Газ володіє високою реакційною здатністю порівняно з рідкими і твердими тілами через велику площі його активної поверхні і високої кінетичної енергії утворюють систему частинок. При цьому хімічна активність газу, його тиск і деякі інші параметри залежать від концентрації молекул. Розглянемо в цій статті, що це за величина і як її можна обчислити.
Про який газ піде мова?
У даній статті будуть розглянуті так звані ідеальні гази. У них нехтують розмірами частинок і взаємодією між ними. Єдиним процесом, який відбувається в ідеальних газах, є пружні зіткнення між частинками і стінками судини. Результатом цих зіткнень є виникнення абсолютного тиску.
Будь-який реальний газ наближається за своїми властивостями до ідеального, якщо зменшувати його тиск або щільність і збільшувати абсолютну температуру. Тим не менше, існують хімічні речовини, які навіть при низьких густинах і високих температурах далекі від ідеального газу. Яскравим і всім відомим прикладом такої речовини є водяна пара. Справа в тому, що його молекули (H2O) є сильно полярними (кисень відтягує на себе електронну густину від атомів водню). Полярність призводить до появи істотного електростатичної взаємодії між ними, що є грубим порушенням концепції ідеального газу.
Універсальний закон Клапейрона-Менделєєва
Щоб вміти розраховувати концентрацію молекул ідеального газу, слід познайомитися з законом, який описує стан будь ідеальної газової системи незалежно від її хімічного складу. Цей закон носить прізвище француза Еміля Клапейрона і російського вченого Дмитра Менделєєва. Відповідне рівняння має вигляд:
P*V = n*R*T.
Рівність говорить про те, що твір тиску P на об’єм V завжди для ідеального газу має бути прямо пропорційно добутку абсолютної температури T на кількість речовини n. Тут R – це коефіцієнт пропорційності, який отримав назву універсальної газової сталої. Вона показує величину роботи, яку 1 моль газу виконує в результаті розширення, якщо його на 1 К нагріти (R=8,314 Дж/(моль*К)).
Концентрація молекул і її обчислення
Згідно з визначенням під концентрацією атомів або молекул розуміють кількість частинок в системі, яка припадає на одиницю об’єму. Математично можна записати:
cN = N/V.
Де N – загальне число частинок в системі.
Перш ніж записати формулу для визначення концентрації молекул газу, згадаємо визначення кількості речовини n і вираз, що пов’язує величину R з постійної Больцмана kB:
n = N/NA;
kB = R/NA.
Використовуючи ці рівності, виразимо відношення N/V з універсального рівняння стану:
P*V = n*R*T =>
P*V = N/NA*R*T = N*kB*T =>
cN = N/V = P/(kB*T).
Таким чином ми отримали формулу для визначення концентрації частинок в газі. Як видно, вона прямо пропорційно залежить від тиску в системі і обернено пропорційно від абсолютної температури.
Оскільки кількість частинок в системі велике, то концентрацією cN користуватися незручно при виконанні практичних розрахунків. Замість неї частіше використовують молярную концентрацію cn. Вона для ідеального газу визначається так:
cn = n/V = P/(R *T).
Приклад завдання
Необхідно розрахувати молярную концентрацію молекул кисню в повітрі при нормальних умовах.
Для вирішення цієї задачі згадаймо, що в повітрі міститься 21 % кисню. У відповідності з законом Дальтона кисень створює парціальний тиск 0,21*P0, де P0 = 101325 Па (одна атмосфера). Нормальні умови передбачають температуру 0 oC (273,15 К).
Ми знаємо всі необхідні параметри для обчислення молярної концентрації кисню в повітрі. Отримуємо:
cn(O2) = P/(R *T) = 0,21*101325/(8,314*273,15) = 9,37 моль/м3.
Якщо цю концентрацію призвести до об’єму 1 літр, то ми отримаємо значення 0,009 моль/л.
Щоб зрозуміти, скільки молекул O2 міститься в 1 літрі повітря, слід помножити розраховану концентрацію на число NA. Виконавши цю процедуру, отримаємо величезне значення: N(O2) = 5,64*1021 молекул.
