Sisältö

• Askeleet
• Vinkkejä
• Varoitukset
• Tarvittavat materiaalit

Kemiassa "osapaine" viittaa paineeseen, jonka kukin kaasuseoksessa oleva kaasu aiheuttaa ympäristöään, kuten näytepulloa, sukellusilman säiliötä tai ilmakehän rajoja vastaan. Voit laskea seoksen jokaisen kaasun paineen, jos tiedät kuinka paljon sitä on, minkä tilavuuden se käyttää ja sen lämpötila. Voit sitten lisätä nämä osapaineet löytääksesi kaasuseoksen kokonaispaineen, tai voit ensin löytää kokonaispaineen ja sitten osapaineet.

Askeleet

Osa 1/3: Kaasujen ominaisuuksien ymmärtäminen

1. 

   Käsittele kutakin kaasua "ihanteellisena" kaasuna. Ihanteellinen kaasu on kemiassa sellainen, joka on vuorovaikutuksessa muiden kaasujen kanssa houkuttelematta sen molekyylejä. Yksittäiset molekyylit voivat osua toisiinsa ja pomppia kuin biljardipallot ilman muodonmuutoksia millään tavalla.
   • Ihanteelliset kaasupaineet kasvavat, kun ne puristuvat pienempiin tiloihin, ja pienenevät, kun ne laajenevat suuremmille alueille. Tätä suhdetta kutsutaan Boyle's Lawiksi Robert Boylen mukaan. Se kuvataan matemaattisesti k = P x V tai yksinkertaisemmin, k = PV, jossa k edustaa vakiosuhdetta, P edustaa painetta ja V edustaa tilavuutta.
   • Paineet voidaan määrittää yhdellä useista mahdollisista yksiköistä. Yksi on Pascal (Pa), joka määritellään Newtonin voimaksi, joka kohdistuu neliömetriin. Toinen on ilmakehä (atm), joka määritellään maapallon ilmakehän paineena merenpinnalla. 1 atm: n paine on yhtä suuri kuin 101 325 Pa.
   • Ihanteelliset kaasun lämpötilat nousevat tilavuuksien kasvaessa ja laskiessa. Tätä suhdetta kutsutaan Charlesin lakiksi Jacques Charlesin mukaan ja sitä kuvataan matemaattisesti nimellä k = V / t, jossa k edustaa vakiotilavuuden ja lämpötilan suhdetta, V edustaa jälleen tilavuutta ja T edustaa lämpötilaa.
   • Tämän yhtälön kaasun lämpötilat ilmoitetaan Kelvin-asteina, jotka saadaan lisäämällä 273 kaasun lämpötilan celsiusasteeseen.
   • Nämä kaksi suhdetta voidaan yhdistää yhdeksi yhtälöksi: k = PV / T, joka voidaan kirjoittaa myös PV = kT.

2. 

   
   
   Määritä missä määrin kaasut mitataan. Kaasuilla on massa ja tilavuus. Tilavuus mitataan yleensä litroina (l), mutta massaa on kahta tyyppiä.
   • Tavanomainen massa mitataan grammoina tai, jos massa on riittävän suuri, kilogrammoina.
   • Kaasujen keveyden vuoksi ne mitataan myös toisessa massamuodossa, jota kutsutaan molekyylimassaksi tai moolimassaksi. Moolimassa määritellään yhdisteen, josta kaasu on valmistettu, kunkin atomin atomipainojen summana, kunkin atomin verrattaessa hiilen arvoon 12.
   • Koska atomit ja molekyylit ovat liian pieniä toimiakseen, kaasumäärät määritellään mooleina. Tietyssä kaasussa olevien moolien lukumäärä voidaan määrittää jakamalla massa moolimassalla, ja se voidaan esittää kirjaimella n.
   • Voimme korvata mielivaltaisen vakion k kaasuyhtälössä tulolla n, moolien lukumäärällä (mol) ja uudella vakiolla R. Yhtälö voidaan nyt kirjoittaa nR = PV / T tai PV = nRT.
   • R-arvo riippuu yksiköistä, joita käytetään mittaamaan kaasujen paineet, tilavuudet ja lämpötilat. Tilavuuden litroina, lämpötilan kelvineinä ja paineen ilmakehissä tunnistamiseksi sen arvo on 0,0821 L.atm / K.mol. Tämä voidaan myös kirjoittaa L 0,0821 atm K mol, jotta vältetään halkipalkki mittayksiköissä.

3. 

   
   
   Ymmärrä Daltonin laki osapaineista. Kemistin ja fyysikon John Daltonin kehittämä kehittäjä, joka edisti ensin atomien kemiallisten alkuaineiden käsitettä, Daltonin laissa todetaan, että kaasuseoksen kokonaispaine on kunkin seoksessa olevan kaasun paineiden summa.
   • Daltonin laki voidaan kirjoittaa yhtälöksi P: nä _{kaikki yhteensä} = P₁ + P₂ + P₃... niin monta lisäystä tasa-arvon jälkeen kuin seoksessa on kaasuja.
   • Daltonin lain yhtälöä voidaan laajentaa työskenneltäessä kaasujen kanssa, joiden yksittäisiä osapaineita ei tunneta, mutta joiden tilavuudet ja lämpötilat tiedetään. Kaasun osapaine on sama paine, jos sama määrä kaasua oli ainoa kaasu säiliössä.
   • Kullekin osapaineelle voimme kirjoittaa ihanteellisen kaasuyhtälön niin, että kaavan PV = nRT sijasta meillä voi olla vain P yhtäläisyysmerkin vasemmalla puolella. Tätä varten jaamme molemmat puolet V: llä: PV / V = ​​nRT / V. Vasemman puolen kaksi V: tä kumoavat toisensa jättäen P = nRT / V.
   • Voimme sitten korvata kukin P, joka on merkitty osapaineyhtälön oikealla puolella: P_{kaikki yhteensä} = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃…

Osa 2/3: Osapaineiden ja sitten kokonaispaineiden laskeminen

1. 

   
   
   
   
   Määritä osapaineen yhtälö kaasuille, joiden kanssa työskentelet. Tätä laskentaa varten oletetaan 2 litran ilmapallo, johon mahtuu kolme kaasua: typpi (N₂), happi (O₂) ja hiilidioksidi (CO₂). Kaikkia kaasuja on 10 g, ja niiden jokaisen lämpötila pullossa on 37 ºC. Meidän on löydettävä jokaisen kaasun osapaine ja seoksen kokonaispaine säiliöön.
   • Osapaineyhtälöstämme tulee P _{kaikki yhteensä} = P _typpeä + P _happi + P _{hiilidioksidi} .
   • Koska yritämme löytää kunkin kaasun aiheuttaman paineen, tiedämme tilavuuden ja lämpötilan ja voimme löytää, kuinka monta moolia kutakin kaasua on läsnä massan perusteella, voimme kirjoittaa tämän yhtälön uudestaan: P_{kaikki yhteensä} = (nRT / V) _typpeä + (nRT / V) _happi + (nRT / V) _{hiilidioksidi}

2. 

   
   
   Muunna lämpötila Kelviniksi. Lämpötila on 37 ºC, joten lisää 273 - 37 saadaksesi 310 K.

3. 

   Selvitä moolimäärä näytteessä oleville kaasuille. Kaasumoolien lukumäärä on kaasun massa, joka on jaettu sen moolimassaan, jonka sanoimme olevan yhdisteen kunkin atomin atomipainojen summa.
   • Ensimmäisen kaasun osalta typpeä (N₂), kunkin atomin atomipaino on 14. Koska typpi on piimaa (kahden atomin molekyylimuoto), meidän on kerrottava 14 kahdella saadaksesi selville, että näytteessä olevan typen moolimassa on 28. Jaa sitten massa grammoina, 10 g, 28: lla, moolien määrän saamiseksi, jonka arvioimme olevan noin 0,4 mol typpeä.
   • Toista kaasua varten happi (O₂), jokaisen atomin atomipaino on 16. Happi on myös piimaa, joten kerro 16 kahdella saadaksesi selville, että näytteessä olevan hapen moolimassa on 32. Jakamalla 10 g 32: lla saadaan noin 0,3 mol happea näyte.
   • Kolmas kaasu, hiilidioksidi (CO₂), siinä on 3 atomia: yksi hiili, atomipaino 12; ja kaksi happea, kummankin atomipaino 16. Lisätään kolme painoa: 12 + 16 + 16 = 44 moolimassaan. Jakamalla 10 g 44: llä saadaan noin 0,2 mol hiilidioksidia.

4. 

   
   
   Korvaa arvot mooleilla, tilavuudella ja lämpötilalla. Yhtälömme näyttää nyt tältä: P_{kaikki yhteensä} = (0,4 * R * 310/2) _typpeä + (0,3 * R * 310/2) _happi + (0,2 * R * 310/2) _{hiilidioksidi}.
   • Yksinkertaisuuden vuoksi olemme jättäneet arvojen mukana seuraavat mittayksiköt. Nämä yksiköt peruutetaan, kun olemme suorittaneet matematiikan, jolloin jäljelle jää vain mittayksikkö, jota käytämme paineiden ilmoittamiseen.

5. 

   Korvaa vakion R arvo. Löydämme osittaisen ja kokonaispaineen ilmakehissä, joten käytämme R-arvoa 0,0821 atm L / K.mol. Arvon korvaaminen yhtälössä antaa meille nyt P: n_{kaikki yhteensä} =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _typpeä + (0,3 *0,0821 * 310/2) _happi + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{hiilidioksidi} .

6. 

   Laske kunkin kaasun osapaineet. Nyt kun arvot ovat paikallaan, on aika tehdä matematiikka.
   • Typen osapaineelle kerrotaan 0,4 mol 0,0821-vakiollamme ja 310 K: n lämpötilallamme ja jaetaan sitten 2 litralla: noin 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5, 09 atm.
   • Osittaisen happipaineen osalta kerrotaan 0,3 mol 0,0821-vakiollamme ja 310 K: n lämpötilallamme ja jaetaan sitten 2 litralla: noin 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3, 82 atm.
   • Hiilidioksidin osapaineelle kerrotaan 0,2 mol 0,0821-vakiollamme ja 310 K: n lämpötilallamme ja jaetaan sitten 2 litralla: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm, noin.
   • Lisäämme nyt nämä paineet kokonaispaineen löytämiseksi: P_{kaikki yhteensä} = 5,09 + 3,82 + 2,54 tai noin 11,45 atm.

Osa 3/3: Kokonaispaineen ja sitten osapaineiden laskeminen

1. 

   Määritä osapaineyhtälö kuten aiemmin. Jälleen oletetaan, että 2 litran pullo sisältää 3 kaasua: typpeä (N₂), happi (O₂) ja hiilidioksidi (CO₂). Kutakin kaasua on 10 g ja pullon kunkin kaasun lämpötila on 37 astetta.
   • Lämpötila Kelvinissä on edelleen 310, ja kuten aiemmin, meillä on noin 0,4 mol typpeä, 0,3 mol happea ja 0,2 mol hiilidioksidia.
   • Samoin löydämme edelleen paineita ilmakehistä, joten käytämme vakiolle R arvoa 0,0821 atm L / K.mol.
   • Joten osapaineyhtälömme näyttää edelleen samalta tässä vaiheessa: P_{kaikki yhteensä} =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _typpeä + (0,3 *0,0821 * 310/2) _happi + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{hiilidioksidi}.

2. 

   Lisää kunkin näytteessä olevan kaasun moolimäärä, jotta saat selville kaasuseoksen moolien kokonaismäärän. Koska tilavuus ja lämpötila ovat samat jokaiselle kaasun näytteelle, puhumattakaan siitä, että kukin molaarinen arvo kerrotaan samalla vakiolla, voimme käyttää matematiikan jakautumisominaisuutta kirjoittaa yhtälö uudestaan ​​P_{kaikki yhteensä} = (0,4 + 0,3 + 0,2) * 0,0821 * 310/2.
   • Lisätään 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 mol kaasuseosta. Tämä yksinkertaistaa edelleen P: n yhtälöä _{kaikki yhteensä} = 0,9 * 0,0821 * 310/2.

3. 

   Laske kaasuseoksen kokonaispaine. Kerrotaan noin 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 mol.

4. 

   Selvitä kunkin kaasun osuus seoksesta. Voit tehdä tämän jakamalla molempien kaasujen moolien määrä moolien kokonaismäärällä.
   • Typpia on 0,4 mol, joten näytteestä noin 0,4 / 0,9 = 0,44 (44%).
   • Typpia on 0,3 mol, joten näytteestä noin 0,3 / 0,9 = 0,33 (33%).
   • Hiilidioksidia on 0,2 mol, joten näytteestä noin 0,2 / 0,9 = 0,22 (22%).
   • Vaikka yllä olevat likimääräiset prosenttiosuudet ovat vain 0,99, todelliset desimaalit toistuvat, joten todellinen summa on sarja yhdeksän toistoa desimaalin jälkeen. Määritelmän mukaan tämä on sama kuin 1 tai 100%.

5. 

   Kerro jokaisen kaasun suhteellinen arvo kokonaispaineella osapaineen löytämiseksi.
   • Kerrotaan noin 0,44 * 11,45 = 5,04 atm.
   • Kerrotaan noin 0,33 * 11,45 = 3,78 atm.
   • Kerrotaan noin 0,22 * 11,45 = 2,52 atm.

Vinkkejä

• Huomaat pienen eron arvoissa etsimällä ensin osapaineet, sitten kokonaispaineen ja etsimällä ensin kokonaispaineen ja sitten osapaineet. Muista, että annetut arvot esitettiin likiarvoina pyöristämisen vuoksi yhteen tai kahteen desimaaliin, jotta arvot olisivat helpommin ymmärrettävissä. Jos teet laskelmat laskimella pyöristämättä, huomaat mahdollisen pienen ristiriidan näiden kahden menetelmän välillä.

Varoitukset

• Osittaisten kaasupaineiden tuntemisesta voi tulla sukeltajien elämän ja kuoleman kysymys. Liian alhainen hapen osapaine voi johtaa tajunnan menetykseen ja kuolemaan, kun taas erittäin korkea vedyn tai hapen osapaine voi myös olla myrkyllistä.

Tarvittavat materiaalit

• Laskin;
• Atomipainojen / moolimassojen viitekirja.