Como determinar a massa molar média de ar

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Como identificar a massa molar de ar: definições dos termos "massa molar" e "mistura de gases"

O termo "massa molar" pertence, sem dúvida, ao grupo de termos científicos cujo conhecimento é absolutamente necessário para cada aluno instruído. De fato, alguns graduandos consideram que a química moderna não encontra aplicação em diferentes esferas da vida mundana que não têm estreita interconexão com várias disciplinas científicas, como bioquímica moderna, química colóide, sonoquímica ultra-sônica, radioquímica ou estereoquímica. Sem dúvida, essa opinião precipitada é totalmente incorreta e, se é permitido dizer, até mesmo ignorante. Portanto, um dos propósitos primordiais de todo professor moderno é demonstrar aos alunos que o profundo conhecimento da química não é apenas útil, mas também absolutamente necessário na vida mundana. Normalmente, os pedagogos resolvem este importante problema usando diferentes atribuições que permitem aos alunos compreender e assimilar toda a beleza e elegância da moderna teoria química, tais como vários relatórios literários, ensaios sobre a história da química e / ou artes herméticas desde o seu início, ensaios pessoais sobre as principais invenções e descobertas na esfera da química moderna, etc. Naturalmente, essa abordagem pedagógica tem seus próprios sucessos significativos. Na verdade, um ensaio literário interessante, abrangente e divertido sobre alguns desses temas pode ter um impacto educacional maior sobre os alunos do que longas e tediosas horas de palestras chatas. No entanto, um professor moderno não precisa negligenciar uma oportunidade bastante promissora de combinar tarefas práticas e teóricas, a fim de demonstrar aos alunos de graduação vários exemplos da aplicação da química moderna do ponto de vista prático. Assim, vamos começar com a definição dos termos "massa molar" e "mistura de gases" com o intuito de fornecer aos leitores uma terminologia química primordial antes das tarefas práticas.

Em química, a massa molar (M) é uma propriedade física, que é designada como a massa de uma dada substância específica dividida pela quantidade da substância. Também deve ser notado que pelo termo "substância" entendemos um elemento químico específico ou um composto químico. Atualmente, a unidade primária do SI para o termo "massa molar" é kg / mol. No entanto, esta unidade nem sempre é adequada para as nossas necessidades. Por exemplo, é uma tarefa bastante sofisticada calcular a massa molar do composto, cuja massa se encontra na faixa de alguns gramas ou mesmo miligramas. Assim, por razões práticas e históricas, a massa molar pode ser expressa em g / mol. Naturalmente, a moderna metodologia de tese postula que todos os termos e medidas em todos os artigos cientificamente orientados, relatórios e documentos oficiais devem ser expressos nas unidades SI apropriadas. No entanto, não se deve ter medo de usar unidades "g / mol" a fim de simplificar cálculos super sofisticados, porque todas essas unidades expressam corretamente o sentido físico do termo "massa molar".

Do ponto de vista prático, a massa molar é uma razão entre a massa do material e o número de moles da substância. Para elementos químicos individuais, a massa molar é a massa de um mole dos átomos individuais (íons) do elemento. Neste caso, a massa molar do elemento, expressa em g / mol, é numericamente igual à massa molecular do elemento, expressa em a. e. m. (unidades de massa atômica). No entanto, os estudantes têm que entender claramente que existe uma diferença significativa entre a massa molar e o peso molecular. Deve-se lembrar sempre que essas unidades são iguais apenas numericamente e que elas diferem consideravelmente em dimensões. A massa molar está também intimamente associada com o termo "massa molar relativa" (Mr), o peso da fórmula do termo mais velho (F.W.). O peso molecular (M.W.) e o peso da fórmula (F.W.) são termos mais antigos para o que agora é mais corretamente chamado de massa molar relativa (Mr). Esta é uma quantidade adimensional (um número puro, sem unidades) igual à massa molar que é dividida pela constante de massa molar.

Do ponto de vista científico, o ar é uma mistura natural de gases (principalmente nitrogênio e oxigênio - na quantidade de 98-99%, assim como argônio, dióxido de carbono, vapor de água, hidrogênio), que forma o Atmosfera da Terra. Naturalmente, a composição do ar pode variar significativamente de acordo com a localização geográfica do território. Por exemplo, nas grandes cidades, o teor de dióxido de carbono é mais alto do que nas florestas devido à enorme poluição do ar. De fato, nos diferentes cantos do globo, a composição do ar pode variar entre 1-3% de cada gás. Assim, a massa molar média do ar também pode diferir em diversas regiões do planeta de acordo com as condições físicas de cada região (altitude, latitude, temperatura, umidade relativa e absoluta do ar, etc.). No entanto, em um experimento virtual padrão, que visa a determinação da massa molar média do ar, os estudantes podem usar a proporção comum de gases, a fim de alcançar uma precisão aceitável. A massa molar média da mistura de gases pode ser calculada usando as massas molares dos componentes individuais da mistura de gases e suas frações de volume.

Como identificar a massa molar do ar: recomendações teóricas e experiências demonstrativas

Como foi mencionado anteriormente, a massa molar média de cada mistura específica de gás pode ser identificada examinando-se as proporções das massas molares de seus componentes individuais. Portanto, um pedagogo circunspecto pode usar duas abordagens completamente diferentes para o tópico "a massa molar do ar": palestras teóricas puras juntamente com vários experimentos virtuais ou experimentos práticos. Ambos os métodos podem levar a resultados bastante satisfatórios do ponto de vista pedagógico. O método teórico tem uma ampla gama de diferentes vantagens especiais. É absolutamente seguro para todos os participantes do experimento, independentemente de sua experiência laboratorial previamente obtida, demonstrativa e de economia de tempo. No entanto, a técnica educacional prática é muito melhor em termos de clareza e inteligibilidade, pois permite que os alunos de graduação participem do experimento, obtenham uma experiência prática inestimável e entendam todos os aspectos significativos e as nuances importantes do experimento. Portanto, é possível alcançar os melhores resultados educacionais combinando essas técnicas educacionais com o objetivo de examinar o problema de todos os lados possíveis: tanto teóricos quanto práticos.

Primeiramente, precisamos determinar o erro de cálculo permitido. Se não precisarmos de alta precisão em nossos cálculos, podemos limitar os elementos do estudo a apenas três dos elementos mais "pesados" do ar: o gás nitrogênio, o oxigênio e o argônio. Assim, podemos usar os valores "arredondados" de suas concentrações para obter a simplicidade e visibilidade desejáveis ​​de nossos cálculos da massa molar média de ar. Além disso, podemos verificar todos os resultados, que foram obtidos durante nossos experimentos, usando as tabelas padrão que demonstram aos alunos a proporção de vários gases que formam a mistura, que é comumente conhecida como "ar". Durante a redação, também podemos comparar os resultados de nossos cálculos para corrigir todos os erros grosseiros, identificar erros nos cálculos e enfatizar os pontos-chave mais significativos de nosso experimento virtual. Naturalmente, se precisarmos de resultados mais precisos, podemos usar nos cálculos outros gases do ar, como dióxido de carbono, argônio, néon, xenônio, etc. Em segundo lugar, devemos determinar os pesos moleculares desses componentes e sua concentração no meio ambiente. massa de ar. Aqui está uma lista concisa dessas características que são necessárias para nossos experimentos virtuais:

  • Nitrogênio (N2). O peso molecular do nitrogênio é de 28 g / mol e a concentração de nitrogênio em massa é de 75,50%.
  • Oxigênio (O2). O peso molecular do oxigênio é de 32 g / mol e a concentração de oxigênio é de 23,15%.
  • Argon (Ar). O peso molecular do argônio é 40 g / mol e sua concentração de massa é de 1,29%.

Com o objetivo de facilitar significativamente nossos cálculos, podemos arredondar os valores de concentração: nitrogênio até 76%; oxigênio até 23% e argônio até 1,3%. Em terceiro lugar, temos que realizar cálculos elementares para identificar a massa molar média do ar. Temos que multiplicar o peso molecular de cada gás e sua concentração em massa e depois adicionar os resultados. Aqui está uma equação primitiva que descreve este processo: 28x0,76 + 32x0,23 + 40x0, 013 = 29,16 g / mol. Como podemos ver, os resultados, obtidos durante nossos cálculos, estão muito próximos do valor da massa molar média de ar que está listada em diferentes compêndios e diretórios químicos: 28,98 g / mol. Além disso, podemos interpretar todas as discrepâncias como os resultados do arredondamento realizado anteriormente. Finalmente, temos que compor uma proposta de pesquisa padrão, que contém todos os detalhes importantes sobre todos os estágios de nosso experimento virtual, resultados que foram recebidos durante nossos cálculos, conclusões e interpretações dos dados recebidos.

Alternativamente, podemos determinar a massa molar média de ar usando um experimento de laboratório clássico e bastante simples. Para este experimento, precisaremos de balanças de laboratório precisas, frasco de fundo redondo com junta de aterramento e guindaste, a bomba de vácuo padrão, o manômetro com duas válvulas e mangueiras de conexão, termômetro. Em primeiro lugar, medir a massa do frasco, que, obviamente, contém o ar no interior. Registre os resultados obtidos. Em segundo lugar, evacue o ar do frasco usando a bomba. Aguarde alguns minutos para que o ar no frasco seja aquecido até a temperatura ambiente. Registre o manômetro e o termômetro. Em terceiro lugar, fechando a válvula no bulbo, desconecte a mangueira do medidor e pese o frasco com a nova quantidade (reduzida) de ar. Registre os resultados obtidos. Finalmente, verifique novamente todos os resultados com um olho para evitar erros indesejáveis ​​em outros cálculos. Usando a equação da lei dos gases ideais e nossos resultados, podemos calcular a massa molar média do ar. Devido ao nosso experimento, sabemos tanto a mudança na pressão do ar (ΔP) quanto a mudança da massa de ar (ΔM). De acordo com a equação: m = ∆MRT / ∆PV. Após uma série de cálculos simples, podemos determinar a massa molar média do ar. Naturalmente, seus resultados podem diferir daqueles listados em vários diretórios. Nesse caso, você deve examinar todos os estágios de seu experimento atentamente para encontrar todos os erros metodológicos ou possíveis erros nos cálculos realizados anteriormente.

As primeiras tentativas de determinar a massa molar média de ar: as obras de Lavoisier

Na verdade, Antoine-Laurent de Lavoisier foram os primeiros cientistas que abordaram o entendimento da composição do ar. Atualmente, praticamente todos os exemplos de teses de orientação histórica, dedicados a esse tema, reconhecem sua primazia nessa esfera da ciência. Lavoisier provou que o processo de queima da substância não é liberado do composto. Além disso, ele demonstrou que durante o processo de queima algum componente específico do ar associado com a substância dada. Esta descoberta abriu o caminho para o sucesso futuro de Lavoisier. Através de análise e síntese, ele mostrou que o ar é uma mistura de dois gases: o primeiro deles é o gás que mantém o processo de queima ("ar saudável (salubre)") e o segundo gás inativo, que não participa deste gás. reação química ('insalubre (moffett) ar'). Hoje em dia, chamamos esses gases de oxigênio ("ar saudável (salubre)") e nitrogênio ("ar insalubre (moffett)"). Portanto, podemos admitir que Antoine-Laurent de Lavoisier é o primeiro químico que conseguiu identificar uma relação de peso dos gases do ar. Obviamente, praticamente todos os métodos modernos, que visam a identificação e verificação da massa molar do ar, são baseados nos princípios e teorias que diferem significativamente das teorias químicas usadas por Lavoisier. No entanto, seus experimentos e postulados eram de extrema prioridade para a ciência química de seu tempo.

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