როგორც მოგეხსენებათ, მოლეკულები და ატომები, რომლებიც ქმნიან ჩვენს გარშემო არსებულ ობიექტებს, ძალიან მცირეა. ქიმიური რეაქციების დროს გამოთვლების ჩასატარებლად, აგრეთვე სითხეებსა და აირებში არაურთიერთმომქმედი კომპონენტების ნარევის ქცევის გასაანალიზებლად გამოიყენება მოლური ფრაქციების ცნება. რა არის ისინი და როგორ შეიძლება მათი გამოყენება ნარევის მაკროსკოპული ფიზიკური რაოდენობების მისაღებად, განხილულია ამ სტატიაში.
ავოგადროს ნომერი
მე-20 საუკუნის დასაწყისში, ფრანგმა მეცნიერმა ჟან პერენმა გაზის ნარევებზე ექსპერიმენტების ჩატარებისას გაზომა H2 მოლეკულების რაოდენობა, რომლებიც შეიცავს ამ გაზს 1 გრამში. ეს რიცხვი უზარმაზარი რიცხვი აღმოჩნდა (60221023). ვინაიდან ასეთი ფიგურებით გამოთვლების ჩატარება უკიდურესად მოუხერხებელია, პერინმა შესთავაზა ამ მნიშვნელობის სახელი - ავოგადროს ნომერი. ეს სახელი მე-19 საუკუნის დასაწყისის იტალიელი მეცნიერის, ამედეო ავოგადროს პატივსაცემად აირჩიეს, რომელიც, პერინის მსგავსად, სწავლობდა აირების ნარევებს და ფორმულირებაც კი შეძლო.მათთვის კანონი, რომელიც ამჟამად მის გვარს ატარებს.
ავოგადროს რიცხვი ამჟამად ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ნივთიერებების შესასწავლად. ის აკავშირებს მაკროსკოპულ და მიკროსკოპულ მახასიათებლებს.
ნივთიერების რაოდენობა და მოლური მასა
60-იან წლებში წონებისა და ზომების საერთაშორისო პალატამ ფიზიკური ერთეულების სისტემაში (SI) შემოიტანა საზომი მეშვიდე ძირითადი ერთეული. ჩრჩილი გახდა. მოლი აჩვენებს ელემენტების რაოდენობას, რომლებიც ქმნიან მოცემულ სისტემას. ერთი მოლი უდრის ავოგადროს რიცხვს.
მოლური მასა არის მოცემული ნივთიერების ერთი მოლის წონა. იგი იზომება გრამებში თითო მოლზე. მოლური მასა არის დანამატი სიდიდე, ანუ კონკრეტული ქიმიური ნაერთის დასადგენად აუცილებელია ამ ნაერთის შემადგენელი ქიმიური ელემენტების მოლური მასების დამატება. მაგალითად, მეთანის მოლური მასა (CH4) არის:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 გ/მოლ.
ანუ, 1 მოლი მეთანის მოლეკულას ექნება მასა 16 გრამი.
მოლური წილადის კონცეფცია
სუფთა ნივთიერებები ბუნებაში იშვიათია. მაგალითად, სხვადასხვა მინარევები (მარილები) ყოველთვის იხსნება წყალში; ჩვენი პლანეტის ჰაერი გაზების ნაზავია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ნებისმიერი ნივთიერება თხევად და აირად მდგომარეობაში არის სხვადასხვა ელემენტების ნაზავი. მოლური ფრაქცია არის მნიშვნელობა, რომელიც გვიჩვენებს მოლის ექვივალენტის რა ნაწილს იკავებს ერთი ან მეორე კომპონენტინარევები. თუ მთლიანი ნარევის ნივთიერების რაოდენობა აღინიშნა როგორც n, ხოლო i კომპონენტის ნივთიერების რაოდენობა აღინიშნა როგორც ni, მაშინ შეიძლება დაიწეროს შემდეგი განტოლება:
xi=ni / n.
აქ xi არის i კომპონენტის მოლური წილი ამ ნარევისთვის. როგორც ხედავთ, ეს რაოდენობა განზომილებიანია. ნარევის ყველა კომპონენტისთვის მათი მოლური ფრაქციების ჯამი გამოიხატება შემდეგი ფორმულით:
∑i(xi)=1.
ამ ფორმულის მიღება არ არის რთული. ამისათვის უბრალოდ ჩაანაცვლეთ წინა გამოხატულება xi.
მასში.
ატომური პროცენტი
ქიმიაში ამოცანების ამოხსნისას, ხშირად საწყისი მნიშვნელობები მოცემულია ატომურ პროცენტებში. მაგალითად, ჟანგბადისა და წყალბადის ნარევში ეს უკანასკნელი არის 60 ატომური%. ეს ნიშნავს, რომ ნარევის 10 მოლეკულიდან 6 შეესაბამება წყალბადს. ვინაიდან მოლური ფრაქცია არის კომპონენტის ატომების რაოდენობის თანაფარდობა მათ საერთო რიცხვთან, ატომური პროცენტები სინონიმია მოცემული კონცეფციის.
წილების ატომურ პროცენტებად გადაქცევა ხდება მათი უბრალოდ ორი რიგით სიდიდის გაზრდით. მაგალითად, ჰაერში ჟანგბადის 0,21 მოლი ფრაქცია შეესაბამება 21 ატომს%.
იდეალური გაზი
მოლური ფრაქციების კონცეფცია ხშირად გამოიყენება აირის ნარევებთან დაკავშირებული პრობლემების გადასაჭრელად. გაზების უმეტესობა ნორმალურ პირობებში (ტემპერატურა 300 K და წნევა 1 ატმ.) იდეალურია. ეს ნიშნავს, რომ ატომები და მოლეკულები, რომლებიც ქმნიან გაზს, ერთმანეთისგან დიდ მანძილზე არიან და არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან.
იდეალური გაზებისთვის მოქმედებს მდგომარეობის შემდეგი განტოლება:
PV=nRT.
აქ P, V და T არის სამი მაკროსკოპული თერმოდინამიკური მახასიათებელი: წნევა, მოცულობა და ტემპერატურა შესაბამისად. მნიშვნელობა R=8, 314 J / (Kmol) არის მუდმივი ყველა გაზისთვის, n არის ნაწილაკების რაოდენობა მოლში, ანუ ნივთიერების რაოდენობა.
მდგომარეობის განტოლება გვიჩვენებს, თუ როგორ შეიცვლება სამი მაკროსკოპული აირის მახასიათებლიდან ერთი (P, V ან T), თუ მათგან მეორე დაფიქსირდა და მესამე შეიცვლება. მაგალითად, მუდმივ ტემპერატურაზე, წნევა უკუპროპორციული იქნება გაზის მოცულობის (ბოილ-მარიოტის კანონი).
დაწერილი ფორმულის შესახებ ყველაზე აღსანიშნავია ის, რომ იგი არ ითვალისწინებს გაზის მოლეკულების და ატომების ქიმიურ ბუნებას, ანუ მოქმედებს როგორც სუფთა გაზებზე, ასევე მათ ნარევებზე.
დალტონის კანონი და ნაწილობრივი წნევა
როგორ გამოვთვალოთ აირის მოლური წილი ნარევში? ამისათვის საკმარისია იცოდეთ ნაწილაკების საერთო რაოდენობა და მათი რაოდენობა განსახილველი კომპონენტისთვის. თუმცა, სხვაგვარად შეგიძლიათ.
არის მოლური ფრაქცია ნარევში შეიძლება ვიპოვოთ მისი ნაწილობრივი წნევის ცოდნით. ეს უკანასკნელი გაგებულია, როგორც წნევა, რომელსაც შეიქმნება აირის ნარევის მოცემული კომპონენტი, თუ შესაძლებელი იქნებოდა ყველა სხვა კომპონენტის ამოღება. თუ i-ე კომპონენტის ნაწილობრივ წნევას აღვნიშნავთ, როგორც Pi, ხოლო მთლიანი ნარევის წნევას როგორც P, მაშინ ამ კომპონენტის მოლური წილის ფორმულა მიიღებს ფორმას.:
xi=Pi / P.
თანხის გამოყველა xi უდრის ერთს, მაშინ შეგვიძლია დავწეროთ შემდეგი გამოთქმა:
∑i(Pi / P)=1, შესაბამისად ∑i (Pi)=P.
ბოლო თანასწორობას ჰქვია დალტონის კანონი, რომელსაც ასე ეწოდა მე-19 საუკუნის დასაწყისის ბრიტანელი მეცნიერის ჯონ დალტონი.
პარციალური წნევის კანონი ან დალტონის კანონი იდეალური აირების მდგომარეობის განტოლების პირდაპირი შედეგია. თუ ატომები ან მოლეკულები აირში იწყებენ ურთიერთქმედებას ერთმანეთთან (ეს ხდება მაღალ ტემპერატურაზე და მაღალ წნევაზე), მაშინ დალტონის კანონი უსამართლოა. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში კომპონენტების მოლური ფრაქციების გამოსათვლელად აუცილებელია ფორმულის გამოყენება ნივთიერების რაოდენობის მიხედვით და არა ნაწილობრივი წნევის მიხედვით.
ჰაერი როგორც აირის ნარევი
განვიხილეთ კითხვა, თუ როგორ უნდა ვიპოვოთ კომპონენტის მოლური წილი ნარევში, ჩვენ ვხსნით შემდეგ პრობლემას: გამოვთვალოთ მნიშვნელობები xi და P i ჰაერში არსებული თითოეული კომპონენტისთვის.
თუ გავითვალისწინებთ მშრალ ჰაერს, მაშინ ის შედგება შემდეგი 4 გაზის კომპონენტისგან:
- აზოტი (78.09%);
- ჟანგბადი (20,95%);
- არგონი (0.93%);
- ნახშირორჟანგი გაზი (0.04%).
ამ მონაცემებიდან გამომდინარე, თითოეული აირის მოლური წილადების გამოთვლა ძალიან მარტივია. ამისთვის საკმარისია პროცენტების შედარებითი თვალსაზრისით წარმოდგენა, როგორც ზემოთ აღინიშნა სტატიაში. შემდეგ მივიღებთ:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
პარციალური წნევაჩვენ ვიანგარიშებთ ჰაერის ამ კომპონენტებს, იმის გათვალისწინებით, რომ ატმოსფერული წნევა ზღვის დონეზე არის 101 325 Pa ან 1 ატმ. შემდეგ მივიღებთ:
PN2=xN2 P=0,7809 ატმ.;
PO2=xO2 P=0, 2095 ატმ.;
PAr=xAr P=0,0093 ატმ.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 ატმ.
ეს მონაცემი ნიშნავს, რომ თუ ატმოსფეროდან ამოიღებთ ყველა ჟანგბადს და სხვა გაზებს და დატოვებთ მხოლოდ აზოტს, წნევა 22%-ით დაიკლებს.
ჟანგბადის ნაწილობრივი წნევის ცოდნა სასიცოცხლო როლს თამაშობს იმ ადამიანებისთვის, ვინც წყალქვეშ ჩაყვინთვის. ასე რომ, თუ ის 0,16 ატმ-ზე ნაკლებია, მაშინ ადამიანი მყისიერად კარგავს ცნობიერებას. პირიქით, ჟანგბადის ნაწილობრივი წნევა აღემატება ნიშანს 1,6 ატმ. იწვევს ამ გაზით მოწამვლას, რასაც თან ახლავს კრუნჩხვები. ამრიგად, ჟანგბადის უსაფრთხო ნაწილობრივი წნევა ადამიანის სიცოცხლისთვის უნდა იყოს 0,16 - 1,6 ატმოსფეროში.
