Como sabes, las moléculas y los átomos que componen los objetos que nos rodean son muy pequeños. Para realizar cálculos durante reacciones químicas, así como para analizar el comportamiento de una mezcla de componentes que no interactúan en líquidos y gases, se utiliza el concepto de fracciones molares. En este artículo se explica qué son y cómo se pueden utilizar para obtener las cantidades físicas macroscópicas de una mezcla.
Número de Avogadro
A principios del siglo XX, mientras realizaba experimentos con mezclas de gases, el científico francés Jean Perrin midió el número de moléculas H2 contenidas en 1 gramo de este gas. Este número resultó ser enorme (60221023). Dado que es extremadamente inconveniente realizar cálculos con tales cifras, Perrin propuso un nombre para este valor: el número de Avogadro. Este nombre fue elegido en honor al científico italiano de principios del siglo XIX, Amedeo Avogadro, quien, como Perrin, estudió mezclas de gases e incluso fue capaz de formularpara ellos, la ley que actualmente lleva su apellido.
El número de Avogadro es actualmente muy utilizado en el estudio de diversas sustancias. Vincula características macroscópicas y microscópicas.
Cantidad de sustancia y masa molar
En los años 60, la Cámara Internacional de Pesos y Medidas introdujo la séptima unidad de medida básica en el sistema de unidades físicas (SI). Se convirtió en polilla. El mol muestra el número de elementos que componen el sistema en cuestión. Un mol es igual al número de Avogadro.
La masa molar es el peso de un mol de una sustancia determinada. Se mide en gramos por mol. La masa molar es una cantidad aditiva, es decir, para determinarla para un determinado compuesto químico, es necesario sumar las masas molares de los elementos químicos que componen dicho compuesto. Por ejemplo, la masa molar del metano (CH4) es:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Es decir, 1 mol de moléculas de metano tendrá una masa de 16 gramos.
Concepto de fracción molar
Las sustancias puras son raras en la naturaleza. Por ejemplo, varias impurezas (sales) siempre se disuelven en agua; El aire de nuestro planeta es una mezcla de gases. En otras palabras, cualquier sustancia en estado líquido y gaseoso es una mezcla de varios elementos. La fracción molar es un valor que muestra qué parte del equivalente molar ocupa uno u otro componente enmezclas Si la cantidad de sustancia de toda la mezcla se denota como n, y la cantidad de sustancia del componente i se denota como ni, entonces se puede escribir la siguiente ecuación:
xi=ni / n.
Aquí xi es la fracción molar del componente i para esta mezcla. Como puede verse, esta cantidad es adimensional. Para todos los componentes de la mezcla, la suma de sus fracciones molares se expresa mediante la siguiente fórmula:
∑i(xi)=1.
Obtener esta fórmula no es difícil. Para hacer esto, simplemente sustituya la expresión anterior por xi.
en ella
Interés atómico
Al resolver problemas de química, a menudo los valores iniciales se dan en porcentaje atómico. Por ejemplo, en una mezcla de oxígeno e hidrógeno, este último tiene un 60% atómico. Esto significa que de 10 moléculas en la mezcla, 6 corresponderán a hidrógeno. Dado que la fracción molar es la relación entre el número de átomos componentes y su número total, los porcentajes atómicos son sinónimos del concepto en cuestión.
La conversión de acciones en porcentajes atómicos se realiza simplemente incrementándolas en dos órdenes de magnitud. Por ejemplo, 0,21 fracción molar de oxígeno en el aire corresponde a 21% atómico
Gas ideal
El concepto de fracciones molares se usa a menudo para resolver problemas con mezclas de gases. La mayoría de los gases en condiciones normales (temperatura 300 K y presión 1 atm.) son ideales. Esto significa que los átomos y las moléculas que componen el gas se encuentran a una gran distancia entre sí y no interactúan entre sí.
Para gases ideales, la siguiente ecuación de estado es válida:
PV=norteRT.
Aquí P, V y T son tres características termodinámicas macroscópicas: presión, volumen y temperatura respectivamente. El valor R=8, 314 J / (Kmol) es una constante para todos los gases, n es el número de partículas en moles, es decir, la cantidad de sustancia.
La ecuación de estado muestra cómo cambiará una de las tres características macroscópicas del gas (P, V o T) si se fija la segunda y se cambia la tercera. Por ejemplo, a una temperatura constante, la presión será inversamente proporcional al volumen del gas (ley de Boyle-Mariotte).
Lo más destacable de la fórmula escrita es que no tiene en cuenta la naturaleza química de las moléculas y átomos del gas, es decir, es válida tanto para gases puros como para sus mezclas.
Ley de D alton y presión parcial
¿Cómo calcular la fracción molar de un gas en una mezcla? Para hacer esto, es suficiente conocer el número total de partículas y su número para el componente en consideración. Sin embargo, puedes hacer lo contrario.
La fracción molar de un gas en una mezcla se puede encontrar conociendo su presión parcial. Esta última se entiende como la presión que crearía un determinado componente de la mezcla de gases si fuera posible eliminar todos los demás componentes. Si designamos la presión parcial del i-ésimo componente como Pi, y la presión de toda la mezcla como P, entonces la fórmula para la fracción molar de este componente tomará la forma:
xi=Pi / P.
Porque la cantidadde todo xi es igual a uno, entonces podemos escribir la siguiente expresión:
∑i(Pi / P)=1, por lo tanto ∑i (Pi)=P.
La última igualdad se llama la ley de D alton, que lleva el nombre del científico británico de principios del siglo XIX, John D alton.
La ley de presión parcial o ley de D alton es una consecuencia directa de la ecuación de estado de los gases ideales. Si los átomos o las moléculas de un gas comienzan a interactuar entre sí (esto sucede a altas temperaturas y altas presiones), entonces la ley de D alton es injusta. En este último caso, para calcular las fracciones molares de los componentes, es necesario utilizar la fórmula en términos de cantidad de sustancia y no en términos de presión parcial.
Aire como mezcla de gases
Habiendo considerado la cuestión de cómo encontrar la fracción molar de un componente en una mezcla, resolvemos el siguiente problema: calcular los valores xi y P i para cada componente en el aire.
Si consideramos el aire seco, entonces consta de los siguientes 4 componentes de gas:
- nitrógeno (78,09%);
- oxígeno (20,95%);
- argón (0,93%);
- gas de dióxido de carbono (0,04%).
A partir de estos datos, las fracciones molares de cada gas son muy fáciles de calcular. Para ello, basta con presentar los porcentajes en términos relativos, como se menciona más arriba en el artículo. Entonces obtenemos:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Presión parcialcalculamos estos componentes del aire, dado que la presión atmosférica al nivel del mar es 101 325 Pa o 1 atm. Entonces obtenemos:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Estos datos significan que si elimina todo el oxígeno y otros gases de la atmósfera y deja solo nitrógeno, la presión caerá un 22%.
Conocer la presión parcial de oxígeno juega un papel vital para las personas que bucean bajo el agua. Entonces, si es menos de 0.16 atm., entonces la persona pierde el conocimiento instantáneamente. Por el contrario, la presión parcial de oxígeno supera la marca de 1,6 atm. conduce al envenenamiento con este gas, que se acompaña de convulsiones. Por lo tanto, una presión parcial de oxígeno segura para la vida humana debe estar entre 0,16 y 1,6 atm.
