Kako izračunati parcijalni tlak: 14 koraka (sa slikama)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-19 22:12

"Parcijalni tlak" u kemiji je tlak koji svaki plin u plinskoj smjesi vrši na svoju okolinu, poput volumetrijske tikvice, spremnika zraka za ronjenje ili granice atmosfere. Tlak svakog plina u smjesi možete izračunati ako znate količinu plina, volumen koji zauzima i temperaturu. Parcijalni tlakovi mogu se zbrojiti kako bi se izračunao ukupni tlak plinske smjese. S druge strane, ukupni tlak može se unaprijed izračunati za izračun parcijalnog tlaka.

Korak

1. dio od 3: Razumijevanje svojstava plinova

Korak 1. Svaki plin tretirajte kao "idealan" plin

U kemiji je idealan plin plin koji stupa u interakciju s drugim plinovima bez privlačenja svojih molekula. Pojedinačne molekule mogu udarati i odskakivati poput biljarskih kugli, a da se ne deformiraju.

Tlak idealnog plina raste kada se stisne u manjem prostoru, a smanjuje se kada se širi u većem prostoru. Taj se odnos naziva Boyleov zakon koji je stvorio Robert Boyle. Matematički, formula je k = P x V, ili pojednostavljena na k = PV, k je konstanta, P je tlak, dok je V volumen.
Postoji nekoliko mogućih jedinica za pritisak. Jedan od njih je Pascal (Pa). Ova jedinica definirana je kao sila jednog njutna primijenjena na površinu od jednog četvornog metra. Druga jedinica je atmosfera (atm). Atmosfera je tlak Zemljine atmosfere na razini mora. Tlak od 1 atm ekvivalentan je 101.325 Pa.
Temperatura idealnog plina raste s povećanjem volumena i smanjuje se s smanjenjem volumena. Taj se odnos naziva Charlesov zakon koji je stvorio znanstvenik Jacques Charles. Matematička formula je k = V / T, gdje je k volumen i temperaturna konstanta, V volumen, a T temperatura.
Temperatura plina u ovoj jednadžbi dana je u stupnjevima Kelvina, što se dobiva dodavanjem broja 273 vrijednosti stupnja u Celzijusu.
Dvije gornje formule mogu se kombinirati s jednom jednadžbom: k = PV / T, koja se također može napisati kao PV = kT.

Korak 2. Odredite količinu plina koju ćete mjeriti

Plinovi imaju masu i volumen. Zapremina se obično mjeri u litrama (l), ali postoje dvije vrste mase.

Uobičajena masa mjeri se u gramima, ali u većim količinama jedinica je kilogram.
Budući da su plinovi vrlo lagani, jedinice koje se koriste su molekularna masa ili molarna masa. Molarna masa je zbroj ukupnih atomskih masa svakog atoma u spoju koji čini plin, svakog atoma u usporedbi s brojem 12 za ugljik.
Budući da su atomi i molekule premali za brojanje, količina plina je navedena u molovima. Broj molova prisutnih u danom plinu može se dobiti dijeljenjem mase s molarnom masom i označenim slovom n.
Konstanta K u jednadžbi plina može se zamijeniti umnoškom n, brojem molova (molova) i novom konstantom R. Sada je formula nR = PV/T ili PV = nRT.
Vrijednost R ovisi o jedinicama koje se koriste za mjerenje tlaka, volumena i temperature plina. Za volumen u litrama, temperaturu u Kelvinima i tlak u atmosferi, vrijednost je 0,0821 L atm/K mol. Ova vrijednost može se zapisati kao 0,0821 L atm K^-1 madež ^-1 kako bi se izbjeglo korištenje kosih crta za predstavljanje podjela u mjernim jedinicama.

Korak 3. Shvatite Daltonov zakon parcijalnog tlaka

Ovaj zakon razvio je kemičar i fizičar John Dalton, koji je prvi razvio koncept da se kemijski elementi sastoje od atoma. Daltonov zakon kaže da je ukupni tlak mješavine plinova zbroj pritisaka pojedinih plinova u smjesi.

Daltonov zakon može se napisati u obliku sljedeće formule P_ukupno = P₁ + P₂ + P₃ … količina P desno od znaka jednaka je količini plina u smjesi.
Daltonova formula može se proširiti kada se radi o raznim plinovima u kojima je parcijalni tlak svakog plina nepoznat, ali čiji su volumen i temperatura poznati. Parcijalni tlak plina jednak je tlaku koji pretpostavlja da je plin u toj količini jedini plin u spremniku.
Za svaki parcijalni tlak može se koristiti idealna formula plina. Umjesto PV = nRT, može se koristiti samo P slijeva. Za to su obje strane podijeljene s V: PV/V = nRT/V. Dva V na desnoj strani poništavaju jedno drugo, ostavljajući P = nRT/V.
Pomoću njega možemo zamijeniti svaki P s desne strane koji predstavlja određeni plin u formuli parcijalnog tlaka: P_ukupno = (nRT/V) ₁ + (nRT/V) ₂ + (nRT/V) ₃ …

Dio 2 od 3: Izračun parcijalnog tlaka, zatim ukupnog tlaka

Korak 1. Odredite jednadžbu parcijalnog tlaka za svaki plin koji izračunavate

Za ovaj izračun pretpostavlja se da tikvica od 2 litre sadrži 3 plina: dušik (N₂), kisik (O₂) i ugljični dioksid (CO₂). Svaki plin ima masu od 10 g i temperaturu od 37 stupnjeva Celzijusa. Izračunat ćemo parcijalni tlak svakog plina i ukupni tlak plinske smjese u kemijskoj tikvici.

Formula parcijalnog tlaka je P_ukupno = P_dušik + P_kisik + P_{ugljični dioksid}.
Budući da tražimo tlak za svaki plin s poznatim volumenom i temperaturom, broj molova svakog plina može se izračunati na temelju njegove mase. Formula se može promijeniti u: P_ukupno = (nRT/V) _dušik + (nRT/V) _kisik + (nRT/V) _{ugljični dioksid}

Korak 2. Pretvorite temperaturu u stupnjeve Kelvina

Temperatura u Celzijusu je 37 stupnjeva, pa dodajte 273 do 37 da biste dobili 310 stupnjeva K.

Korak 3. Pronađite broj molova svakog plina prisutnog u uzorku

Broj molova plina je masa plina podijeljena s molarnom masom, koja je zbroj atomskih masa svakog atoma u smjesi.

Za plin dušik (N₂), svaki atom ima atomsku masu 14. Budući da je dušik dvoatomni (molekula s dva atoma), vrijednost 14 mora se pomnožiti s 2 kako bi se dobila molarna masa 28 za dušik u ovom uzorku. Zatim se masa u gramima, 10 g, podijeli s 28, kako bi se dobio broj molova, pa je rezultat oko 0,4 mola dušika.
Za sljedeći plin, kisik (O₂), svaki atom ima atomsku masu 16. Kisik je također dvoatomičan, pa 16 puta 2 daje molarnu masu kisika u uzorku 32. 10 grama podijeljeno s 32 daje približno 0,3 mola kisika.
Slijedi ugljični dioksid (CO₂), koji ima 3 atoma, naime jedan atom ugljika atomske mase 12 i dva atoma kisika s atomskom masom 16. Ove tri atomske mase dodaju se kako bi se dobila molarna masa: 12 + 16 + 16 = 44. Sljedećih 10 grama podijeljeno je s 44, pa je rezultat oko 0,2 mola ugljičnog dioksida.

Korak 4. Unesite vrijednosti mola, volumen i temperaturu

Brojevi su unijeti u formulu: P_ukupno = (0, 4 * R * 310/2) _dušik + (0, 3 * R * 310/2) _kisik + (0, 2 * R * 310/2) _{ugljični dioksid}.

Radi jednostavnosti, jedinice nisu napisane. Ove će se jedinice izbrisati u matematičkim izračunima, ostavljajući samo jedinice pritiska

Korak 5. Unesite vrijednost konstante R

Ukupni i parcijalni tlak bit će izraženi u atmosferskim jedinicama, pa je upotrijebljena vrijednost R 0,0821 L atm/K mol. Ta se vrijednost zatim unosi u jednadžbu tako da je formula P_ukupno =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _dušik + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _kisik + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _{ugljični dioksid}.

Korak 6. Izračunajte parcijalne tlakove za svaki plin

Sada kada su dostupne sve potrebne vrijednosti, vrijeme je za izračunavanje.

Za parcijalni tlak dušika 0,4 mola pomnoži se s konstantom od 0,0821 i temperaturom od 310 stupnjeva K, a zatim se podijeli s 2 litre: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm, približno.
Za parcijalni tlak kisika 0,3 mola pomnoži se s konstantom od 0,0821 i temperaturom od 310 stupnjeva K, zatim se podijeli s 2 litre: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 atm, približno.
Za parcijalni tlak ugljičnog dioksida 0,2 mola množi se s konstantom od 0,0821 i temperaturom od 310 stupnjeva K, zatim se dijeli s 2 litre: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm, približno.
Tri parcijalna tlaka se zatim zbrajaju kako bi se dobio ukupni tlak: P_ukupno = 5, 09 + 3, 82 + 2, 54 ili 11,45 atm, više ili manje.

Dio 3 od 3: Izračunavanje ukupnog tlaka, a zatim djelomičnog

Korak 1. Odredite formulu parcijalnog tlaka kao i prije

Opet, pretpostavimo da tikvica od 2 litre sadrži 3 različita plina: dušik (N₂), kisik (O₂) i ugljični dioksid (CO₂). Masa svakog plina je 10 grama, a temperatura svakog 37 stupnjeva C.

Temperatura u Kelvinu i dalje je ista 310 stupnjeva, a broj molova je približno 0,4 mola dušika, 0,3 mola kisika i 0,2 mola ugljičnog dioksida.
Korištena jedinica tlaka također je atmosfera, pa je vrijednost konstante R 0,0821 L atm/K mol.
Tako je jednadžba parcijalnog tlaka u ovom trenutku još uvijek ista: P_ukupno =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _dušik + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _kisik + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _{ugljični dioksid}.

Korak 2. Dodajte broj molova svakog plina u uzorku kako biste dobili ukupan broj molova plinske smjese

Budući da su volumen i temperatura isti za svaki uzorak plina, a svaka se molarna vrijednost također množi s istom konstantom, možemo upotrijebiti distribucijsko svojstvo matematike za prepisivanje jednadžbe na sljedeći način:_ukupno = (0, 4 + 0, 3 + 0, 2) * 0, 0821 * 310/2.

Učinite zbrojeve: 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 molova plinske smjese. Jednadžba će biti jednostavnija, naime P_ukupno = 0, 9 * 0, 0821 * 310/2.

Korak 3. Izračunajte ukupni tlak plinske smjese

Učinite množenje: 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 mola, više ili manje.

Korak 4. Izračunajte udio svakog plina koji čini smjesu

Da biste izračunali udio svakog plina u smjesi, podijelite broj molova svakog plina s ukupnim brojem molova.

Postoji 0,4 mola dušika, pa je 0,4/0,9 = 0,44 (44 posto) uzorka, više ili manje.
Postoji 0,3 mola dušika, pa je 0,3/0,9 = 0,33 (33 posto) uzorka, više ili manje.
Postoji 0,2 mola ugljičnog dioksida, pa je 0,2/0,9 = 0,22 (22 posto) uzorka, više ili manje.
Iako gornji izračun procijenjenog postotka vraća 0,99, stvarna decimalna vrijednost se ponavlja. To znači da je nakon decimalne točke broj 9 koji se ponavlja. Po definiciji ta je vrijednost jednaka 1 ili 100 posto.