Obsah

• Kroky
• Tipy
• Varovania
• Potrebné materiály

V chémii „parciálny tlak“ označuje tlak, ktorý vyvíja každý plyn v zmesi plynov na svoje okolie, ako je napríklad fľaša so vzorkou, nádrž s potápačským vzduchom alebo limity atmosféry. Tlak každého plynu v zmesi môžete vypočítať, ak viete, koľko ho je, aký objem zaberá a jeho teplotu. Potom môžete pridať tieto parciálne tlaky, aby ste zistili celkový tlak plynnej zmesi, alebo môžete najskôr nájsť celkový tlak a potom nájsť parciálne tlaky.

Kroky

Časť 1 z 3: Pochopenie vlastností plynov

1. 

   S každým plynom zaobchádzajte ako s „ideálnym“ plynom. Ideálny plyn v chémii je taký, ktorý interaguje s inými plynmi bez toho, aby ho priťahovali jeho molekuly. Jednotlivé molekuly môžu do seba naraziť a odrážať sa ako biliardové gule bez toho, aby sa nejako zdeformovali.
   • Ideálne tlaky plynu sa zvyšujú pri stlačení do menších priestorov a znižujú sa pri expanzii do väčších oblastí. Tento vzťah sa volá Boyleov zákon, po Robertovi Boyleovi. Matematicky je opísaná ako k = P x V alebo jednoduchšie k = PV, kde k predstavuje konštantný vzťah, P predstavuje tlak a V predstavuje objem.
   • Tlak je možné určiť pomocou jednej z niekoľkých možných jednotiek. Jedným z nich je Pascal (Pa), definovaný ako Newtonova sila pôsobiaca na meter štvorcový. Ďalším je atmosféra (atm), definovaná ako tlak zemskej atmosféry na úrovni mora. Tlak 1 atm sa rovná 101 325 Pa.
   • Ideálne teploty plynu stúpajú so zväčšovaním a zmenšovaním objemov. Tento vzťah sa nazýva Charlesov zákon po Jacquesovi Charlesovi a je matematicky opísaný ako k = V / t, kde k predstavuje vzťah medzi konštantným objemom a teplotou, V predstavuje opäť objem a T predstavuje teplotu.
   • Teploty plynu v tejto rovnici sú uvedené v stupňoch Kelvina, ktoré sa zistia pripočítaním 273 k počtu stupňov Celzia teploty plynu.
   • Tieto dva vzťahy je možné spojiť do jednej rovnice: k = PV / T, ktorú možno tiež zapísať ako PV = kT.

2. 

   
   
   Definujte, v akom množstve sa merajú plyny. Plyny majú hmotnosť a objem. Objem sa zvyčajne meria v litroch (l), ale existujú dva typy hmotnosti.
   • Bežná hmotnosť sa meria v gramoch alebo, ak je dostatočne veľká, v kilogramoch.
   • Kvôli ľahkosti plynov sa merajú aj v inej forme hmotnosti, ktorá sa nazýva molekulová hmotnosť alebo molárna hmotnosť. Molárna hmotnosť je definovaná ako súčet atómových hmotností každého atómu zlúčeniny, z ktorej je plyn vyrobený, pričom každý atóm je porovnaný s hodnotou 12 pre uhlík.
   • Pretože atómy a molekuly sú príliš malé na to, aby s nimi bolo možné pracovať, sú množstvá plynov definované v moloch. Počet mólov prítomných v danom plyne je možné určiť vydelením hmotnosti molárnou hmotnosťou a môže byť vyjadrený písmenom n.
   • Môžeme nahradiť ľubovoľnú konštantu k v plynovej rovnici súčinom n, počtom mólov (mol) a novou konštantou R. Rovnicu môžeme teraz zapísať nR = PV / T alebo PV = nRT.
   • Hodnota R závisí od jednotiek použitých na meranie tlakov, objemov a teplôt plynov. Na identifikáciu objemu v litroch, teploty v Kelvinoch a tlaku v atmosfére je jeho hodnota 0,0821 L.atm / K.mol. To možno tiež zapísať L 0,0821 atm K mol, aby sa zabránilo rozdeleniu pruhu v jednotkách merania.

3. 

   
   
   Pochopte Daltonov zákon parciálnych tlakov. Daltonov zákon, ktorý vyvinul chemik a fyzik John Dalton, ktorý ako prvý pokročil v koncepcii chemických prvkov tvorených z atómov, uvádza, že celkový tlak plynnej zmesi je súčtom tlakov každého z plynov v zmesi.
   • Daltonov zákon možno napísať ako rovnicu ako P _Celkom = P₁ + Str₂ + Str₃... s toľkými dodatkami za znamienkom rovnosti, koľko je v zmesi plynov.
   • Rovnicu Daltonovho zákona je možné rozšíriť pri práci s plynmi, ktorých jednotlivé parciálne tlaky nie sú známe, ale o ktorých poznáme ich objemy a teploty. Parciálny tlak plynu je rovnaký tlak, ak bolo rovnaké množstvo plynu jediným plynom v nádobe.
   • Pre každý z parciálnych tlakov môžeme prepísať rovnicu ideálneho plynu tak, že namiesto vzorca PV = nRT môžeme mať na ľavej strane znaku rovnosti iba P. Za týmto účelom vydelíme obe strany číslom V: PV / V = ​​nRT / V. Dve Vs na ľavej strane sa navzájom rušia, takže P = nRT / V.
   • Potom môžeme nahradiť každé P prihlásené na pravej strane rovnice parciálneho tlaku: P_Celkom = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃…

Časť 2 z 3: Výpočet parciálnych tlakov a potom celkových tlakov

1. 

   
   
   
   
   Definujte rovnicu parciálneho tlaku pre plyny, s ktorými pracujete. Na účely tohto výpočtu budeme predpokladať dvojlitrový balón, ktorý obsahuje tri plyny: dusík (N₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO₂). Každý z týchto plynov obsahuje 10 g a teplota každého z nich v banke je 37 ° C. Musíme zistiť parciálny tlak každého plynu a celkový tlak, ktorý zmes vyvíja na nádobu.
   • Naša rovnica parciálneho tlaku sa zmení na P _Celkom = P _dusík + Str _kyslík + Str _{oxid uhličitý} .
   • Pretože sa snažíme nájsť tlak, ktorý každý plyn vyvíja, poznáme objem a teplotu a na základe hmotnosti môžeme zistiť, koľko mólov každého plynu je prítomných, môžeme túto rovnicu prepísať na: P_Celkom = (nRT / V) _dusík + (nRT / V) _kyslík + (nRT / V) _{oxid uhličitý}

2. 

   
   
   Prepočítajte teplotu na Kelvin. Teplota je 37 ° Celzia, takže pridajte 273 do 37 a získate 310 K.

3. 

   Nájdite počet mólov pre každý z plynov vo vzorke. Počet mólov plynu je hmotnosť plynu, ktorá sa vydelí jeho molárnou hmotnosťou, o ktorej sme povedali, že je súčtom atómových hmotností každého atómu v zlúčenine.
   • Pre prvý plyn dusík (N₂), každý atóm má atómovú hmotnosť 14. Pretože dusík je dvojatómový (molekulárna forma dvoch atómov), musíme vynásobiť číslo 14 číslom 2, aby sme zistili, že dusík v našej vzorke má molárnu hmotnosť 28. Potom hmotu vydeľte v gramoch, 10 g, čo je 28, aby sme získali počet mólov, čo bude približne 0,4 mol dusíka.
   • Pre druhý plyn kyslík (O₂), každý atóm má atómovú hmotnosť 16. Kyslík je tiež dvojatómový, takže vynásobte číslo 16 číslom 2 a zistite, že kyslík v našej vzorke má molárnu hmotnosť 32. Delenie 10 g číslom 32 nám dáva približne 0,3 mol kyslíka v našom vzorka.
   • Tretí plyn, oxid uhličitý (CO₂), má 3 atómy: jeden uhlík s atómovou hmotnosťou 12; a dva kyslík, každý s atómovou hmotnosťou 16. Sčítame tri hmotnosti: 12 + 16 + 16 = 44 pre molárnu hmotnosť. Rozdelením 10 g na 44 nám vznikne približne 0,2 mol oxidu uhličitého.

4. 

   
   
   Hodnoty nahraďte mólami, objemom a teplotou. Naša rovnica teraz vyzerá takto: P_Celkom = (0,4 * R * 310/2) _dusík + (0,3 * R * 310/2) _kyslík + (0,2 * R * 310/2) _{oxid uhličitý}.
   • Pre jednoduchosť sme vynechali jednotky merania sprevádzajúce hodnoty. Po vykonaní matematiky budú tieto jednotky zrušené, pričom zostane iba merná jednotka, ktorú používame na hlásenie tlakov.

5. 

   Nahraďte hodnotu pre konštantu R. Nájdeme parciálny a celkový tlak v atmosférach, takže použijeme hodnotu R 0,0821 atm L / K.mol. Nahradením hodnoty v rovnici nám teraz vznikne P_Celkom =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _dusík + (0,3 *0,0821 * 310/2) _kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{oxid uhličitý} .

6. 

   Vypočítajte parciálne tlaky pre každý plyn. Teraz, keď máme hodnoty zavedené, je čas urobiť matematiku.
   • Pre parciálny tlak dusíka vynásobíme 0,4 mol našou 0,0821 konštantou a našou teplotou 310 K a potom vydelíme 2 litrami: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm.
   • Pre parciálny tlak kyslíka vynásobíme 0,3 mol našou konštantou 0,0821 a našou teplotou 310 K a potom vydelíme 2 litrami: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3, 82 atm.
   • Pre parciálny tlak oxidu uhličitého vynásobíme 0,2 mol našou 0,0821 konštantou a našou teplotou 310 K a potom vydelíme 2 litrami: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm.
   • Teraz pridáme tieto tlaky, aby sme našli celkový tlak: P_Celkom = 5,09 + 3,82 + 2,54, alebo približne 11,45 atm.

Časť 3 z 3: Výpočet celkového tlaku a potom parciálnych tlakov

1. 

   Definujte rovnicu parciálneho tlaku ako predtým. Opäť predpokladáme, že dvojlitrová banka obsahuje 3 plyny: dusík (N₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO₂). Každý z plynov obsahuje 10 g a teplota každého z plynov v banke je 37 stupňov Celzia.
   • Teplota v Kelvinoch bude stále 310 a rovnako ako predtým máme okolo 0,4 mol dusíka, 0,3 mol kyslíka a 0,2 mol oxidu uhličitého.
   • Rovnako stále nájdeme tlaky v atmosférach, takže pre konštantu R použijeme hodnotu 0,0821 atm L / K.mol.
   • Naša rovnica parciálneho tlaku teda v tomto bode vyzerá stále rovnako: P_Celkom =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _dusík + (0,3 *0,0821 * 310/2) _kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{oxid uhličitý}.

2. 

   Pridajte počet mólov každého z plynov vo vzorke a zistite celkový počet mólov plynnej zmesi. Pretože objem a teplota sú rovnaké pre každú vzorku v plyne, nehovoriac o tom, že každá molárna hodnota sa vynásobí rovnakou konštantou, môžeme na prepísanie rovnice ako P použiť distribučnú vlastnosť matematiky._Celkom = (0,4 + 0,3 + 0,2) * 0,0821 * 310/2.
   • Pridanie 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 mol plynnej zmesi. To ďalej zjednodušuje rovnicu pre P _Celkom = 0,9 * 0,0821 * 310/2.

3. 

   Vypočítajte celkový tlak plynnej zmesi. Násobenie 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 mol, približne.

4. 

   Nájdite podiel každého plynu v celkovej zmesi. Za týmto účelom vydelte počet mólov pre každý z plynov celkovým počtom mólov.
   • Existuje 0,4 mol dusíka, teda približne 0,4 / 0,9 = 0,44 (44%) vzorky.
   • Existuje 0,3 mol dusíka, teda približne 0,3 / 0,9 = 0,33 (33%) vzorky.
   • Existuje 0,2 mol oxidu uhličitého, takže približne 0,2 / 0,9 = 0,22 (22%) vzorky.
   • Aj keď vyššie uvedené približné percentá tvoria iba 0,99, skutočné desatinné miesta sa opakujú, takže skutočný súčet predstavuje sériu opakovaní deviatok za desatinnou čiarkou. Podľa definície je to rovnaké ako 1 alebo 100%.

5. 

   Vynásobte proporcionálnu hodnotu každého plynu celkovým tlakom a nájdite parciálny tlak.
   • Násobenie 0,44 * 11,45 = 5,04 atm, približne.
   • Násobenie 0,33 * 11,45 = 3,78 atm, približne.
   • Násobenie 0,22 * 11,45 = 2,52 atm, približne.

Tipy

• Malý rozdiel v hodnotách si všimnete tak, že najskôr nájdete parciálne tlaky, potom celkový tlak a najskôr nájdete celkový tlak a až potom parciálne tlaky. Pamätajte, že dané hodnoty boli prezentované ako približné hodnoty kvôli zaokrúhleniu na jedno alebo dve desatinné miesta, aby boli hodnoty ľahšie pochopiteľné. Ak robíte výpočty pomocou kalkulačky bez zaokrúhľovania, všimnete si malý, ak vôbec nejaký, nesúlad medzi týmito dvoma metódami.

Varovania

• Znalosť parciálnych tlakov plynu sa pre potápačov môže stať otázkou života a smrti. Príliš nízky parciálny tlak kyslíka môže viesť k strate vedomia a smrti, zatiaľ čo veľmi vysoký parciálny tlak vodíka alebo kyslíka môže byť tiež toxický.

Potrebné materiály

• Kalkulačka;
• Príručka atómových hmotností / molárnych hmotností.