Чему равно давление кислорода в том же сосуде

Давление газа – формула. Формула давления газа в сосуде

Давление является одним из трех основных термодинамических макроскопических параметров любой газовой системы. В данной статье рассмотрим формулы давления газа в приближении идеального газа и в рамках молекулярно-кинетической теории.

Идеальные газы

Каждый школьник знает, что газ является одним из четырех (включая плазму) агрегатных состояний материи, в котором частицы не имеют определенных положений и движутся хаотичным образом во всех направлениях с одинаковой вероятностью. Исходя из такого строения, газы не сохраняют ни объем, ни форму при малейшем внешнем силовом воздействии на них.

В любом газе средняя кинетическая энергия его частиц (атомов, молекул) больше, чем энергия межмолекулярного взаимодействия между ними. Кроме того, расстояния между частицами намного превышают их собственные размеры. Если молекулярными взаимодействиями и размерами частиц можно пренебречь, тогда такой газ называется идеальным.

В идеальном газе существует лишь единственный вид взаимодействия – упругие столкновения. Поскольку размер частиц пренебрежимо мал в сравнении с расстояниями между ними, то вероятность столкновений частица-частица будет низкой. Поэтому в идеальной газовой системе существуют только столкновения частиц со стенками сосуда.

Все реальные газы с хорошей точностью можно считать идеальными, если температура в них выше комнатной, и давление не сильно превышает атмосферное.

Причина возникновения давления в газах

Прежде чем записать формулы расчета давления газа, необходимо разобраться, почему оно возникает в изучаемой системе.

Согласно физическому определению, давление – это величина, равная отношению силы, которая перпендикулярно воздействует на некоторую площадку, к площади этой площадки, то есть:

Выше мы отмечали, что существует только один единственный тип взаимодействия в идеальной газовой системе – это абсолютно упругие столкновения. В результате них частицы передают количество движения Δp стенкам сосуда в течение времени соударения Δt. Для этого случая применим второй закон Ньютона:

Именно сила F приводит к появлению давления на стенки сосуда. Сама величина F от столкновения одной частицы является незначительной, однако количество частиц огромно (≈ 10 23 ), поэтому они в совокупности создают существенный эффект, который проявляется в виде наличия давления в сосуде.

Формула давления газа идеального из молекулярно-кинетической теории

При объяснении концепции идеального газа выше были озвучены основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ). Эта теория основывается на статистической механике. Развита она была во второй половине XIX века такими учеными, как Джеймс Максвелл и Людвиг Больцман, хотя ее основы заложил еще Бернулли в первой половине XVIII века.

Согласно статистике Максвелла-Больцмана, все частицы системы движутся с различными скоростями. При этом существует малая доля частиц, скорость которых практически равна нулю, и такая же доля частиц, имеющих огромные скорости. Если вычислить среднюю квадратичную скорость, то она примет некоторую величину, которая в течение времени остается постоянной. Средняя квадратичная скорость частиц однозначно определяет температуру газа.

Применяя приближения МКТ (невзаимодействующие безразмерные и хаотично перемещающиеся частицы), можно получить следующую формулу давления газа в сосуде:

Здесь N – количество частиц в системе, V – объем, v – средняя квадратичная скорость, m – масса одной частицы. Если все указанные величины определены, то, подставив их в единицах СИ в данное равенство, можно рассчитать давление газа в сосуде.

Формула давления из уравнения состояния

В середине 30-х годов XIX века французский инженер Эмиль Клапейрон, обобщая накопленный до него экспериментальный опыт по изучению поведения газов во время разных изопроцессов, получил уравнение, которое в настоящее время называется универсальным уравнением состояния идеального газа. Соответствующая формула имеет вид:

Здесь n – количество вещества в молях, T – температура по абсолютной шкале (в кельвинах). Величина R называется универсальной газовой постоянной, которая была введена в это уравнение русским химиком Д. И. Менделеевым, поэтому записанное выражение также называют законом Клапейрона-Менделеева.

Из уравнения выше легко получить формулу давления газа:

Равенство говорит о том, что давление линейно возрастает с температурой при постоянном объеме и увеличивается по гиперболе с уменьшением объема при постоянной температуре. Эти зависимости отражены в законах Гей-Люссака и Бойля-Мариотта.

Если сравнить это выражение с записанной выше формулой, которая следует из положений МКТ, то можно установить связь между кинетической энергией одной частицы или всей системы и абсолютной температурой.

Давление в газовой смеси

Отвечая на вопрос о том, как найти давление газа и формулы, мы ничего не говорили о том, является ли газ чистым, или речь идет о газовой смеси. В случае формулы для P, которая следует из уравнения Клапейрона, нет никакой связи с химическим составом газа, в случае же выражения для P из МКТ эта связь присутствует (параметр m). Поэтому при использовании последней формулы для смеси газов становится непонятным, какую массу частиц выбирать.

Когда необходимо рассчитать давление смеси идеальных газов, следует поступать одним из двух способов:

• Рассчитывать среднюю массу частиц m или, что предпочтительнее, среднее значение молярной массы M, исходя из атомных процентов каждого газа в смеси;
• Воспользоваться законом Дальтона. Он гласит, что давление в системе равно сумме парциальных давлений всех ее компонентов.

Пример задачи

Известно, что средняя скорость молекул кислорода составляет 500 м/с. Необходимо определить давление в сосуде объемом 10 литров, в котором находится 2 моль молекул.

Ответ на задачу можно получить, если воспользоваться формулой для P из МКТ:

Здесь содержатся два неудобных для выполнения расчетов параметра – это m и N. Преобразуем формулу следующим образом:

Объем сосуда в кубических метрах равен 0,01 м 3 . Молярная масса молекулы кислорода M равна 0,032 кг/моль. Подставляя в формулу эти значения, а также величины скорости v и количества вещества n из условия задачи, приходим к ответу: P = 533333 Па, что соответствует давлению в 5,3 атмосферы.

Источник

Нахождение парциального давления газов и общего давления смеси

Задача 47.

0,350г металла вытеснили из кислоты 209 мл водорода, собранного над водой при 20 °С и давлении 104,3 кПа. Давление насыщенного пара воды при этой температуре составляет 2,3кПа. Найти эквивалентную массу металла.

Решение:

Парциальное давление кислорода равно разности общего давления и парциального давления паров воды:

Обозначив искомый объём через и, используя объединённое уравнение закона Бойля- Мариотта и Гей-Люссака, находим V:

где Р и V – давление и объём газа при температуре T = 293К (273 +20 = 293); P = 101,325кПа; T = 273К; = 102кПа; V – объём газа при н.у..

Согласно закону эквивалентов, массы (объёмы) реагирующих друг с другом веществ m1 и m2 пропорциональны их эквивалентным массам (объёмам):

Мольный объём любого газа при н.у. равен 22,4л. Отсюда эквивалентный объём водорода равен 22,4 : 2 = 11,2л или 11200мл. Тогда, используя формулу закона эквивалентов, рассчитаем эквивалентную массу металла:

Ответ: m(Э) = 20г/моль.

Задача 48.

250 мл водорода собраны над водой при 26°С и давлении 98,7кПа. Давление насыщенного пара воды при 26°С составляет 3,4кПа. Вычислить объем водорода при нормальных условиях и его массу.

Решение:

Парциальное давление кислорода равно разности общего давления и парциального давления паров воды:

где P и V – давление и объём газа при температуре T = 299К (273 +26 = 299); P = 101,325кПа; T = 273К; V = 95,3кПа; – объём газа при н.у..

Учитывая, что 1г Н2 занимает 11200 мл рассчитаем массу водорода, содержащуюся в 214,97мл, составив пропорцию:

Ответ:

Задача 49.

0,604г двухвалентного металла вытеснили из кислоты 581мл водорода, собранного над водой при 18°С и давлении 105,6 кПа. Давление насыщенного пара воды при 18°С составляет 2,1кПа. Найти относительную атомную массу металла.

Решение:

Парциальное давление кислорода равно разности общего давления и парциального давления паров воды.

где P и V – давление и объём газа при температуре T = 291K (273 + 18 = 291); T = 273К; P = 101,325 Kпа; V -объём газа при н.у.

Согласно закону эквивалентов, массы (объёмы) реагирующих друг с другом веществ m1 и m2 пропорциональны их эквивалентным массам (объёмам):

Мольный объём любого газа при н.у. равен 22,4л. Отсюда эквивалентный объём водорода равен 22,4 : 2 = 11,2л или 11200мл. Тогда, используя формулу закона эквивалентов, рассчитаем эквивалентную массу металла:

M(Me) = mЭ(Me). B, где B – валентность металла. Тогда M(Me) = 12,16 . 2 = 24,32г/моль.

Ответ: M(Me) = 24,32г/моль.

Задача 50.

Сосуд наполнен смесью кислорода и азота. При каком соотношении парциальных давлений массы газов будут одинаковы:

Решение:

Парциальным давлением любого газа в смеси называется давление, которое производил бы газ, занимая при тех же условиях объём всей газовой смеси.

Так как 1моль любого газа занимает одинаковый объём при одинаковых физических условиях (например, 22,4л при н.у.), следовательно, и парциальные давления 1-го моля любого газа при тех же физических условиях будут одинаковы.

Молекулярная масса кислорода больше молекулярной массы азота в 1,14 раза (32/!4 = 1,14), то при одинаковых массах данных газов, соответственно, парциальное давление азота будет в 1,14 раза меньше, чем у кислорода, т. е.:

Ответ: б).

Задача 51.

Парциальное давление кислорода в воздухе равно 22 кПа. Чему равно содержание кислорода в процентах по объему: а) 42%; 6) 21%; в) 10,5%?

Решение:

Воздух представляет собой, в основном, смесь азота и кислорода. Для нахождения приведённого объёма кислорода, входящего в состав воздуха, приведённый к давлению смеси (Рвозд.) и температуре (Т) необходимо воспользоваться законом Бойля-Мариотта:

где

– объём кислорода; Vвозд. – объём воздуха; Рвозд. – общее давление смеси кислорода и азота (н.у.), 101,325кПа; – парциальное давление кислорода, 22кПа.

Сумма приведённых объёмов отдельных газов в смеси равняется общему объёму смеси, т. е.:

Отношение приведённых объёмов кислорода и азота к общему объёму воздуха называется объёмной долей и обозначается через r. Тогда:

Следовательно, содержание кислорода в процентах по объёму в воздухе с учётом закона Бойля-Мариотта, равно:

Ответ: б)

Задача 52.

Водород собирали в одном случае над водой, в другом над ртутью при одинаковых условиях. В обоих случаях объем газа оказался одинаковым. Одинаковы ли количества собранного водорода: а) одинаковы; б) количество водорода, собранного над ртутью, больше; в) количество водорода, собранного над водой, больше?

Решение:

Водород собирали над водой и над ртутью при одинаковых условиях при этом объёмы обеих систем оказались одинаковы. Учитывая, что ртуть имеет большую плотность, чем вода, то можно предположить, что количество водорода, собранное над ртутью будет больше, чем собранное над водой.

В обоих случаях объём газовой смеси будет складываться из определённого объёма водорода и паров жидкости, над которой собран газ. Так как температура кипения ртути и её плотность значительно выше, чем у воды, то в равных объёмах газов водорода будет содержаться больше над ртутью, так как ртути (её паров) будет в смеси значительно меньше, чем паров воды.

Таким образом, вследствие малой испаряемости ртути по отношению к воде парциальное давление паров ртути над жидкой ртутью будет меньше, чем парциальное давление паров воды над жидкой водой при одинаковых условиях и, следовательно, парциальное давление водорода над ртутью будет больше, чем над водой. Отсюда вытекает, что количество водорода, собранного над ртутью, больше, чем над водой.

Источник

Источник