե հնարավոր լիներ հեռացնել մնացած բոլոր բաղադրիչները: Եթե i-րդ բաղադրիչի մասնակի ճնշումը նշանակենք որպես Pi, իսկ ամբողջ խառնուրդի ճնշումը որպես P, ապա այս բաղադրիչի մոլային մասնաբաժնի բանաձևը կստանա ձև.:
xi=Pi / P.
Քանի որ գումարըբոլոր xi-ը հավասար է մեկի, ապա կարող ենք գրել հետևյալ արտահայտությունը՝
∑i(Pi / P)=1, հետևաբար ∑i (Pi)=P.
Վերջին հավասարությունը կոչվում է Դալթոնի օրենք, որն այդպես է կոչվել 19-րդ դարասկզբի բրիտանացի գիտնական Ջոն Դալթոնի պատվին։
Մասնակի ճնշման օրենքը կամ Դալթոնի օրենքը իդեալական գազերի վիճակի հավասարման ուղղակի հետևանքն է: Եթե գազի ատոմները կամ մոլեկուլները սկսում են փոխազդել միմյանց հետ (դա տեղի է ունենում բարձր ջերմաստիճանի և բարձր ճնշման դեպքում), ապա Դալթոնի օրենքը անարդար է: Վերջին դեպքում բաղադրիչների մոլային բաժինները հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է բանաձևը օգտագործել նյութի քանակով, այլ ոչ թե մասնակի ճնշման:
Օդը որպես գազային խառնուրդ
Հաշվի առնելով այն հարցը, թե ինչպես գտնել բաղադրիչի մոլային բաժինը խառնուրդում, մենք լուծում ենք հետևյալ խնդիրը. հաշվում ենք xi և P արժեքները: i օդում գտնվող յուրաքանչյուր բաղադրիչի համար:
Եթե դիտարկենք չոր օդը, ապա այն բաղկացած է հետևյալ 4 գազային բաղադրիչներից.
- ազոտ (78,09%);
- թթվածին (20,95%);
- արգոն (0,93%);
- ածխածնի երկօքսիդ գազ (0,04%).
Այս տվյալներից յուրաքանչյուր գազի մոլային բաժինները շատ հեշտ է հաշվարկել: Դրա համար բավական է տոկոսները ներկայացնել հարաբերական արտահայտությամբ, ինչպես վերը նշված է հոդվածում։ Այնուհետև մենք ստանում ենք՝
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Մասնակի ճնշումմենք հաշվարկում ենք օդի այս բաղադրիչները՝ հաշվի առնելով, որ մթնոլորտային ճնշումը ծովի մակարդակում կազմում է 101 325 Պա կամ 1 ատմ։ Այնուհետև մենք ստանում ենք՝
PN2=xN2 P=0,7809 ատմ.;
PO2=xO2 P=0, 2095 ատմ.;
PAr=xAr P=0,0093 ատմ.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 ատմ.
Այս տվյալները նշանակում են, որ եթե մթնոլորտից հեռացնեք բոլոր թթվածինը և այլ գազերը, և թողնեք միայն ազոտը, ճնշումը կնվազի 22%-ով։
Թթվածնի մասնակի ճնշման իմացությունը կենսական դեր է խաղում ջրի տակ սուզվող մարդկանց համար: Այսպիսով, եթե այն 0,16 ատմ-ից պակաս է, ապա մարդն ակնթարթորեն կորցնում է գիտակցությունը։ Ընդհակառակը, թթվածնի մասնակի ճնշումը գերազանցում է 1,6 ատմ նշագիծը։ հանգեցնում է այս գազով թունավորման, որն ուղեկցվում է ցնցումներով։ Այսպիսով, մարդու կյանքի համար թթվածնի անվտանգ մասնակի ճնշումը պետք է լինի 0,16 - 1,6 ատմ սահմաններում։
