Ako vypočítať parciálny tlak: 14 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-19 22:14

„Čiastočný tlak“v chémii je tlak, ktorý každý plyn v zmesi plynov vyvíja na svoje okolie, napríklad na odmernú banku, nádrž na potápavý vzduch alebo na hranici atmosféry. Ak poznáte množstvo plynu, jeho objem a teplotu, môžete vypočítať tlak každého plynu v zmesi. Parciálne tlaky je možné sčítať a vypočítať tak celkový tlak plynnej zmesi. Na druhej strane je možné celkový tlak vypočítať vopred na výpočet parciálneho tlaku.

Krok

Časť 1 z 3: Pochopenie vlastností plynov

Krok 1. S každým plynom zaobchádzajte ako s „ideálnym“plynom

V chémii je ideálny plyn plyn, ktorý interaguje s inými plynmi bez toho, aby bol priťahovaný k svojim molekulám. Molekuly, ktoré sú osamelé, môžu narážať a odrážať sa ako biliardové gule bez toho, aby sa zdeformovali.

Tlak ideálneho plynu sa zvyšuje, keď je stlačený v menšom priestore, a klesá, keď sa rozpína vo väčšom priestore. Tento vzťah sa nazýva Boyleov zákon, ktorý vytvoril Robert Boyle. Matematicky je vzorec k = P x V alebo zjednodušene na k = PV, k je konštanta, P je tlak, zatiaľ čo V je objem.
Existuje niekoľko možných jednotiek tlaku. Jedným z nich je Pascal (Pa). Táto jednotka je definovaná ako sila jedného newtonu pôsobiaca na povrch jeden meter štvorcový. Ďalšou jednotkou je atmosféra (atm). Atmosféra je tlak zemskej atmosféry na hladinu mora. Tlak 1 atm je ekvivalentný 101 325 Pa.
Teplota ideálneho plynu stúpa s nárastom objemu a klesá s poklesom objemu. Tento vzťah sa nazýva Charlesov zákon vytvorený vedcom Jacquesom Charlesom. Matematický vzorec je k = V / T, kde k je konštanta objemu a teploty, V je objem a T je teplota.
Teplota plynu v tejto rovnici je udaná v stupňoch Kelvina, ktorá sa získa pripočítaním čísla 273 k hodnote stupňa v stupňoch Celzia.
Dva vyššie uvedené vzorce je možné kombinovať s jednou rovnicou: k = PV / T, ktorú je možné zapísať aj ako PV = kT.

Krok 2. Určte množstvo plynu, ktoré sa má merať

Plyny majú hmotnosť a objem. Objem sa zvyčajne meria v litroch (l), existujú však dva druhy hmotnosti.

Bežná hmotnosť sa meria v gramoch, ale vo väčších množstvách je jednotkou kilogram.
Pretože sú plyny veľmi ľahké, použité jednotky sú molekulová hmotnosť alebo molárna hmotnosť. Molárna hmotnosť je súčet celkových atómových hmotností každého atómu v zlúčenine, ktorá tvorí plyn, každý atóm v porovnaní s číslom 12 pre uhlík.
Pretože sú atómy a molekuly príliš malé na to, aby sa dali spočítať, množstvo plynu je uvedené v móloch. Počet mólov prítomných v danom plyne možno získať vydelením hmotnosti molárnou hmotnosťou a označením písmenom n.
Konštanta K v plynovej rovnici môže byť nahradená súčinom n, počtu mólov (mólov) a novej konštanty R. Teraz je vzorec nR = PV/T alebo PV = nRT.
Hodnota R závisí od jednotiek používaných na meranie tlaku, objemu a teploty plynu. Pre objem v litroch, teplotu v Kelvinoch a tlak v atmosfére je hodnota 0,0821 l atm/K mol. Túto hodnotu je možné zapísať ako 0,0821 L atm K^-1 Krtko ^-1 vyhnúť sa používaniu lomítok na vyjadrenie delení v merných jednotkách.

Krok 3. Pochopte Daltonov zákon parciálneho tlaku

Tento zákon vyvinul chemik a fyzik John Dalton, ktorý ako prvý vyvinul koncept, že chemické prvky sú vyrobené z atómov. Daltonov zákon uvádza, že celkový tlak zmesi plynov je súčtom tlakov jednotlivých plynov v zmesi..

Daltonov zákon možno napísať vo forme nasledujúceho vzorca P_Celkom = P₁ + P₂ + P₃ … množstvo P napravo od znamienka sa rovná množstvu plynu v zmesi.
Vzorec Daltonovho zákona je možné rozšíriť, pokiaľ ide o rôzne plyny, v ktorých nie je známy parciálny tlak každého plynu, ale je známy ich objem a teplota. Parciálny tlak plynu sa rovná tlaku, ktorý predpokladá, že plyn v tomto množstve je jediným plynom v nádobe.
Pre každý parciálny tlak je možné použiť vzorec ideálneho plynu. Namiesto použitia PV = nRT je možné použiť iba P vľavo. Za týmto účelom sú obe strany delené V: PV/V = nRT/V. Dva V na pravej strane sa navzájom rušia, pričom P = nRT/V.
Môžeme ním nahradiť každé P vpravo, ktoré predstavuje konkrétny plyn vo vzorci parciálneho tlaku: P_Celkom = (nRT/V) ₁ + (nRT/V) ₂ + (nRT/V) ₃ …

Časť 2 z 3: Výpočet parciálneho tlaku a potom celkového tlaku

Krok 1. Určte rovnicu parciálneho tlaku pre každý plyn, ktorý počítate

Pri tomto výpočte sa predpokladá, že 2 -litrová banka obsahuje 3 plyny: dusík (N.₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO₂). Každý plyn má hmotnosť 10 g a teplotu 37 stupňov Celzia. Vypočítame parciálny tlak každého plynu a celkový tlak plynnej zmesi v chemickej banke.

Vzorec parciálneho tlaku je P_Celkom = P_dusíka + P_kyslík + P_{oxid uhličitý}.
Pretože hľadáme tlak pre každý plyn so známym objemom a teplotou, počet mólov každého plynu je možné vypočítať na základe jeho hmotnosti. Vzorec je možné zmeniť na: P_Celkom = (nRT/V) _dusíka + (nRT/V) _kyslík + (nRT/V) _{oxid uhličitý}

Krok 2. Preveďte teplotu na stupne Kelvina

Teplota v stupňoch Celzia je 37 stupňov, takže pridaním 273 až 37 získate 310 stupňov K.

Krok 3. Zistite počet mólov každého plynu prítomného vo vzorke

Počet mólov plynu je hmotnosť plynu delená jeho molárnou hmotnosťou, ktorá je súčtom atómových hmotností každého atómu v zmesi.

Pre plynný dusík (N.₂), každý atóm má atómovú hmotnosť 14. Pretože dusík je dvojatómový (dvojatómová molekula), hodnotu 14 je potrebné vynásobiť 2, aby sa získala molárna hmotnosť 28 pre dusík v tejto vzorke. Potom sa hmotnosť v gramoch, 10 g, rozdelí na 28, aby sa získal počet mólov, takže výsledkom je asi 0,4 molu dusíka.
Pre ďalší plyn kyslík (O₂), každý atóm má atómovú hmotnosť 16. Kyslík je tiež dvojatómový, takže 16 -krát 2 udáva molárnu hmotnosť kyslíka vo vzorke 32. 10 gramov delených číslom 32 dáva približne 0,3 molu kyslíka.
Ďalej je to oxid uhličitý (CO₂), ktorý má 3 atómy, konkrétne jeden atóm uhlíka s atómovou hmotnosťou 12 a dva atómy kyslíka s atómovou hmotnosťou 16. Tieto tri atómové hmotnosti sa sčítajú, aby sa získala molárna hmotnosť: 12 + 16 + 16 = 44. Ďalších 10 gramov sa vydelí 44, takže výsledkom je asi 0,2 molu oxidu uhličitého.

Krok 4. Zadajte molárne hodnoty, objem a teplotu

Čísla boli zadané do vzorca: P_Celkom = (0, 4 * R * 310/2) _dusíka + (0, 3 * R * 310/2) _kyslík + (0, 2 * R * 310/2) _{oxid uhličitý}.

Pre jednoduchosť nie sú jednotky napísané. Tieto jednotky budú pri matematických výpočtoch vymazané, pričom zostanú iba jednotky tlaku

Krok 5. Zadajte hodnotu konštanty R

Celkový a parciálny tlak bude vyjadrený v atmosférických jednotkách, takže použitá hodnota R je 0,0821 l atm/K mol. Táto hodnota sa potom zadá do rovnice tak, že vzorec je P_Celkom =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _dusíka + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _kyslík + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _{oxid uhličitý}.

Krok 6. Vypočítajte parciálne tlaky pre každý plyn

Teraz, keď sú k dispozícii všetky požadované hodnoty, je čas urobiť matematiku.

Pre parciálny tlak dusíka sa 0,4 molov vynásobí konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom sa delí 2 litrami: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm.
Pre parciálny tlak kyslíka sa 0,3 mólov vynásobí konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom sa vydelí 2 litrami: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 atm.
Pre parciálny tlak oxidu uhličitého sa 0,2 mólov vynásobí konštantou 0,0821 a teplotou 310 stupňov K, potom sa delí 2 litrami: 0,2 x 0,0821 x 310/2 = 2,54 atm.
Tri parciálne tlaky sa potom spoja, aby sa získal celkový tlak: P_Celkom = 5, 09 + 3, 82 + 2, 54 alebo 11,45 atm, viac alebo menej.

Časť 3 z 3: Výpočet celkového tlaku, potom čiastočný

Krok 1. Stanovte vzorec parciálneho tlaku ako predtým

Opäť predpokladajme, že 2 litrová banka obsahuje 3 rôzne plyny: dusík (N.₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO₂). Hmotnosť každého plynu je 10 gramov a teplota každého plynu je 37 stupňov C.

Teplota v Kelvinoch je stále rovnakých 310 stupňov a počet mólov je približne 0,4 molu dusíka, 0,3 mólu kyslíka a 0,2 mólu oxidu uhličitého.
Použitou jednotkou tlaku je aj atmosféra, takže hodnota konštanty R je 0,0821 L atm/K mol.
Rovnica parciálneho tlaku je v tomto mieste stále rovnaká: P_Celkom =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _dusíka + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _kyslík + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _{oxid uhličitý}.

Krok 2. Pridajte počet mólov každého plynu vo vzorke, aby ste získali celkový počet mólov plynnej zmesi

Pretože objem a teplota sú pre každú vzorku plynu rovnaké a každá molárna hodnota je tiež vynásobená rovnakou konštantou, môžeme použiť distribučnú vlastnosť matematiky na prepísanie rovnice nasledovne:_Celkom = (0, 4 + 0, 3 + 0, 2) * 0, 0821 * 310/2.

Vykonajte súčty: 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 molu zmesi plynov. Rovnica bude jednoduchšia, a to P_Celkom = 0, 9 * 0, 0821 * 310/2.

Krok 3. Vypočítajte celkový tlak plynnej zmesi

Vykonajte násobenie: 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 móla, viac alebo menej.

Krok 4. Vypočítajte podiel každého plynu, ktorý tvorí zmes

Na výpočet podielu každého plynu v zmesi vydeľte počet mólov každého plynu celkovým počtom mólov.

Existuje 0,4 molu dusíka, takže 0,4/0,9 = 0,44 (44 percent) vzorky, viac alebo menej.
Existuje 0,3 molu dusíka, teda 0,3/0,9 = 0,33 (33 percent) vzorky, viac -menej.
Existuje 0,2 molu oxidu uhličitého, takže 0,2/0,9 = 0,22 (22 percent) vzorky, viac alebo menej.
Napriek tomu, že vyššie uvedený odhadovaný percentuálny výpočet vráti 0,99, skutočná desatinná hodnota sa zopakuje. To znamená, že za desatinnou čiarkou je číslo 9, ktoré sa opakuje. Podľa definície sa táto hodnota rovná 1 alebo 100 percentám.