«Парциальное давление» в химии - это давление, которое каждый газ в газовой смеси оказывает на окружающую среду, такую как мерная колба, баллон с воздухом для ныряния или граница атмосферы. Вы можете рассчитать давление каждого газа в смеси, если знаете количество газа, объем, который он занимает, и температуру. Парциальные давления можно сложить, чтобы рассчитать общее давление газовой смеси. С другой стороны, общее давление можно рассчитать заранее, чтобы вычислить парциальное давление.
Шаг
Часть 1 из 3: Понимание свойств газов
Шаг 1. Рассматривайте каждый газ как «идеальный» газ
В химии идеальный газ - это газ, который взаимодействует с другими газами, не притягиваясь к своим молекулам. Одиночные молекулы могут биться и отскакивать, как бильярдные шары, не деформируясь.
- Давление идеального газа увеличивается, когда он сжимается в меньшем пространстве, и уменьшается, когда он расширяется в большем пространстве. Эти отношения называются законом Бойля, созданным Робертом Бойлем. Математически формула k = P x V, или упрощенная до k = PV, k - постоянная величина, P - давление, а V - объем.
- Есть несколько возможных единиц давления. Один из них - Паскаль (Па). Эта единица определяется как сила в один ньютон, приложенная к площади одного квадратного метра. Другая единица - атмосфера (атм). Атмосфера - это давление атмосферы Земли на уровне моря. Давление в 1 атм эквивалентно 101,325 Па.
- Температура идеального газа повышается с увеличением объема и понижается с уменьшением объема. Эти отношения называются законом Чарльза, созданным ученым Жаком Шарлем. Математическая формула: k = V / T, где k - постоянная объема и температуры, V - объем, а T - температура.
- Температура газа в этом уравнении дается в градусах Кельвина, что получается добавлением числа 273 к значению градуса в градусах Цельсия.
- Две приведенные выше формулы можно объединить в одно уравнение: k = PV / T, которое также можно записать как PV = kT.
Шаг 2. Определите количество газа, которое нужно измерить
У газов есть масса и объем. Объем обычно измеряется в литрах (л), но есть два вида массы.
- Обычная масса измеряется в граммах, но в больших количествах единицей измерения являются килограммы.
- Поскольку газы очень легкие, в качестве единиц измерения используются молекулярная масса или молярная масса. Молярная масса - это сумма общих атомных масс каждого атома в соединении, составляющем газ, каждый атом по сравнению с числом 12 для углерода.
- Поскольку атомы и молекулы слишком малы для подсчета, количество газа указывается в молях. Количество молей, присутствующих в данном газе, может быть получено путем деления массы на молярную массу и обозначено буквой n.
- Константу K в уравнении газа можно заменить произведением n, количества моль (моль) и новой константы R. Теперь формула nR = PV / T или PV = nRT.
- Значение R зависит от единиц измерения давления, объема и температуры газа. Для объема в литрах, температуры в Кельвинах и давления в атмосферах значение составляет 0,0821 л атм / К моль. Это значение можно записать как 0,0821 л атм · К.-1 крот -1 чтобы избежать использования косой черты для обозначения делений в единицах измерения.
Шаг 3. Понять закон частичного давления Дальтона
Этот закон был разработан химиком и физиком Джоном Дальтоном, который первым разработал концепцию, согласно которой химические элементы состоят из атомов. Закон Дальтона гласит, что полное давление смеси газов является суммой давлений отдельных газов в смеси..
- Закон Дальтона можно записать в виде следующей формулы Pобщий = P1 + P2 + P3 … Количество P справа от знака равно количеству газа в смеси.
- Формула закона Дальтона может быть расширена при рассмотрении различных газов, в которых парциальное давление каждого газа неизвестно, но известны объем и температура. Парциальное давление газа равно давлению, которое предполагает, что газ в таком количестве является единственным газом в контейнере.
- Для каждого парциального давления можно использовать формулу идеального газа. Вместо использования PV = nRT можно использовать только P слева. Для этого обе стороны делятся на V: PV / V = nRT / V. Два V справа компенсируют друг друга, оставляя P = nRT / V.
- Мы можем использовать его для замены каждого P справа, который представляет конкретный газ в формуле парциального давления: Pобщий = (nRT / V) 1 + (nRT / V) 2 + (nRT / V) 3 …
Часть 2 из 3: Расчет парциального давления, затем общего давления
Шаг 1. Определите уравнение парциального давления для каждого рассчитываемого газа
Для этого расчета предполагается, что колба объемом 2 литра вмещает 3 газа: азот (N2), кислород (O2) и диоксид углерода (CO2). Каждый газ имеет массу 10 г и температуру 37 градусов Цельсия. Мы рассчитаем парциальное давление каждого газа и общее давление газовой смеси в химической колбе.
- Формула парциального давления Pобщий = Pазот + Pкислород + Pуглекислый газ.
- Поскольку мы ищем давление для каждого газа с известным объемом и температурой, количество молей каждого газа может быть рассчитано на основе его массы. Формулу можно изменить на: Pобщий = (nRT / V) азот + (nRT / V) кислород + (nRT / V) углекислый газ
Шаг 2. Преобразуйте температуру в градусы Кельвина
Температура по Цельсию составляет 37 градусов, поэтому прибавьте 273 к 37, чтобы получить 310 градусов К.
Шаг 3. Найдите количество молей каждого газа, присутствующего в пробе
Число молей газа - это масса газа, деленная на его молярную массу, которая является суммой атомных масс каждого атома в смеси.
- Для газообразного азота (N2), каждый атом имеет атомную массу 14. Поскольку азот двухатомный (двухатомная молекула), значение 14 необходимо умножить на 2, чтобы получить молярную массу 28 для азота в этом образце. Затем массу в граммах, 10 г, делят на 28, чтобы получить количество молей, в результате получается около 0,4 молей азота.
- Для следующего газа кислород (O2), каждый атом имеет атомную массу 16. Кислород также двухатомный, поэтому 16 умноженных на 2 дает молярную массу кислорода в образце 32. 10 грамм, разделенные на 32, дают примерно 0,3 моля кислорода.
- Далее идет углекислый газ (CO2), который имеет 3 атома, а именно один атом углерода с атомной массой 12 и два атома кислорода с атомной массой 16. Эти три атомные массы складываются, чтобы получить молярную массу: 12 + 16 + 16 = 44. Следующие 10 граммов делятся на 44, в результате получается около 0,2 моля углекислого газа.
Шаг 4. Введите мольные значения, объем и температуру
Цифры вводились в формулу: Pобщий = (0, 4 * R * 310/2) азот + (0, 3 * R * 310/2) кислород + (0, 2 * R * 310/2) углекислый газ.
Для простоты единицы не написаны. Эти единицы измерения будут стерты в математических вычислениях, останутся только единицы давления
Шаг 5. Введите значение константы R
Полное и парциальное давления будут выражены в атмосферных единицах, поэтому используемое значение R составляет 0,0821 л атм / К моль. Это значение затем вводится в уравнение, так что формула Pобщий =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) азот + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) кислород + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) углекислый газ.
Шаг 6. Рассчитайте парциальные давления для каждого газа
Теперь, когда доступны все необходимые значения, пора заняться математикой.
- Для парциального давления азота 0,4 моля умножают на константу 0,0821 и температуру 310 градусов К, а затем делят на 2 литра: примерно 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 атм.
- Для парциального давления кислорода 0,3 моля умножают на константу 0,0821 и температуру 310 градусов К, а затем делят на 2 литра: примерно 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 атм.
- Для парциального давления диоксида углерода 0,2 моля умножаются на константу 0,0821 и температуру 310 градусов К, а затем делятся на 2 литра: примерно 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 атм.
- Затем три парциальных давления складываются вместе, чтобы получить общее давление: Pобщий = 5, 09 + 3, 82 + 2, 54 или 11,45 атм, более или менее.
Часть 3 из 3: Расчет общего давления, затем частичного
Шаг 1. Определите формулу парциального давления, как и раньше
Опять же предположим, что колба на 2 литра содержит 3 разных газа: азот (N2), кислород (O2) и диоксид углерода (CO2). Масса каждого газа 10 грамм, а температура 37 градусов Цельсия.
- Температура в Кельвине все та же 310 градусов, а количество молей составляет примерно 0,4 моля азота, 0,3 моля кислорода и 0,2 моля углекислого газа.
- Единицей измерения давления также является атмосфера, поэтому значение постоянной R составляет 0,0821 л атм / К моль.
- Таким образом, уравнение парциального давления остается прежним: Pобщий =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) азот + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) кислород + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) углекислый газ.
Шаг 2. Добавьте количество молей каждого газа в пробе, чтобы получить общее количество молей газовой смеси
Поскольку объем и температура одинаковы для каждой пробы газа, и каждое молярное значение также умножается на одну и ту же константу, мы можем использовать распределительное свойство математики, чтобы переписать уравнение следующим образом:общий = (0, 4 + 0, 3 + 0, 2) * 0, 0821 * 310/2.
Суммы: 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 моль газовой смеси. Уравнение будет проще: Pобщий = 0, 9 * 0, 0821 * 310/2.
Шаг 3. Рассчитайте полное давление газовой смеси
Произведите умножение: 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 моль, более или менее.
Шаг 4. Рассчитайте долю каждого газа, составляющего смесь
Чтобы вычислить долю каждого газа в смеси, разделите количество молей каждого газа на общее количество молей.
- Здесь 0,4 моля азота, поэтому 0,4 / 0,9 = 0,44 (44 процента) образца, более или менее.
- Азот составляет 0,3 моля, поэтому 0,3 / 0,9 = 0,33 (33 процента) образца более или менее.
- Есть 0,2 моля диоксида углерода, поэтому 0,2 / 0,9 = 0,22 (22 процента) образца, более или менее.
- Хотя приведенный выше расчет в процентах возвращает 0,99, фактическое десятичное значение повторяется. Это означает, что после десятичной точки число 9 повторяется. По определению это значение равно 1 или 100 процентам.
Шаг 5. Умножьте долю каждого газа на общее давление, чтобы рассчитать парциальное давление
- Умножаем 0,44 * 11,45 = 5,04 атм, более или менее.
- Умножаем 0,33 * 11,45 = 3,78 атм, более или менее.
- Умножаем 0,22 * 11,45 = 2,52 атм, более или менее.
