Com sabeu, les molècules i els àtoms que formen els objectes que ens envolten són molt petits. Per realitzar càlculs durant les reaccions químiques, així com per analitzar el comportament d'una mescla de components no interactius en líquids i gasos, s'utilitza el concepte de fraccions molars. En aquest article s'explica què són i com es poden utilitzar per obtenir les magnituds físiques macroscòpiques d'una mescla.
Número d'Avogadro
A principis del segle XX, mentre feia experiments amb mescles de gasos, el científic francès Jean Perrin va mesurar el nombre de molècules H2 contingudes en 1 gram d'aquest gas. Aquest número va resultar ser un nombre enorme (6.0221023). Com que és extremadament inconvenient fer càlculs amb aquestes xifres, Perrin va proposar un nom per a aquest valor: el nombre d'Avogadro. Aquest nom va ser escollit en honor al científic italià de principis del segle XIX, Amedeo Avogadro, que, com Perrin, va estudiar mescles de gasos i fins i tot va poder formularper a ells, la llei que actualment porta el seu cognom.
El número d'Avogadro s'utilitza actualment àmpliament en l'estudi de diverses substàncies. Enllaça característiques macroscòpiques i microscòpiques.
Quantitat de substància i massa molar
Als anys 60, la Cambra Internacional de Peses i Mesures va introduir la setena unitat bàsica de mesura al sistema d'unitats físiques (SI). Es va convertir en una arna. El talp mostra el nombre d'elements que formen el sistema en qüestió. Un mol és igual al nombre d'Avogadro.
La massa molar és el pes d'un mol d'una substància determinada. Es mesura en grams per mol. La massa molar és una quantitat additiva, és a dir, per determinar-la per a un determinat compost químic, cal afegir les masses molars dels elements químics que formen aquest compost. Per exemple, la massa molar del metà (CH4) és:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
É a dir, 1 mol de molècules de metà tindrà una massa de 16 grams.
Concepte de fracció molar
Les substàncies pures són rares a la natura. Per exemple, diverses impureses (sals) sempre es dissolen en aigua; L'aire del nostre planeta és una barreja de gasos. En altres paraules, qualsevol substància en estat líquid i gasós és una barreja de diversos elements. La fracció molar és un valor que mostra quina part de l'equivalent molar ocupa un o un altre component enmescles. Si la quantitat de substància de tota la mescla es denota com n, i la quantitat de la substància del component i es denota com ni, llavors es pot escriure l'equació següent:
xi=ni / n.
Aquí xi és la fracció molar del component i d'aquesta mescla. Com es pot veure, aquesta quantitat és adimensional. Per a tots els components de la mescla, la suma de les seves fraccions molars s'expressa amb la fórmula següent:
∑i(xi)=1.
Aconseguir aquesta fórmula no és difícil. Per fer-ho, només cal que substituïu l'expressió anterior per xi.
Interès atòmic
Quan es resolen problemes de química, sovint els valors inicials es donen en percentatge atòmic. Per exemple, en una barreja d'oxigen i hidrogen, aquest últim té un 60%. Això vol dir que de les 10 molècules de la mescla, 6 correspondran a hidrogen. Com que la fracció molar és la relació entre el nombre d'àtoms components i el seu nombre total, els percentatges atòmics són sinònims del concepte en qüestió.
La conversió de les accions en percentatges atòmics es realitza simplement augmentant-les en dos ordres de magnitud. Per exemple, 0,21 fracció molar d'oxigen a l'aire correspon al 21 % atòmic.
Gasolina ideal
El concepte de fraccions molars s'utilitza sovint per resoldre problemes amb mescles de gasos. La majoria dels gasos en condicions normals (temperatura 300 K i pressió 1 atm.) són ideals. Això vol dir que els àtoms i les molècules que formen el gas estan a una gran distància els uns dels altres i no interaccionen entre ells.
Per als gasos ideals, és vàlida l'equació d'estat següent:
PV=nRT.
Aquí P, V i T són tres característiques termodinàmiques macroscòpiques: pressió, volum i temperatura respectivament. El valor R=8, 314 J / (Kmol) és una constant per a tots els gasos, n és el nombre de partícules en mols, és a dir, la quantitat de substància.
L'equació d'estat mostra com canviarà una de les tres característiques macroscòpiques del gas (P, V o T) si es fixa la segona i es canvia la tercera. Per exemple, a temperatura constant, la pressió serà inversament proporcional al volum del gas (llei de Boyle-Mariotte).
El més destacable de la fórmula escrita és que no té en compte la naturalesa química de les molècules i àtoms del gas, és a dir, és vàlida tant per als gasos purs com per a les seves mescles.
Llei de D alton i pressió parcial
Com calcular la fracció molar d'un gas en una mescla? Per fer-ho, n'hi ha prou de conèixer el nombre total de partícules i el seu nombre per al component considerat. Tanmateix, podeu fer el contrari.
La fracció molar d'un gas en una mescla es pot trobar coneixent la seva pressió parcial. Aquest últim s'entén com la pressió que crearia un determinat component de la mescla de gasos si fos possible eliminar tots els altres components. Si designem la pressió parcial de l'i-è component com a Pi, i la pressió de tota la mescla com a P, aleshores la fórmula per a la fracció molar d'aquest component prendrà la forma:
xi=Pi / P.
Perquè l'importde tots xi és igual a un, llavors podem escriure l'expressió següent:
∑i(Pi / P)=1, per tant ∑i (Pi)=P.
L'última igu altat s'anomena llei de D alton, que rep el nom del científic britànic de principis del segle XIX, John D alton.
La llei de la pressió parcial o llei de D alton és una conseqüència directa de l'equació d'estat dels gasos ideals. Si els àtoms o les molècules d'un gas comencen a interactuar entre si (això passa a altes temperatures i alta pressió), aleshores la llei de D alton és injusta. En aquest últim cas, per calcular les fraccions molars dels components, cal utilitzar la fórmula en termes de quantitat de substància, i no en termes de pressió parcial.
Aire com a barreja de gas
Un cop plantejat la qüestió de com trobar la fracció molar d'un component en una mescla, resolem el problema següent: calculeu els valors xi i P i per a cada component a l'aire.
Si considerem l'aire sec, aleshores consta dels 4 components de gas següents:
- nitrogen (78,09%);
- oxigen (20,95%);
- argó (0,93%);
- gas de diòxid de carboni (0,04%).
A partir d'aquestes dades, les fraccions molars de cada gas són molt fàcils de calcular. Per fer-ho, n'hi ha prou amb presentar els percentatges en termes relatius, tal com s'ha esmentat anteriorment a l'article. Aleshores obtenim:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Pressió parcialcalculem aquests components de l'aire, atès que la pressió atmosfèrica al nivell del mar és de 101 325 Pa o 1 atm. Aleshores obtenim:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Aquestes dades volen dir que si elimineu tot l'oxigen i altres gasos de l'atmosfera i només deixeu nitrogen, la pressió baixarà un 22%.
Conèixer la pressió parcial de l'oxigen té un paper vital per a les persones que submergeixen sota l'aigua. Per tant, si és inferior a 0,16 atm., la persona perd la consciència a l'instant. Per contra, la pressió parcial d'oxigen supera la marca d'1,6 atm. condueix a una intoxicació amb aquest gas, que s'acompanya de convulsions. Per tant, una pressió parcial segura d'oxigen per a la vida humana hauria d'estar entre 0,16 i 1,6 atm.
