Gesi ina utendakazi wa juu ikilinganishwa na miili ya kioevu na dhabiti kutokana na eneo kubwa la uso wake amilifu na nishati ya juu ya kinetiki ya chembe zinazounda mfumo. Katika kesi hiyo, shughuli za kemikali za gesi, shinikizo lake na vigezo vingine hutegemea mkusanyiko wa molekuli. Hebu tuzingatie katika makala haya thamani hii ni nini na jinsi inavyoweza kuhesabiwa.
Tunazungumzia gesi gani?
Makala haya yatazingatia zile zinazoitwa gesi bora. Wanapuuza ukubwa wa chembe na mwingiliano kati yao. Mchakato pekee unaotokea katika gesi bora ni migongano ya elastic kati ya chembe na kuta za chombo. Matokeo ya migongano hii ni shinikizo kabisa.
Gesi yoyote halisi hukaribia sifa zake ikiwa shinikizo au msongamano wake umepunguzwa na halijoto yake kamili ikiongezwa. Walakini, kuna kemikali ambazo, hata kwa msongamano wa chini na juujoto ni mbali na gesi bora. Mfano wa kushangaza na unaojulikana wa dutu kama hiyo ni mvuke wa maji. Ukweli ni kwamba molekuli zake (H2O) ni polar sana (oksijeni huvuta msongamano wa elektroni kutoka kwa atomi za hidrojeni). Polarity husababisha mwingiliano mkubwa wa kielektroniki kati yao, ambao ni ukiukaji mkubwa wa dhana ya gesi bora.
sheria ya jumla ya Clapeyron-Mendeleev
Ili kuweza kukokotoa mkusanyiko wa molekuli za gesi bora, mtu anapaswa kufahamiana na sheria inayofafanua hali ya mfumo wowote bora wa gesi, bila kujali muundo wake wa kemikali. Sheria hii ina majina ya Mfaransa Emile Clapeyron na mwanasayansi wa Urusi Dmitri Mendeleev. Mlinganyo unaolingana ni:
PV=nRT.
Usawa unasema kuwa bidhaa ya shinikizo la P na ujazo wa V lazima iwe sawia moja kwa moja na bidhaa ya halijoto kamili T na kiasi cha dutu n kwa gesi bora. Hapa R ni mgawo wa uwiano, ambayo inaitwa mara kwa mara ya gesi ya ulimwengu wote. Inaonyesha kiasi cha kazi ambacho mol 1 ya gesi hufanya kama matokeo ya upanuzi ikiwa inapokanzwa kwa 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Mkusanyiko wa molekuli na hesabu yake
Kulingana na ufafanuzi, mkusanyiko wa atomi au molekuli inaeleweka kama idadi ya chembe katika mfumo, ambayo huanguka kwa kila kitengo cha ujazo. Kwa hisabati, unaweza kuandika:
cN=N/V.
Ambapo N ni jumla ya idadi ya chembe katika mfumo.
Kabla ya kuandika fomula ya kubainisha mkusanyiko wa molekuli za gesi, hebu tukumbuke ufafanuzi wa kiasi cha dutu n na usemi unaohusiana na thamani ya R hadi kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Kwa kutumia usawa huu, tunaeleza uwiano wa N/V kutoka kwa mlingano wa jumla wa hali:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Kwa hivyo tumepata fomula ya kubainisha mkusanyiko wa chembe katika gesi. Kama unavyoona, inalingana moja kwa moja na shinikizo katika mfumo na inawiana kinyume na halijoto kamili.
Kwa kuwa idadi ya chembe kwenye mfumo ni kubwa, ukolezi cNsio rahisi kutumia wakati wa kukokotoa kwa vitendo. Badala yake, ukolezi wa molar c hutumika mara nyingi zaidi. Inafafanuliwa kwa gesi bora kama ifuatavyo:
c=n/V=P/(R T).
Tatizo la mfano
Ni muhimu kukokotoa mkusanyiko wa molar ya molekuli za oksijeni hewani katika hali ya kawaida.
Ili kutatua tatizo hili, kumbuka kuwa hewa ina oksijeni 21%. Kwa mujibu wa sheria ya D alton, oksijeni huunda shinikizo la kiasi la 0.21P0, ambapo P0=101325 Pa (angahewa moja). Hali ya kawaida pia huchukua halijoto ya 0 oC(273.15 K).
Tunajua vigezo vyote muhimu ili kukokotoa mkusanyiko wa oksijeni kwenye oksijeni hewani. Tunapata:
c(O2)=P/(R T)=0.21101325/(8.314273, 15)=9.37 mol/m3.
Kama mkusanyiko huu umepunguzwa hadi ujazo wa lita 1, basi tunapata thamani 0.009 mol/L.
Ili kuelewa ni molekuli ngapi za O2 zilizomo katika lita 1 ya hewa, zidisha ukolezi uliokokotwa kwa nambari NA. Baada ya kukamilisha utaratibu huu, tunapata thamani kubwa: N(O2)=5, 641021molekuli.
