Zawartość

• Kroki
• Porady
• Ostrzeżenia
• Niezbędne materiały

W chemii „ciśnienie cząstkowe” odnosi się do ciśnienia, które każdy gaz w mieszaninie gazów wywiera na swoje otoczenie, takie jak butla z próbką, zbiornik z powietrzem nurkowym lub granice atmosfery. Możesz obliczyć ciśnienie każdego gazu w mieszaninie, jeśli wiesz, ile go jest, jaką objętość zajmuje i jaka jest temperatura. Następnie możesz dodać te ciśnienia cząstkowe, aby znaleźć ciśnienie całkowite mieszaniny gazów, lub możesz najpierw znaleźć ciśnienie całkowite, a następnie ciśnienia cząstkowe.

Kroki

Część 1 z 3: Zrozumienie właściwości gazów

1. 

   Każdy gaz należy traktować jako gaz „idealny”. W chemii gaz doskonały to taki, który oddziałuje z innymi gazami bez przyciągania ich cząsteczek. Poszczególne cząsteczki mogą uderzać o siebie i odbijać się jak kule bilardowe, nie ulegając żadnej deformacji.
   • Idealne ciśnienia gazu rosną, gdy są one kompresowane w mniejszych przestrzeniach i maleją, gdy rozszerzają się na większe obszary. Ten związek nazywa się prawem Boyle'a od nazwiska Roberta Boyle'a. Jest to opisane matematycznie jako k = P x V lub, prościej, k = PV, gdzie k reprezentuje stałą zależność, P reprezentuje ciśnienie, a V reprezentuje objętość.
   • Ciśnienia można określić za pomocą jednej z kilku możliwych jednostek. Jednym z nich jest Pascal (Pa), zdefiniowany jako siła Newtona przyłożona na metr kwadratowy. Inną jest atmosfera (atm), definiowana jako ciśnienie atmosfery ziemskiej na poziomie morza. Ciśnienie 1 atm jest równe 101 325 Pa.
   • Idealne temperatury gazu rosną wraz ze wzrostem i spadkiem objętości. Zależność ta nazywa się prawem Charlesa od nazwiska Jacquesa Charlesa i jest opisana matematycznie jako k = V / t, gdzie k reprezentuje zależność między stałą objętością a temperaturą, V oznacza ponownie objętość, a T oznacza temperaturę.
   • Temperatury gazu w tym równaniu podane są w stopniach Kelvina, które uzyskuje się przez dodanie 273 do liczby stopni Celsjusza temperatury gazu.
   • Te dwie zależności można połączyć w jedno równanie: k = PV / T, które można również zapisać jako PV = kT.

2. 

   
   
   Określ, w jakich ilościach mierzone są gazy. Gazy mają masę i objętość. Objętość zwykle mierzy się w litrach (l), ale istnieją dwa rodzaje masy.
   • Masę konwencjonalną mierzy się w gramach lub, jeśli masa jest wystarczająco duża, w kilogramach.
   • Ze względu na lekkość gazów mierzy się je również w innej postaci masy zwanej masą cząsteczkową lub masą molową. Masę cząsteczkową definiuje się jako sumę mas atomowych każdego atomu związku, z którego wykonany jest gaz, przy czym każdy atom jest porównywany z wartością 12 dla węgla.
   • Ponieważ atomy i cząsteczki są zbyt małe, aby z nimi pracować, ilości gazów określa się w molach. Liczbę moli obecnych w danym gazie można określić, dzieląc masę przez masę molową i można ją przedstawić za pomocą litery n.
   • Możemy zastąpić dowolną stałą k w równaniu gazu iloczynem n, liczbą moli (mol) i nową stałą R. Równanie można teraz zapisać nR = PV / T lub PV = nRT.
   • Wartość R zależy od jednostek używanych do pomiaru ciśnień, objętości i temperatur gazów. Aby określić objętość w litrach, temperaturę w kelwinach i ciśnienie w atmosferach, jego wartość wynosi 0,0821 l atm / kmol. Można to również zapisać L 0,0821 atm K mol, aby uniknąć podziału słupka w jednostkach miary.

3. 

   
   
   Zrozum Prawo ciśnień cząstkowych Daltona. Opracowane przez chemika i fizyka Johna Daltona, który jako pierwszy rozwinął koncepcję pierwiastków chemicznych zbudowanych z atomów, Prawo Daltona stanowi, że całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest sumą ciśnień każdego z gazów w mieszaninie.
   • Prawo Daltona można zapisać jako równanie jako P _całkowity = P₁ + P₂ + P₃... z tyloma załącznikami po znaku równości, ile gazów jest w mieszaninie.
   • Równanie prawa Daltona można rozszerzyć, pracując z gazami, których poszczególne ciśnienia cząstkowe są nieznane, ale których znamy ich objętości i temperatury. Ciśnienie cząstkowe gazu jest tym samym ciśnieniem, jeśli ta sama ilość gazu była jedynym gazem w zbiorniku.
   • Dla każdego z ciśnień cząstkowych możemy przepisać równanie gazu doskonałego tak, że zamiast wzoru PV = nRT możemy mieć tylko P po lewej stronie znaku równości. Aby to zrobić, dzielimy obie strony przez V: PV / V = ​​nRT / V. Dwie V po lewej stronie znoszą się wzajemnie, pozostawiając P = nRT / V.
   • Następnie możemy zastąpić każde P zasubskrybowane po prawej stronie równania ciśnienia parcjalnego: P_całkowity = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃…

Część 2 z 3: Obliczanie ciśnień cząstkowych, a następnie ciśnień całkowitych

1. 

   
   
   
   
   Zdefiniuj równanie ciśnienia parcjalnego dla gazów, z którymi pracujesz. Na potrzeby tego obliczenia przyjmiemy 2-litrowy balon, który zawiera trzy gazy: azot (N₂), tlen (O₂) i dwutlenek węgla (CO₂). Każdy z gazów ma po 10 gramów, a temperatura każdego z nich w kolbie wynosi 37º Celsjusza. Musimy znaleźć ciśnienie cząstkowe każdego gazu i całkowite ciśnienie, jakie mieszanina wywiera na pojemnik.
   • Nasze równanie ciśnienia parcjalnego staje się P. _całkowity = P _azot + P _tlen + P _{dwutlenek węgla} .
   • Ponieważ próbujemy znaleźć ciśnienie, które wywiera każdy gaz, znamy objętość i temperaturę oraz możemy obliczyć, ile moli każdego gazu jest obecnych na podstawie masy, możemy przepisać to równanie jako: P_całkowity = (nRT / V) _azot + (nRT / V) _tlen + (nRT / V) _{dwutlenek węgla}

2. 

   
   
   Zamień temperaturę na kelwin. Temperatura wynosi 37 ° Celsjusza, więc dodaj 273 do 37, aby uzyskać 310 K.

3. 

   Znajdź liczbę moli dla każdego z gazów w próbce. Liczba moli gazu to masa gazu podzielona przez jego masę molową, która, jak powiedzieliśmy, jest sumą mas atomowych każdego atomu w związku.
   • W przypadku pierwszego gazu azot (N₂), każdy atom ma masę atomową 14. Ponieważ azot jest dwuatomowy (postać cząsteczkowa dwóch atomów), musimy pomnożyć 14 przez 2, aby stwierdzić, że azot w naszej próbce ma masę molową 28. Następnie podziel masę w gramach, 10 g, na 28, aby otrzymać liczbę moli, którą w przybliżeniu obliczymy 0,4 mola azotu.
   • W przypadku drugiego gazu tlen (O₂), każdy atom ma masę atomową 16. Tlen jest również dwuatomowy, więc pomnóż 16 przez 2, aby znaleźć, że tlen w naszej próbce ma masę molową 32. Dzielenie 10 g przez 32 daje nam około 0,3 mola tlenu w naszym próba.
   • Trzeci gaz, dwutlenek węgla (CO₂) ma 3 atomy: jeden węgiel o masie atomowej 12; i dwa tlen, każdy o masie atomowej 16. Dodajemy trzy wagi: 12 + 16 + 16 = 44 za masę molową. Dzieląc 10 g przez 44 otrzymujemy około 0,2 mola dwutlenku węgla.

4. 

   
   
   Zastąp wartości liczbą moli, objętości i temperatury. Nasze równanie wygląda teraz następująco: P_całkowity = (0,4 * R * 310/2) _azot + (0,3 * R * 310/2) _tlen + (0,2 * R * 310/2) _{dwutlenek węgla}.
   • Dla uproszczenia pominęliśmy jednostki miary, które towarzyszą wartościom. Jednostki te zostaną anulowane po wykonaniu obliczeń, pozostawiając tylko jednostkę miary, której używamy do raportowania ciśnień.

5. 

   Zastąp wartość stałej R. Ciśnienie cząstkowe i całkowite znajdziemy w atmosferach, więc użyjemy wartości R wynoszącej 0,0821 atm L / K · mol. Podstawienie wartości w równaniu daje nam teraz P_całkowity =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _azot + (0,3 *0,0821 * 310/2) _tlen + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{dwutlenek węgla} .

6. 

   Oblicz ciśnienie cząstkowe dla każdego gazu. Teraz, gdy mamy już wprowadzone wartości, czas na obliczenia.
   • Dla ciśnienia parcjalnego azotu mnożymy 0,4 mola przez naszą stałą 0,0821 i temperaturę 310 K, a następnie dzielimy przez 2 litry: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = około 5,09 atm.
   • Dla ciśnienia parcjalnego tlenu mnożymy 0,3 mola przez naszą stałą 0,0821 i temperaturę 310 K, a następnie dzielimy przez 2 litry: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3, 82 atm, w przybliżeniu.
   • Dla ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla mnożymy 0,2 mola przez naszą stałą 0,0821 i temperaturę 310 K, a następnie dzielimy przez 2 litry: około 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm.
   • Teraz dodajemy te ciśnienia, aby znaleźć ciśnienie całkowite: P._całkowity = 5,09 + 3,82 + 2,54, czyli około 11,45 atm.

Część 3 z 3: Obliczanie ciśnienia całkowitego, a następnie ciśnień cząstkowych

1. 

   Zdefiniuj równanie ciśnienia parcjalnego jak poprzednio. Ponownie zakładamy, że 2-litrowa kolba zawiera 3 gazy: azot (N₂), tlen (O₂) i dwutlenek węgla (CO₂). Jest 10 g każdego z gazów, a temperatura każdego z gazów w kolbie wynosi 37 stopni Celsjusza.
   • Temperatura w kelwinach nadal będzie wynosić 310 i tak jak poprzednio mamy około 0,4 mola azotu, 0,3 mola tlenu i 0,2 mola dwutlenku węgla.
   • Podobnie, nadal będziemy znajdować ciśnienia w atmosferach, więc użyjemy wartości 0,0821 atm L / K · mol dla stałej R.
   • Zatem w tym momencie nasze równanie ciśnienia parcjalnego nadal wygląda tak samo: P_całkowity =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _azot + (0,3 *0,0821 * 310/2) _tlen + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{dwutlenek węgla}.

2. 

   Dodaj liczbę moli każdego z gazów w próbce, aby znaleźć całkowitą liczbę moli mieszaniny gazów. Ponieważ objętość i temperatura są takie same dla każdej próbki w gazie, nie wspominając o tym, że każda wartość molowa jest pomnożona przez tę samą stałą, możemy użyć właściwości rozdzielczej matematyki, aby przepisać równanie jako P_całkowity = (0,4 + 0,3 + 0,2) * 0,0821 * 310/2.
   • Dodanie 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 mola mieszaniny gazów. To dodatkowo upraszcza równanie dla P. _całkowity = 0,9 * 0,0821 * 310/2.

3. 

   Oblicz całkowite ciśnienie mieszaniny gazów. Mnożenie w przybliżeniu 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 mola.

4. 

   Znajdź udział każdego gazu w całej mieszance. Aby to zrobić, podziel liczbę moli dla każdego z gazów przez całkowitą liczbę moli.
   • Jest 0,4 mola azotu, czyli około 0,4 / 0,9 = 0,44 (44%) próbki.
   • Jest 0,3 mola azotu, czyli około 0,3 / 0,9 = 0,33 (33%) próbki.
   • Jest 0,2 mola dwutlenku węgla, więc około 0,2 / 0,9 = 0,22 (22%) próbki.
   • Chociaż powyższe przybliżone wartości procentowe dają tylko 0,99, rzeczywiste cyfry dziesiętne się powtarzają, więc rzeczywista suma jest serią powtórzeń dziewiątek po przecinku. Z definicji jest to to samo, co 1, czyli 100%.

5. 

   Pomnóż proporcjonalną wartość każdego gazu przez całkowite ciśnienie, aby znaleźć ciśnienie cząstkowe.
   • Mnożenie około 0,44 * 11,45 = 5,04 atm.
   • Mnożenie w przybliżeniu 0,33 * 11,45 = 3,78 atm.
   • Mnożenie 0,22 * 11,45 = 2,52 atm, w przybliżeniu.

Porady

• Zauważysz niewielką różnicę w wartościach, znajdując najpierw ciśnienia cząstkowe, następnie ciśnienie całkowite i znajdując najpierw ciśnienie całkowite, a następnie ciśnienia cząstkowe. Pamiętaj, że podane wartości zostały przedstawione jako przybliżone, ze względu na zaokrąglenie do jednego lub dwóch miejsc po przecinku, aby ułatwić zrozumienie wartości. Jeśli wykonasz obliczenia za pomocą kalkulatora bez zaokrąglania, zauważysz niewielką, jeśli w ogóle, rozbieżność między tymi dwiema metodami.

Ostrzeżenia

• Znajomość ciśnień parcjalnych gazu może stać się dla nurków sprawą życia i śmierci. Zbyt niskie ciśnienie parcjalne tlenu może prowadzić do utraty przytomności i śmierci, podczas gdy bardzo wysokie ciśnienie parcjalne wodoru lub tlenu może być również toksyczne.

Niezbędne materiały

• Kalkulator;
• Informator o masach atomowych / masach molowych.