Como você sabe, as moléculas e átomos que compõem os objetos ao nosso redor são muito pequenos. Para realizar cálculos durante reações químicas, bem como para analisar o comportamento de uma mistura de componentes não interagentes em líquidos e gases, é utilizado o conceito de frações molares. O que são e como podem ser usados para obter as quantidades físicas macroscópicas de uma mistura é discutido neste artigo.
Número de Avogadro
No início do século 20, ao realizar experimentos com misturas de gases, o cientista francês Jean Perrin mediu o número de moléculas de H2 contidas em 1 grama desse gás. Esse número acabou sendo um número enorme (6.0221023). Como é extremamente inconveniente realizar cálculos com esses números, Perrin propôs um nome para esse valor - número de Avogadro. Este nome foi escolhido em homenagem ao cientista italiano do início do século XIX, Amedeo Avogadro, que, como Perrin, estudou misturas de gases e foi capaz até de formularpara eles, a lei que atualmente leva seu sobrenome.
O número de Avogadro é atualmente amplamente utilizado no estudo de várias substâncias. Liga características macroscópicas e microscópicas.
Quantidade de substância e massa molar
Na década de 60, a Câmara Internacional de Pesos e Medidas introduziu a sétima unidade básica de medida no sistema de unidades físicas (SI). Tornou-se uma mariposa. O mol mostra o número de elementos que compõem o sistema em questão. Um mol é igual ao número de Avogadro.
massa molar é o peso de um mol de uma dada substância. É medido em gramas por mol. A massa molar é uma quantidade aditiva, ou seja, para determiná-la para um determinado composto químico, é necessário somar as massas molares dos elementos químicos que compõem esse composto. Por exemplo, a massa molar do metano (CH4) é:
MCH4=MC + 4MH=12 + 41=16 g/mol.
Ou seja, 1 mol de moléculas de metano terá uma massa de 16 gramas.
Conceito de fração molar
Substâncias puras são raras na natureza. Por exemplo, várias impurezas (sais) são sempre dissolvidas em água; O ar do nosso planeta é uma mistura de gases. Em outras palavras, qualquer substância no estado líquido e gasoso é uma mistura de vários elementos. A fração molar é um valor que mostra qual parte em equivalente molar é ocupada por um ou outro componente emmisturas. Se a quantidade da substância de toda a mistura é denotada como n, e a quantidade da substância do componente i é denotada como ni, então a seguinte equação pode ser escrita:
xi=ni / n.
Aqui xi é a fração molar do componente i para esta mistura. Como pode ser visto, esta quantidade é adimensional. Para todos os componentes da mistura, a soma de suas frações molares é expressa pela fórmula a seguir:
∑i(xi)=1.
Obter esta fórmula não é difícil. Para fazer isso, basta substituir a expressão anterior por xi.
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Juros atômicos
Ao resolver problemas de química, muitas vezes os valores iniciais são dados em porcentagem atômica. Por exemplo, em uma mistura de oxigênio e hidrogênio, o último é de 60% atômica. Isso significa que de 10 moléculas na mistura, 6 corresponderão ao hidrogênio. Como a fração molar é a razão entre o número de átomos componentes e seu número total, as porcentagens atômicas são sinônimos do conceito em questão.
A conversão de ações em porcentagens atômicas é feita simplesmente aumentando-as em duas ordens de grandeza. Por exemplo, uma fração molar de oxigênio no ar corresponde a 21% atômica.
Gás Ideal
O conceito de frações molares é frequentemente usado na resolução de problemas com misturas gasosas. A maioria dos gases em condições normais (temperatura 300 K e pressão 1 atm.) São ideais. Isso significa que os átomos e moléculas que compõem o gás estão a uma grande distância um do outro e não interagem entre si.
Para gases ideais, a seguinte equação de estado é válida:
PV=nRT.
Aqui P, V e T são três características termodinâmicas macroscópicas: pressão, volume e temperatura, respectivamente. O valor R=8, 314 J / (Kmol) é uma constante para todos os gases, n é o número de partículas em mols, ou seja, a quantidade de substância.
A equação de estado mostra como uma das três características macroscópicas do gás (P, V ou T) mudará se a segunda delas for fixa e a terceira for alterada. Por exemplo, a uma temperatura constante, a pressão será inversamente proporcional ao volume do gás (lei de Boyle-Mariotte).
O mais notável da fórmula escrita é que ela não leva em consideração a natureza química das moléculas e átomos do gás, ou seja, é válida tanto para gases puros quanto para suas misturas.
Lei de D alton e pressão parcial
Como calcular a fração molar de um gás em uma mistura? Para fazer isso, é suficiente conhecer o número total de partículas e seu número para o componente em consideração. No entanto, você pode fazer o contrário.
A fração molar de um gás em uma mistura pode ser encontrada conhecendo sua pressão parcial. Este último é entendido como a pressão que um determinado componente da mistura gasosa criaria se fosse possível remover todos os outros componentes. Se designarmos a pressão parcial do i-ésimo componente como Pi, e a pressão de toda a mistura como P, então a fórmula para a fração molar desse componente assumirá a forma:
xi=Pi / P.
Porque a quantidadede todo xi é igual a um, então podemos escrever a seguinte expressão:
∑i(Pi / P)=1, portanto ∑i (Pi)=P.
A última igualdade é chamada de lei de D alton, que recebeu esse nome em homenagem ao cientista britânico do início do século 19, John D alton.
A lei da pressão parcial ou lei de D alton é uma consequência direta da equação de estado para gases ideais. Se átomos ou moléculas em um gás começam a interagir uns com os outros (isso acontece em altas temperaturas e alta pressão), então a lei de D alton é injusta. Neste último caso, para calcular as frações molares dos componentes, é necessário usar a fórmula em termos de quantidade de substância, e não em termos de pressão parcial.
Ar como mistura gasosa
Tendo considerado a questão de como encontrar a fração molar de um componente em uma mistura, resolvemos o seguinte problema: calcular os valores xi e P i para cada componente no ar.
Se considerarmos o ar seco, ele consiste nos seguintes 4 componentes de gás:
- nitrogênio (78,09%);
- oxigênio (20,95%);
- argônio (0,93%);
- gás de dióxido de carbono (0,04%).
A partir desses dados, as frações molares para cada gás são muito fáceis de calcular. Para isso, basta apresentar os percentuais em termos relativos, conforme mencionado acima no artigo. Então temos:
xN2=0, 7809;
xO2=0, 2095;
xAr=0, 0093;
xCO2=0, 0004.
Pressão parcialcalculamos esses componentes do ar, dado que a pressão atmosférica ao nível do mar é 101 325 Pa ou 1 atm. Então temos:
PN2=xN2 P=0,7809 atm.;
PO2=xO2 P=0, 2095 atm.;
PAr=xAr P=0,0093 atm.;
PCO2=xCO2 P=0,0004 atm.
Esses dados significam que se você remover todo o oxigênio e outros gases da atmosfera e deixar apenas nitrogênio, a pressão cairá 22%.
Conhecer a pressão parcial do oxigênio desempenha um papel vital para as pessoas que mergulham debaixo d'água. Portanto, se for inferior a 0,16 atm., a pessoa perde instantaneamente a consciência. Pelo contrário, a pressão parcial de oxigênio excede a marca de 1,6 atm. leva ao envenenamento com este gás, que é acompanhado por convulsões. Assim, uma pressão parcial segura de oxigênio para a vida humana deve estar dentro de 0,16 - 1,6 atm.
