El gas té una alta reactivitat en comparació amb els cossos líquids i sòlids a causa de la gran àrea de la seva superfície activa i l'elevada energia cinètica de les partícules que formen el sistema. En aquest cas, l'activitat química del gas, la seva pressió i alguns altres paràmetres depenen de la concentració de molècules. Considerem en aquest article quin és aquest valor i com es pot calcular.
De quin gas estem parlant?
Aquest article considerarà els anomenats gasos ideals. Descuiden la mida de les partícules i la interacció entre elles. L'únic procés que es produeix en els gasos ideals són les col·lisions elàstiques entre les partícules i les parets dels vasos. El resultat d'aquestes col·lisions és una pressió absoluta.
Qualsevol gas real s'acosta a l'ideal en les seves propietats si es redueix la seva pressió o densitat i augmenta la seva temperatura absoluta. No obstant això, hi ha productes químics que, fins i tot a baixes i altes densitatsles temperatures estan lluny del gas ideal. Un exemple sorprenent i conegut d'aquesta substància és el vapor d'aigua. El fet és que les seves molècules (H2O) són molt polars (l'oxigen allunya la densitat d'electrons dels àtoms d'hidrogen). La polaritat condueix a una interacció electrostàtica important entre ells, que és una violació greu del concepte de gas ideal.
Llei universal de Clapeyron-Mendeleev
Per poder calcular la concentració de molècules d'un gas ideal, s'ha de familiaritzar-se amb la llei que descriu l'estat de qualsevol sistema de gas ideal, independentment de la seva composició química. Aquesta llei porta els noms del francès Emile Clapeyron i del científic rus Dmitri Mendeleiev. L'equació corresponent és:
PV=nRT.
La igu altat diu que el producte de la pressió P i el volum V sempre ha de ser directament proporcional al producte de la temperatura absoluta T i la quantitat de substància n per a un gas ideal. Aquí R és el coeficient de proporcionalitat, que s'anomena constant de gas universal. Mostra la quantitat de treball que fa 1 mol de gas com a resultat de l'expansió si s'escalfa amb 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentració de molècules i el seu càlcul
Segons la definició, la concentració d'àtoms o molècules s'entén com el nombre de partícules del sistema, que cau per unitat de volum. Matemàticament, pots escriure:
cN=N/V.
On N és el nombre total de partícules del sistema.
Abans d'escriure la fórmula per determinar la concentració de molècules de gas, recordem la definició de la quantitat de substància n i l'expressió que relaciona el valor de R amb la constant de Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Usant aquestes igu altats, expressem la relació N/V a partir de l'equació d'estat universal:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Així tenim la fórmula per determinar la concentració de partícules en un gas. Com podeu veure, és directament proporcional a la pressió del sistema i inversament proporcional a la temperatura absoluta.
Com que el nombre de partícules del sistema és gran, la concentració cN és incòmode d'utilitzar quan es realitzen càlculs pràctics. En canvi, la concentració molar c s'utilitza més sovint. Es defineix per a un gas ideal de la següent manera:
c=n/V=P/(R T).
Exemple de problema
És necessari calcular la concentració molar de molècules d'oxigen a l'aire en condicions normals.
Per resoldre aquest problema, recordeu que l'aire conté un 21% d'oxigen. D'acord amb la llei de D alton, l'oxigen crea una pressió parcial de 0,21P0, on P0=101325 Pa (una atmosfera). Les condicions normals també assumeixen una temperatura de 0 oC(273,15 K).
Coneixem tots els paràmetres necessaris per calcular la concentració molar d'oxigen a l'aire. Obtenim:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Si aquesta concentració es redueix a un volum d'1 litre, obtenim el valor 0,009 mol/L.
Per entendre quantes molècules O2 hi ha 1 litre d'aire, multipliqueu la concentració calculada pel nombre NA. Després de completar aquest procediment, obtenim un valor enorme: N(O2)=5, 641021molècules.
