לגז יש תגובתיות גבוהה בהשוואה לגופים נוזליים ומוצקים בשל השטח הגדול של פני השטח הפעילים שלו והאנרגיה הקינטית הגבוהה של החלקיקים היוצרים את המערכת. במקרה זה, הפעילות הכימית של הגז, הלחץ שלו ועוד כמה פרמטרים תלויים בריכוז המולקולות. הבה נבחן במאמר זה מהו הערך הזה וכיצד ניתן לחשב אותו.
על איזה גז אנחנו מדברים?
מאמר זה יבחן את מה שנקרא הגזים האידיאליים. הם מזניחים את גודל החלקיקים ואת האינטראקציה ביניהם. התהליך היחיד שמתרחש בגזים אידיאליים הוא התנגשויות אלסטיות בין חלקיקים ודפנות כלי הדם. התוצאה של ההתנגשויות הללו היא לחץ מוחלט.
כל גז אמיתי מתקרב לאידיאלי בתכונותיו אם הלחץ או הצפיפות שלו מופחתים והטמפרטורה המוחלטת שלו מוגברת. עם זאת, ישנם כימיקלים שאפילו בצפיפות נמוכה וגבוהההטמפרטורות רחוקות מלהיות גז אידיאלי. דוגמה בולטת וידועה לחומר כזה היא אדי מים. העובדה היא שהמולקולות שלו (H2O) הן מאוד קוטביות (החמצן מושך את צפיפות האלקטרונים הרחק מאטומי המימן). קוטביות מובילה לאינטראקציה אלקטרוסטטית משמעותית ביניהם, המהווה הפרה בוטה של הרעיון של גז אידיאלי.
החוק האוניברסלי של קלפיירון-מנדלייב
כדי להיות מסוגל לחשב את ריכוז המולקולות של גז אידיאלי, יש להכיר את החוק המתאר את מצבה של כל מערכת גז אידיאלית, ללא קשר להרכבה הכימי. חוק זה נושא את שמותיהם של הצרפתי אמיל קלפיירון והמדען הרוסי דמיטרי מנדלייב. המשוואה המתאימה היא:
PV=nRT.
Equality אומר שהמכפלה של לחץ P ונפח V חייבת להיות תמיד פרופורציונלית ישירה למכפלת הטמפרטורה המוחלטת T וכמות החומר n עבור גז אידיאלי. כאן R הוא מקדם המידתיות, הנקרא קבוע הגז האוניברסלי. הוא מראה את כמות העבודה שעושה מול גז 1 כתוצאה מהתפשטות אם הוא מחומם ב-1 K (R=8, 314 J/(molK)).
ריכוז מולקולות וחישובו
לפי ההגדרה, ריכוז האטומים או המולקולות מובן כמספר החלקיקים במערכת, שיורד ליחידת נפח. מבחינה מתמטית, אתה יכול לכתוב:
cN=N/V.
כאשר N הוא המספר הכולל של החלקיקים במערכת.
לפני שרשום את הנוסחה לקביעת ריכוז מולקולות הגז, נזכיר את ההגדרה של כמות החומר n ואת הביטוי המקשר את הערך של R לקבוע בולצמן kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
באמצעות שוויוניות אלה, אנו מבטאים את היחס N/V מהמשוואה האוניברסלית של המדינה:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
אז קיבלנו את הנוסחה לקביעת ריכוז החלקיקים בגז. כפי שניתן לראות, הוא עומד ביחס ישר ללחץ במערכת וביחס הפוך לטמפרטורה המוחלטת.
מכיוון שמספר החלקיקים במערכת גדול, הריכוז cNלא נוח לשימוש בעת ביצוע חישובים מעשיים. במקום זאת, הריכוז הטוחני c משמש לעתים קרובות יותר. הוא מוגדר עבור גז אידיאלי באופן הבא:
c=n/V=P/(R T).
בעיה לדוגמה
יש צורך לחשב את הריכוז המולרי של מולקולות חמצן באוויר בתנאים רגילים.
כדי לפתור בעיה זו, זכור שהאוויר מכיל 21% חמצן. בהתאם לחוק דלתון, חמצן יוצר לחץ חלקי של 0.21P0, כאשר P0=101325 Pa (אטמוספרה אחת). תנאים רגילים מניחים גם טמפרטורה של 0 oC(273.15 K).
אנחנו יודעים את כל הפרמטרים הדרושים כדי לחשב את הריכוז המולארי של חמצן באוויר. אנחנו מקבלים:
c(O2)=P/(R T)=0.21101325/(8.314273, 15)=9.37 mol/m3.
אם ריכוז זה מצטמצם לנפח של 1 ליטר, נקבל את הערך 0.009 מול/ליטר.
כדי להבין כמה מולקולות O2 מכילות 1 ליטר אוויר, הכפלו את הריכוז המחושב במספר NA. לאחר השלמת הליך זה, נקבל ערך עצום: N(O2)=5, 641021molecules.
