Comme vous le savez, les molécules et les atomes qui composent les objets qui nous entourent sont très petits. Pour effectuer des calculs lors de réactions chimiques, ainsi que pour analyser le comportement d'un mélange de composants sans interaction dans des liquides et des gaz, le concept de fractions molaires est utilisé. Ce qu'ils sont, et comment ils peuvent être utilisés pour obtenir les quantités physiques macroscopiques d'un mélange, sont discutés dans cet article.
Le numéro d'Avogadro
Au début du 20e siècle, alors qu'il menait des expériences sur des mélanges gazeux, le scientifique français Jean Perrin mesurait le nombre de molécules H2 contenues dans 1 gramme de ce gaz. Ce nombre s'est avéré être un nombre énorme (6 0221023). Comme il est extrêmement peu pratique d'effectuer des calculs avec de tels chiffres, Perrin a proposé un nom pour cette valeur - le nombre d'Avogadro. Ce nom a été choisi en l'honneur du scientifique italien du début du XIXe siècle, Amedeo Avogadro, qui, comme Perrin, a étudié les mélanges de gaz et a même pu formulerpour eux, la loi qui porte actuellement son nom de famille.
Le numéro d'Avogadro est actuellement largement utilisé dans l'étude de diverses substances. Il relie les caractéristiques macroscopiques et microscopiques.
Quantité de substance et masse molaire
Dans les années 60, la Chambre internationale des poids et mesures a introduit la septième unité de mesure de base dans le système des unités physiques (SI). C'est devenu un papillon. La taupe indique le nombre d'éléments qui composent le système en question. Une taupe est égale au nombre d'Avogadro.
La masse molaire est le poids d'une mole d'une substance donnée. Elle est mesurée en grammes par mole. La masse molaire est une quantité additive, c'est-à-dire que pour la déterminer pour un composé chimique particulier, il faut additionner les masses molaires des éléments chimiques qui composent ce composé. Par exemple, la masse molaire du méthane (CH4) est:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Autrement dit, 1 mole de molécules de méthane aura une masse de 16 grammes.
Notion de fraction molaire
Les substances pures sont rares dans la nature. Par exemple, diverses impuretés (sels) sont toujours dissoutes dans l'eau; L'air de notre planète est un mélange de gaz. En d'autres termes, toute substance à l'état liquide et gazeux est un mélange de divers éléments. La fraction molaire est une valeur indiquant quelle part en équivalent molaire est occupée par l'un ou l'autre composant dansmélanges. Si la quantité de la substance du mélange entier est notée n, et la quantité de la substance du composant i est notée ni, alors l'équation suivante peut être écrite:
xi=ni / n.
Ici xi est la fraction molaire du composant i pour ce mélange. Comme on peut le voir, cette quantité est sans dimension. Pour tous les composants du mélange, la somme de leurs fractions molaires est exprimée par la formule suivante:
∑i(xi)=1.
Obtenir cette formule n'est pas difficile. Pour ce faire, remplacez simplement l'expression précédente par xi.
Intérêt atomique
Lors de la résolution de problèmes de chimie, les valeurs initiales sont souvent données en pourcentage atomique. Par exemple, dans un mélange d'oxygène et d'hydrogène, ce dernier est de 60% atomique. Cela signifie que sur 10 molécules du mélange, 6 correspondront à de l'hydrogène. Étant donné que la fraction molaire est le rapport du nombre d'atomes composants à leur nombre total, les pourcentages atomiques sont synonymes du concept en question.
La conversion des parts en pourcentages atomiques s'effectue en les augmentant simplement de deux ordres de grandeur. Par exemple, 0,21 fraction molaire d'oxygène dans l'air correspond à 21 % atomique
Gaz idéal
Le concept de fractions molaires est souvent utilisé pour résoudre des problèmes avec des mélanges gazeux. La plupart des gaz dans des conditions normales (température 300 K et pression 1 atm.) Sont idéaux. Cela signifie que les atomes et les molécules qui composent le gaz sont très éloignés les uns des autres et n'interagissent pas entre eux.
Pour les gaz parfaits, l'équation d'état suivante est valide:
PV=nRT.
Ici P, V et T sont trois caractéristiques thermodynamiques macroscopiques: respectivement la pression, le volume et la température. La valeur R=8, 314 J / (Kmol) est une constante pour tous les gaz, n est le nombre de particules en moles, c'est-à-dire la quantité de substance.
L'équation d'état montre comment l'une des trois caractéristiques macroscopiques du gaz (P, V ou T) changera si la seconde d'entre elles est fixe et la troisième est modifiée. Par exemple, à température constante, la pression sera inversement proportionnelle au volume du gaz (loi de Boyle-Mariotte).
La chose la plus remarquable à propos de la formule écrite est qu'elle ne tient pas compte de la nature chimique des molécules et des atomes du gaz, c'est-à-dire qu'elle est valable aussi bien pour les gaz purs que pour leurs mélanges.
Loi de D alton et pression partielle
Comment calculer la fraction molaire d'un gaz dans un mélange ? Pour cela, il suffit de connaître le nombre total de particules et leur nombre pour le composant considéré. Cependant, vous pouvez faire autrement.
La fraction molaire d'un gaz dans un mélange peut être trouvée en connaissant sa pression partielle. Cette dernière est comprise comme la pression qu'un composant donné du mélange gazeux créerait s'il était possible d'éliminer tous les autres composants. Si nous désignons la pression partielle du i-ème composant par Pi, et la pression de l'ensemble du mélange par P, alors la formule de la fraction molaire de ce composant prendra la forme:
xi=Pi / P.
Parce que le montantde tous xi est égal à un, alors on peut écrire l'expression suivante:
∑i(Pi / P)=1, donc ∑i (Pi)=P.
La dernière égalité s'appelle la loi de D alton, qui porte le nom du scientifique britannique du début du 19e siècle, John D alton.
La loi de la pression partielle ou loi de D alton est une conséquence directe de l'équation d'état des gaz parfaits. Si les atomes ou les molécules d'un gaz commencent à interagir les uns avec les autres (cela se produit à haute température et haute pression), la loi de D alton est injuste. Dans ce dernier cas, pour calculer les fractions molaires des composants, il est nécessaire d'utiliser la formule en termes de quantité de substance, et non en termes de pression partielle.
L'air en tant que mélange gazeux
Après avoir examiné la question de savoir comment trouver la fraction molaire d'un composant dans un mélange, nous résolvons le problème suivant: calculez les valeurs xi et P i pour chaque composant dans l'air.
Si l'on considère l'air sec, il se compose des 4 composants gazeux suivants:
- azote (78,09%);
- oxygène (20,95 %);
- argon (0.93%);
- dioxyde de carbone (0,04 %).
À partir de ces données, les fractions molaires de chaque gaz sont très faciles à calculer. Pour ce faire, il suffit de présenter les pourcentages en termes relatifs, comme mentionné plus haut dans l'article. Alors on obtient:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Pression partielleon calcule ces composantes de l'air, sachant que la pression atmosphérique au niveau de la mer est de 101 325 Pa soit 1 atm. Alors on obtient:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Ces données signifient que si vous éliminez tout l'oxygène et les autres gaz de l'atmosphère et ne laissez que de l'azote, la pression chutera de 22 %.
Connaître la pression partielle d'oxygène joue un rôle vital pour les personnes qui plongent sous l'eau. Donc, si elle est inférieure à 0,16 atm, la personne perd instantanément connaissance. Au contraire, la pression partielle d'oxygène dépasse la barre des 1,6 atm. conduit à un empoisonnement avec ce gaz, qui s'accompagne de convulsions. Ainsi, une pression partielle d'oxygène sûre pour la vie humaine devrait se situer entre 0,16 et 1,6 atm.
