Koncentracija idealnih molekula gasa. Formule i primjer problema

Gas ima visoku reaktivnost u poređenju sa tečnim i čvrstim telima zbog velike površine svoje aktivne površine i visoke kinetičke energije čestica koje formiraju sistem. Istovremeno, hemijska aktivnost plina, njegov pritisak i neki drugi parametri ovise o koncentraciji molekula. Razmotrimo u ovom članku Šta je ta vrijednost i kako se može izračunati.

O kakvom ćemo gasu razgovarati?

U ovom članku će se uzeti u obzir takozvani idealni gasovi. Zanemaruju veličine čestica i interakciju između njih. Jedini proces koji se dešava u idealnim gasovima su elastični sudari između čestica i zidova posuda. Rezultat ovih sudara je pojava apsolutnog pritiska.

Svaki pravi gas se po svojim svojstvima približava idealu ako se njegov pritisak ili gustina smanji i poveća apsolutna temperatura. Ipak, postoje hemikalije koje su, čak i pri niskim gustinama i visokim temperaturama, daleko od idealnog gasa. Upečatljiv i dobro poznat primjer takve supstance je vodena para. Činjenica je da njegovi molekuli (H₂O) su jako polarni (kiseonik povlači gustinu elektrona od atoma vodonika). Polaritet dovodi do pojave značajne elektrostatičke interakcije između njih, što predstavlja grubo kršenje koncepta idealnog plina.

Univerzalni Clapeyron-Mendeljejev Zakon

Da biste mogli izračunati koncentraciju molekula idealnog plina, trebali biste se upoznati sa zakonom koji opisuje stanje bilo kojeg idealnog plinskog sistema, bez obzira na njegov hemijski sastav. Ovaj zakon nosi imena Francuza Emilea Clapeyrona i ruskog naučnika Dmitrija Mendeljejeva. Odgovarajuća jednačina ima oblik:

P * V = n * R * T.

Jednakost kaže da proizvod pritiska P po zapremini V za idealni gas uvek treba da bude direktno proporcionalan proizvodu apsolutne temperature T za količinu supstance n. Ovdje je R koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva univerzalna gasna konstanta. Pokazuje količinu posla koju 1 mol gasa obavlja kao rezultat ekspanzije, ako se zagreje za 1 K( R=8.314 J/(mol* K)).

Koncentracija molekula i njeno izračunavanje

Prema definiciji, koncentracija atoma ili molekula se shvata kao broj čestica u sistemu, koji pada na jediničnu zapreminu. Matematički, možemo pisati:

c_N = N / V.

Gdje je N ukupan broj čestica u sistemu.

Prije nego što zapišemo formulu za određivanje koncentracije molekula plina, prisjetimo se definicije količine supstance n i izraza koji povezuje vrijednost R S Boltzmannovom konstantom k_B:

n = N / N_A;

k_B = R / N_A.

Koristeći ove jednakosti, izražavamo odnos N / V iz Univerzalne jednačine stanja:

P * V= n * R * T =>

P * V =N / N_A* R * T = N * k_B*T =>

c_N = N / V = P/(k_BT).

Tako smo dobili formulu za određivanje koncentracije čestica u gasu. Kao što vidite, to direktno zavisi od pritiska u sistemu i obrnuto od apsolutne temperature.

Pošto je broj čestica u sistemu veliki, nezgodno je koristiti koncentraciju c N prilikom iz ođenja praktičnih proračuna. Umjesto toga, molarna koncentracija c_{n se češće koristi}. To je definiran za ideal gas kao:

c_n = n / V = P / (R * T).

Primjer zadatka

Potrebno je izračunati molarnu koncentraciju molekula kiseonika u vazduhu u normalnim uslovima.

Da biste riješili ovaj problem, imajte na umu da u zraku ima 21% kisika. U skladu sa Daltonovim zakonom, kiseonik stvara parcijalni pritisak od 0,21 * P₀, gdje P₀ = 101325 Pa (jedna atmosfera). Normalni uslovi takođe pretpostavljaju temperaturu od 0 ^oC (273,15 K).

Znamo sve potrebne parametre za izračunavanje molarne koncentracije kisika u zraku. Dobijamo:

c_n(O₂) = P/(R * T) = 0,21*101325/(8,314*273,15) = 9,37 mol / m³.

Ako se ova koncentracija smanji na zapreminu od 1 litra, tada dobijamo vrijednost od 0,009 mol / l.

Za razumijevanje koliko molekula o₂ sadržan u 1 litru vazduha, izračunatu koncentraciju treba pomnožiti sa brojem N_A. Nakon završetka ove procedure dobijamo ogromnu vrijednost: N(o₂) = 5,64*10²¹ molekule.