Le gaz a une réactivité élevée par rapport aux corps liquides et solides en raison de la grande surface de sa surface active et de la haute énergie cinétique des particules formant le système. Dans ce cas, l'activité chimique du gaz, sa pression et certains autres paramètres dépendent de la concentration des molécules. Examinons dans cet article quelle est cette valeur et comment elle peut être calculée.
De quel gaz parlons-nous ?
Cet article traitera des gaz dits parfaits. Ils négligent la taille des particules et l'interaction entre elles. Le seul processus qui se produit dans les gaz parfaits est les collisions élastiques entre les particules et les parois des vaisseaux. Le résultat de ces collisions est une pression absolue.
Tout gaz réel s'approche de l'idéal dans ses propriétés si sa pression ou sa densité est réduite et sa température absolue est augmentée. Néanmoins, il existe des produits chimiques qui, même à de faibles densités etles températures sont loin des gaz parfaits. Un exemple frappant et bien connu d'une telle substance est la vapeur d'eau. Le fait est que ses molécules (H2O) sont hautement polaires (l'oxygène éloigne la densité électronique des atomes d'hydrogène). La polarité conduit à une interaction électrostatique significative entre eux, ce qui est une violation flagrante du concept de gaz parfait.
Loi universelle de Clapeyron-Mendeleïev
Pour pouvoir calculer la concentration des molécules d'un gaz parfait, il faut se familiariser avec la loi qui décrit l'état de tout système de gaz parfait, quelle que soit sa composition chimique. Cette loi porte les noms du Français Emile Clapeyron et du scientifique russe Dmitri Mendeleïev. L'équation correspondante est:
PV=nRT.
Equality dit que le produit de la pression P et du volume V doit toujours être directement proportionnel au produit de la température absolue T et de la quantité de substance n pour un gaz parfait. Ici, R est le coefficient de proportionnalité, appelé constante universelle des gaz. Il montre la quantité de travail que 1 mol de gaz fait à la suite de l'expansion s'il est chauffé par 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentration de molécules et son calcul
Selon la définition, la concentration d'atomes ou de molécules est comprise comme le nombre de particules dans le système, qui diminue par unité de volume. Mathématiquement, vous pouvez écrire:
cN=N/V.
Où N est le nombre total de particules dans le système.
Avant d'écrire la formule pour déterminer la concentration des molécules de gaz, rappelons la définition de la quantité de substance n et l'expression qui relie la valeur de R à la constante de Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
En utilisant ces égalités, nous exprimons le rapport N/V à partir de l'équation d'état universelle:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Nous avons donc obtenu la formule pour déterminer la concentration de particules dans un gaz. Comme vous pouvez le voir, elle est directement proportionnelle à la pression dans le système et inversement proportionnelle à la température absolue.
Étant donné que le nombre de particules dans le système est grand, la concentration cNn'est pas pratique à utiliser pour effectuer des calculs pratiques. Au lieu de cela, la concentration molaire c est utilisée plus souvent. Il est défini pour un gaz parfait comme suit:
c=n/V=P/(R T).
Exemple de problème
Il est nécessaire de calculer la concentration molaire des molécules d'oxygène dans l'air dans des conditions normales.
Pour résoudre ce problème, rappelez-vous que l'air contient 21 % d'oxygène. Conformément à la loi de D alton, l'oxygène crée une pression partielle de 0,21P0, où P0=101325 Pa (une atmosphère). Les conditions normales supposent également une température de 0 oC(273,15 K).
Nous connaissons tous les paramètres nécessaires pour calculer la concentration molaire d'oxygène dans l'air. Nous obtenons:
c(O2)=P/(R T)=0.21101325/(8.314273, 15)=9,37 mol/m3.
Si cette concentration est réduite à un volume de 1 litre, alors on obtient la valeur 0,009 mol/L.
Pour comprendre combien de molécules O2 sont contenues dans 1 litre d'air, multipliez la concentration calculée par le nombre NA. Après avoir terminé cette procédure, nous obtenons une valeur énorme: N(O2)=5, 641021molecules.
