OBJĘTOŚĆ MOLOWA: KONCEPCJA I WZÓR, OBLICZENIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Objętość molowa jest intensywne właściwość, która wskazuje, jak dużo miejsca zajmuje jeden mol substancji określonego, lub związku. Jest reprezentowany przez symbol V _m i jest wyrażany w jednostkach dm ³ / mol dla gazów i cm ³ / mol dla cieczy i ciał stałych, ponieważ te ostatnie są bardziej ograniczone przez ich większe siły międzycząsteczkowe.

Ta właściwość powtarza się podczas badania układów termodynamicznych zawierających gazy; ponieważ dla cieczy i ciał stałych równania do wyznaczenia V _m stają się bardziej skomplikowane i niedokładne. Dlatego, jeśli chodzi o kursy podstawowe, objętość molowa jest zawsze związana z teorią gazu doskonałego.

Objętość cząsteczki etylenu jest ograniczona powierzchownie przez zieloną elipsoidę i liczbę Avogadro pomnożoną przez tę ilość. Źródło: Gabriel Bolívar.

Wynika to z faktu, że aspekty strukturalne nie mają znaczenia dla gazów idealnych lub doskonałych; wszystkie jego cząsteczki są wizualizowane jako kule, które elastycznie zderzają się ze sobą i zachowują się tak samo bez względu na ich masę lub właściwości.

Jest to przypadek, jeden mol dowolnego gazu idealnego zajmie w danym ciśnienia i temperatury, taką samą objętość V _m . Mówi się wtedy, że w normalnych warunkach odpowiednio P i T, 1 atm i 0 ºC, jeden mol gazu doskonałego zajmie objętość 22,4 litra. Ta wartość jest przydatna i przybliżona nawet przy ocenie gazów rzeczywistych.

Koncepcja i formuła

Do gazów

Bezpośredni wzór do obliczenia objętości molowej gatunku to:

V _m = V / n

Gdzie V jest objętością, którą zajmuje, an jest liczbą gatunków w molach. Problem polega na tym, że V _m zależy od ciśnienia i temperatury, których doświadczają cząsteczki, a my chcemy wyrażenia matematycznego, które uwzględni te zmienne.

Etylen na obrazie, H ₂ C = CH ₂ , ma powiązaną objętość cząsteczkową ograniczoną zieloną elipsoidą. To H ₂ C = CH ₂ może obracać się na wiele sposobów, co jest tak, jakby wspomniana elipsoida była przemieszczana w przestrzeni, aby wizualizować, jaką objętość zajmie (oczywiście nieistotna).

Jeśli jednak objętość takiej zielonej elipsoidy pomnożymy przez N _A , liczbę Avogadro, to mamy mol cząsteczek etylenu; jeden mol elipsoid oddziałujących ze sobą. W wyższych temperaturach cząsteczki oddzielą się od siebie; podczas gdy przy wyższym ciśnieniu będą się kurczyć i zmniejszać swoją objętość.

W związku z tym, V _m zależy od P i T. etylenowy ma płaską geometrię, a więc nie można uważać, że jego V _m jest to dokładnie tak samo, jak w przypadku metanu, CH ₄ , czworościennych geometrii i zdolny być reprezentowane za pomocą kuli, a nie elipsoidy.

Do cieczy i ciał stałych

Cząsteczki lub atomy cieczy i ciał stałych mają również własne V _m , które można z grubsza powiązać z ich gęstością:

V _m = m / (dn)

Temperatura wpływa na objętość molową cieczy i ciał stałych bardziej niż ciśnienie, o ile to ostatnie nie zmienia się gwałtownie lub jest wygórowane (rzędu GPa). Podobnie, jak wspomniano, z etylenem, geometria i struktury cząsteczkowej mają duży wpływ na V _m wartości .

Jednakże w normalnych warunkach obserwuje się, że gęstości różnych cieczy lub ciał stałych nie zmieniają się zbytnio pod względem ich wielkości; to samo dotyczy objętości molowych. Należy pamiętać, że są one gęstsze, tym mniejszy V _m będzie .

Jeśli chodzi o ciała stałe, ich objętość molowa zależy również od ich struktur krystalicznych (objętości ich komórki elementarnej).

Jak obliczyć objętość molową?

W przeciwieństwie do cieczy i ciał stałych, dla gazów doskonałych istnieje równanie, które pozwala obliczyć V _m jako funkcję P i T oraz ich zmian; to znaczy gazów doskonałych:

P = nRT / V

Który jest przystosowany do wyrażenia V / n:

V / n = RT / P

V _m = RT / P

Jeśli użyjemy stałej gazowej R = 0,082 L · atm · K ^-1 · mol ^-1 , to temperatury należy wyrazić w kelwinach (K), a ciśnienia w atmosferach. Zauważ, że tutaj widać, dlaczego V _m jest właściwością intensywną: T i P nie mają nic wspólnego z masą gazu, ale z jego objętością.

Obliczenia te są ważne tylko w warunkach, w których gazy zachowują się blisko ideału. Jednak wartości uzyskane eksperymentalnie mają niewielki margines błędu w stosunku do wartości teoretycznych.

Przykłady obliczania objętości molowej

Przykład 1

Y jest gaz o gęstości 8,5 x 10 ^-4 g / cm ³ . Jeśli masz 16 gramów, co odpowiada 0,92 molom Y, znajdź jego objętość molową.

Ze wzoru na gęstość możemy obliczyć, jaką objętość Y zajmują te 16 gramów:

V = 16 g / (8,5 · ^10–4 g / cm ³ )

= 18 823,52 cm ³ lub 18,82 l

Zatem V _m oblicza się bezpośrednio, dzieląc tę ​​objętość przez liczbę podanych moli:

V _m = 18,82 L / 0,92 mola

= 20,45 L / mol lub L mol ^-1 lub dm ³ mol ^-1

Ćwiczenie 2

W poprzednim przykładzie Y nigdy nie określono, jaką temperaturę doświadczają cząsteczki tego gazu. Zakładając, że Y pracował pod ciśnieniem atmosferycznym, obliczyć temperaturę wymaganą do ściśnięcia go do określonej objętości molowej.

Oświadczenie z ćwiczenia jest dłuższe niż jego uchwała. Używamy równania:

V _m = RT / P

Ale rozwiązujemy T i wiedząc, że ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 atm, rozwiązujemy:

T = V _m P / R

= (20,45 L / mol) (1 atm) / (0,082 L atm / K mol)

= 249,39 K

Oznacza to, że jeden mol Y zajmie 20,45 litra w temperaturze bliskiej -23,76 ° C.

Ćwiczenie 3

Postępując zgodnie z poprzednimi wynikami, określa V _m w temperaturze 0 ° C, 25 ° C, a w absolutnym zera pod ciśnieniem atmosferycznym.

Przekształcając temperatury na kelwinów, mamy najpierw 273,17 K, 298,15 K i 0 K.Rozwiązujemy bezpośrednio, podstawiając pierwszą i drugą temperaturę:

V _m = RT / P

= (0,082 L atm / K mol) (273,15 K) / 1 atm

= 22,40 l / mol (0 ºC)

= (0,082 L atm / K mol) (298,15 K) / 1 atm

= 24,45 l / mol (25ºC)

Na początku wspomniano o wartości 22,4 litra. Zwróć uwagę, jak V _m rośnie wraz z temperaturą. Kiedy chcemy wykonać te same obliczenia dla zera absolutnego, napotykamy trzecią zasadę termodynamiki:

(0,082 L atm / K mol) (0 K) / 1 atm

= 0 l / mol (-273,15 ºC)

Gaz Y nie może mieć nieistniejącej objętości molowej; oznacza to, że został on przekształcony w ciecz i poprzednie równanie nie jest już aktualne.

Z drugiej strony niemożność obliczenia V _m przy zera absolutnego jest zgodna z trzecią zasadą termodynamiki, która mówi, że nie można schłodzić żadnej substancji do temperatury zera absolutnego.

Bibliografia

1. Ira N. Levine. (2014). Zasady fizykochemii. Szósta edycja. Mc Graw Hill.
2. Glasstone. (1970). Traktat chemii fizycznej. Druga edycja. Aguilar.
3. Wikipedia. (2019). Objętość molowa. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (08 sierpnia 2019). Definicja objętości molowej w chemii. Odzyskany z: thinkco.com
5. BYJU. (2019). Formuła objętości molowej. Odzyskany z: byjus.com
6. González Monica. (28 października 2010). Objętość molowa. Odzyskany z: quimica.laguia2000.com