Seperti yang Anda ketahui, molekul dan atom yang menyusun benda-benda di sekitar kita sangat kecil. Untuk melakukan perhitungan selama reaksi kimia, serta untuk menganalisis perilaku campuran komponen yang tidak berinteraksi dalam cairan dan gas, konsep fraksi mol digunakan. Apa itu, dan bagaimana mereka dapat digunakan untuk mendapatkan besaran fisika makroskopik dari suatu campuran, dibahas dalam artikel ini.
bilangan Avogadro
Pada awal abad ke-20, saat melakukan eksperimen dengan campuran gas, ilmuwan Prancis Jean Perrin mengukur jumlah molekul H2 yang terkandung dalam 1 gram gas ini. Jumlah ini ternyata sangat banyak (6.0221023). Karena sangat merepotkan untuk melakukan perhitungan dengan angka-angka seperti itu, Perrin mengusulkan nama untuk nilai ini - angka Avogadro. Nama ini dipilih untuk menghormati ilmuwan Italia awal abad ke-19, Amedeo Avogadro, yang, seperti Perrin, mempelajari campuran gas dan bahkan mampu merumuskanbagi mereka, hukum yang saat ini menyandang nama belakangnya.
Bilangan Avogadro saat ini banyak digunakan dalam studi berbagai zat. Ini menghubungkan karakteristik makroskopik dan mikroskopis.
Jumlah zat dan massa molar
Pada tahun 60-an, Kamar Berat dan Ukuran Internasional memperkenalkan satuan dasar ketujuh ke dalam sistem satuan fisik (SI). Itu menjadi ngengat. Mol menunjukkan jumlah unsur yang menyusun sistem yang bersangkutan. Satu mol sama dengan bilangan Avogadro.
Massa molar adalah berat satu mol zat tertentu. Itu diukur dalam gram per mol. Massa molar adalah besaran aditif, yaitu, untuk menentukannya untuk senyawa kimia tertentu, perlu menambahkan massa molar unsur-unsur kimia yang membentuk senyawa ini. Misalnya, massa molar metana (CH4) adalah:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Artinya, 1 mol molekul metana akan memiliki massa 16 gram.
Konsep pecahan mol
Zat murni jarang ditemukan di alam. Misalnya, berbagai kotoran (garam) selalu larut dalam air; Udara di planet kita adalah campuran gas. Dengan kata lain, setiap zat dalam keadaan cair dan gas adalah campuran dari berbagai unsur. Fraksi mol adalah nilai yang menunjukkan bagian mana dalam ekivalen mol yang ditempati oleh satu atau lain komponen dalamcampuran. Jika jumlah zat seluruh campuran dilambangkan dengan n, dan jumlah zat komponen i dilambangkan dengan ni, maka persamaan berikut dapat ditulis:
xi=ni / n.
Di sini xi adalah fraksi mol komponen i untuk campuran ini. Seperti dapat dilihat, kuantitas ini tidak berdimensi. Untuk semua komponen campuran, jumlah fraksi molnya dinyatakan dengan rumus sebagai berikut:
∑i(xi)=1.
Mendapatkan rumus ini tidaklah sulit. Untuk melakukan ini, cukup ganti ekspresi sebelumnya untuk xi.
ke dalamnya
Minat atom
Saat memecahkan masalah dalam kimia, seringkali nilai awal diberikan dalam persen atom. Misalnya, dalam campuran oksigen dan hidrogen, yang terakhir adalah 60 atom%. Ini berarti bahwa dari 10 molekul dalam campuran, 6 akan sesuai dengan hidrogen. Karena fraksi mol adalah rasio jumlah atom komponen dengan jumlah totalnya, persentase atom identik dengan konsep yang dimaksud.
Konversi bagian menjadi persentase atom dilakukan hanya dengan menaikkannya dua kali lipat. Misalnya, 0,21 fraksi mol oksigen di udara sama dengan 21% atom.
Gas ideal
Konsep fraksi mol sering digunakan dalam menyelesaikan masalah campuran gas. Kebanyakan gas dalam kondisi normal (suhu 300 K dan tekanan 1 atm.) Ideal. Ini berarti atom dan molekul yang membentuk gas berada pada jarak yang sangat jauh satu sama lain dan tidak berinteraksi satu sama lain.
Untuk gas ideal, persamaan keadaan berikut ini valid:
PV=nRT.
Di sini P, V dan T adalah tiga karakteristik termodinamika makroskopik: tekanan, volume, dan suhu masing-masing. Nilai R=8, 314 J / (Kmol) adalah konstanta untuk semua gas, n adalah jumlah partikel dalam mol, yaitu jumlah zat
Persamaan keadaan menunjukkan bagaimana salah satu dari tiga karakteristik gas makroskopik (P, V atau T) akan berubah jika yang kedua tetap dan yang ketiga diubah. Misalnya, pada suhu konstan, tekanan akan berbanding terbalik dengan volume gas (hukum Boyle-Mariotte).
Hal yang paling luar biasa tentang rumus tertulis adalah bahwa rumus itu tidak memperhitungkan sifat kimia molekul dan atom gas, yaitu, berlaku untuk gas murni dan campurannya.
Hukum D alton dan tekanan parsial
Bagaimana cara menghitung fraksi mol gas dalam campuran? Untuk melakukan ini, cukup mengetahui jumlah total partikel dan jumlah mereka untuk komponen yang dipertimbangkan. Namun, Anda dapat melakukan sebaliknya.
Fraksi mol gas dalam campuran dapat ditemukan dengan mengetahui tekanan parsialnya. Yang terakhir ini dipahami sebagai tekanan yang akan dihasilkan oleh komponen tertentu dari campuran gas jika memungkinkan untuk menghilangkan semua komponen lainnya. Jika kita menyatakan tekanan parsial komponen ke-i sebagai Pi, dan tekanan seluruh campuran sebagai P, maka rumus fraksi mol komponen ini akan berbentuk:
xi=Pi / P.
Karena jumlahnyadari semua xi sama dengan satu, maka kita dapat menulis ekspresi berikut:
∑i(Pi / P)=1, maka i (Pi)=P.
Kesetaraan terakhir disebut hukum D alton, yang dinamai sesuai nama ilmuwan Inggris awal abad ke-19, John D alton.
Hukum tekanan parsial atau hukum D alton adalah konsekuensi langsung dari persamaan keadaan untuk gas ideal. Jika atom atau molekul dalam gas mulai berinteraksi satu sama lain (ini terjadi pada suhu tinggi dan tekanan tinggi), maka hukum D alton tidak adil. Dalam kasus terakhir, untuk menghitung fraksi mol komponen, perlu menggunakan rumus dalam hal jumlah zat, dan bukan dalam hal tekanan parsial.
Udara sebagai campuran gas
Setelah mempertimbangkan pertanyaan tentang bagaimana menemukan fraksi mol suatu komponen dalam campuran, kami memecahkan masalah berikut: hitung nilai xi dan P i untuk setiap komponen di udara.
Jika kita menganggap udara kering, maka terdiri dari 4 komponen gas berikut:
- nitrogen (78,09%);
- oksigen (20,95%);
- argon (0,93%);
- gas karbon dioksida (0,04%).
Dari data ini, fraksi mol untuk setiap gas sangat mudah dihitung. Untuk melakukan ini, cukup dengan menyajikan persentase secara relatif, seperti yang disebutkan di atas dalam artikel. Maka kita dapatkan:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Tekanan parsialkami menghitung komponen udara ini, mengingat bahwa tekanan atmosfer di permukaan laut adalah 101.325 Pa atau 1 atm. Maka kita dapatkan:
PN2=xN2 P=0.7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Data ini berarti bahwa jika Anda menghilangkan semua oksigen dan gas lainnya dari atmosfer, dan hanya menyisakan nitrogen, tekanannya akan turun sebesar 22%.
Mengetahui tekanan parsial oksigen memainkan peran penting bagi orang yang menyelam di bawah air. Jadi, jika kurang dari 0,16 atm, maka orang tersebut langsung kehilangan kesadaran. Sebaliknya, tekanan parsial oksigen melebihi tanda 1,6 atm. menyebabkan keracunan dengan gas ini, yang disertai dengan kejang-kejang. Dengan demikian, tekanan parsial oksigen yang aman bagi kehidupan manusia harus berada dalam kisaran 0,16 - 1,6 atm.
