Газ занимает сосуд объемом 5 л чему равно число молей газа
Random converter |
Калькулятор закона состояния идеального газа (давление-объем-температура-количество)Калькулятор закона состояния идеального газа определяет одну из четырех величин, входящих в уравнение состояния (давление, объем, температура или количество), если известны три другие величины. Пример: Рассчитать давление в паскалях в 70-литровом баке работающего на метане автомобиля, если в нем хранится 800 молей метана при 30 °С. Еще несколько примеров решения задач о состоянии идеального газа под приводится калькулятором. Выберите неизвестную величину для решения уравнения состояния идеального газа: PVTn Абсолютное давление P Объем V Температура T ИЛИ Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры Для расчета выберите неизвестную величину и введите три известные величины из четырех имеющихся в уравнении состояния газа (давление, объем, температура, количество). Четвертая величина будет рассчитана после нажатия на кнопку Рассчитать. Количество можно ввести в молях или указать молярную массу и массу газа. Для определения молярной массы любого газа можно использовать калькулятор молярной массы. Если нужно определить молярную массу смеси газов, например, сухого воздуха, нужно определить молярные массы каждого газа и умножить их на процентное содержание по массе каждого газа в воздухе. Примеры решения задач по уравнению состояния идеального газа (уравнению Менделеева – Клапейрона)Задача 1: Плотность воздуха при нормальных условиях (температура 0 °С и атмосферное абсолютное давление 100 кПа) составляет 1,28 кг/м³. Определить среднюю молярную массу воздуха. Решение: Поскольку плотность воздуха задана, это означает, что в калькулятор можно ввести массу одного кубического метра воздуха, равную 1,28 кг. Введите в калькулятор данные:
Задача 2: Молярная масса газа кислорода (O₂) M = 32 г/моль. Определить абсолютную температуру 128 г. кислорода, находящегося в 10-литровом сосуде под давлением P = 3 МПа. Решение: Нажмите кнопку Reset и введите в калькулятор данные задачи:
Задача 3: В сосуде высокого давления находится газ под давлением P = 0.5 МПа при температуре T = 15 °С. Объем газа V = 5 л. Рассчитать объем этой массы газа при нормальных условиях (P = 100 кПа, T = 0 °С). Решение: Нажмите кнопку Reset и введите в калькулятор данные задачи:
Задача 4: Рассчитать давление в паскалях в 70-литровом баке работающего на метане автомобиля, если в нем хранится 12,8 кг метана (молярная масса 16 г/моль) при 30 °С. Определения и формулыИдеальный газИдеальный газ – теоретическая модель, в которой газ представляется в виде множества свободно движущихся частиц бесконечно малого размера, которые взаимодействуют друг с другом абсолютно упруго, то есть при столкновении двух частиц их кинетическая энергия не изменяется и не превращается ни в какую другую форму энергию, например, в потенциальную энергию или в тепло. Считается, что суммарный размер частиц настолько мал, что занимаемый ими объем в сосуде пренебрежимо мал. Эта теоретическая модель полезна, так как она упрощает многие расчеты, а также в связи с тем, что идеальный газ подчиняется законам классической механики. Идеальный газ можно представить себе в виде множества абсолютно твердых сфер, которые только сталкиваются друг с другом и больше никак не взаимодействуют. В обычных условиях, например, при стандартных условиях (при температуре 273,15 К и давлении в 1 стандартную атмосферу) большинство реальных газов ведут себя как идеальный газ. В общем случае, газ ведет себя как идеальный при низком давлении и высокой температуре, когда расстояния между молекулами газа относительно велики. В этих условиях потенциальная энергия вследствие действия межмолекулярных сил намного меньше кинетической энергии частиц. Размер молекул также незначителен по сравнению с расстоянием между ними. Идеальная модель не работает при низких температурах и высоких давлениях, а также для тяжелых газов. При понижении температуры и повышении давления реальный газ может стать жидкостью или даже перейти в твердое состояние, то есть может произойти фазовый переход. В то же время, модель идеального газа не допускает жидкого или твердого состояния. Закон идеального газаИдеальный газ, как и любой другой газ, можно охарактеризовать четырьмя переменными и одной константой, а именно:
Эти четыре переменные и одна константа объединены в приведенном ниже уравнении, которое называется уравнением состояния идеального газа: Это уравнение также известно под названием закона идеального газа и уравнения Менделеева – Клапейрона или уравнения Клапейрона, так как уравнение было впервые выведено в 1834 г. французским инженером Эмилем Клапейроном (1799-1864). О вкладе Д. И. Менделеева – чуть ниже. В этом уравнении:
Приведенное выше уравнение показывает, что при нулевой абсолютной температуре получается нулевой объем. Однако это не означает, что объем реального газа действительно исчезает. При очень низких температурах все газы становятся жидкостями и уравнение идеального газа к ним неприменимо. Универсальная газовая постоянная соответствует работе, выполненной при расширении одного моля идеального газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении. Размерность постоянной – работа на количество вещества на температуру. Постоянная в точности равна 8,31446261815324 Дж⋅К⁻¹⋅моль⁻¹. Универсальная газовая постоянная также определяется как произведение числа Авогадро NA и постоянной Больцмана k: Входящая в уравнение состояния идеального газа универсальная газовая постоянная была предложена и введена в уравнение Дмитрием Менделеевым в 1877 г. Поэтому уравнение состояния идеального газа в литературе на русском языке и ее переводах на другие языки, называется уравнением Менделеева – Клапейрона. Количество газа в молях часто бывает удобно заменить массой газа. Количество газа в молях n, его масса m в граммах и молярная масса M в граммах на моль связаны формулой: Заменяя в уравнении состояния идеального газа n на m/M, имеем: Для определения молярной массы элемента, его относительная атомная масса умножается на коэффициент молярной массы в кг/моль Например, молярная масса кислорода в единицах системы СИ Если ввести в уравнение состояния идеального газа плотность ρ = m/V, мы получим: Теперь введем понятие удельной газовой постоянной, которая представляет собой отношение универсальной газовой постоянной R к молярной массе M: Например, удельная газовая постоянная сухого воздуха приблизительно равна 287 Дж·кг⁻¹·К⁻¹. Подставив удельную газовую постоянную в уравнение состояния идеального газа, получим: Закон идеального газа объединяет четыре более простых эмпирических газовых закона, открытых в XVII-XIX вв. несколькими учеными, которые аккуратно измеряли свойства газа. Простые газовые законы можно также вывести из уравнения состояния идеального газа (PV=nRT). Поскольку в этом уравнении R является постоянной величиной, можно записать Поскольку PV/NT – постоянная величина, можно записать это иначе: Здесь индексы 1 и 2 показывают начальное и конечное состояние газа в системе. Мы будем использовать это уравнение ниже при описании четырех газовых законов. Отметим, что исторически именно эмпирические законы поведения газа, описанные ниже, привели к открытию обобщенного закона состояния идеального газа. Эти законы были открыты несколькими учеными, которые проводили эксперименты, изменяя только две переменные состояния газа и оставляя две другие переменные постоянными. Закон Бойля – Мариотта (T=const, n=const)Роберт Бойль Изменим предыдущее уравнение с учетом, что количество газа в молях n и его температура Т остаются неизменными: или Эдм Мариотт Это закон Бойля – Мариотта, описывающий зависимость объема V фиксированного количества газа в молях n от давления P при постоянной температуре T. Давление фиксированной массы газа при неизменной температуре обратно пропорционально его объему. Закон был сформулирован англо-ирландским химиком и физиком Робертом Бойлем в 1662 г. В России и континентальной Европе это закон называют законом Бойля – Мариотта с учетом вклада в открытие закона французского физика и священника Эдма Мариотта. Закон Авогадро (T=const, P=const)Амедео Авогадро Если температура и давление остаются неизменными, можно записать Это закон Авогадро, указывающий, что при неизменных температуре и давлении равные объемы любых газов содержат одинаковое количество молекул. Это уравнение показывает, что, если количество газа увеличивается, объем газа пропорционально растет. Иными словами, количество атомов или молекул газа не зависит от их размеров или от молярной массы газа. Закон назван в честь итальянского ученого Амедео Авогадро, который опубликовал гипотезу об отношениях объема газа и его количества в молях в 1811 году. Число Авогадро также носит его имя. Закон Гей-Люссака (P=const, n=const)Жак Шарль При постоянном давлении объем фиксированного количества газа в молях пропорционален абсолютной температуре системы с газом. В англоязычной литературе этот закон называется законом объемов и законом Шарля. Закон описывает как расширяется любой газ при увеличении его абсолютной температуры. Закон был сформулирован в неопубликованной работе французским ученым Жаком Шарлем в 80-х гг. XVIII в. Его соотечественник Жозеф Луи Гей-Люссак опубликовал этот закон в 1803 г. и указал, что приоритет открытия принадлежит Жаку Шарлю. Поэтому этот закон в литературе не на английском языке часто называют законом Гей-Люссака. В русскоязычной литературе закон носит имя Гей-Люссака. Итальянцы называют этот закон первым законом Гей-Люссака (ит. prima legge di Gay-Lussac). Закон Шарля (или второй закон Гей-Люссака) (V=const, n=const)Жозеф Луи Гей-Люссак Закон Шарля (называемый также вторым законом Гей-Люссака) гласит, что давление фиксированного количества газа в молях при его неизменном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре газа: Закон был сформулирован Гей-Люссаком в 1802 г. В литературе на других языках этот закон также называют законом Амонтона по имени французского ученого Гийома Амонтона, который на сто лет раньше обнаружил количественную зависимость объема газа от его температуры. Иногда закон называют вторым законом Гей-Люссака и законом Шарля, так как сам Гей-Люссак считал, что закон открыт Шарлем. Закон зависимости давления от температуры был также независимо открыт английским физиком Джоном Дальтоном в 1801 г. Итальянцы называют этот закон вторым законом Вольта-Гей-Люссака (ит. seconda legge di Volta – Gay-Lussac), потому что итальянец Алессандро Вольта независимо проводил исследования газов и получил аналогичные результаты. При нагревании воздуха в оболочке воздушного шара его плотность уменьшается и становится меньше плотности окружающего воздуха; в результате шар приобретает положительную плавучесть |
Источник
Задача 62.
Вычислить массу: а) 2л Н2 при 15 °С и давлении 100,7кПа (755мм рт. ст.); 6) 1м3 N2 при 10 °С и давлении 102,9 кПа (772мм рт. ст.); в) 0,5 м3 Cl2 при 20 °С и давлении 99,9 кПа (749,3мм рт. ст.).
Решение:
Зависимость между объёмом газа, давлением и температурой выражается общим уравнением, объединяющим законы Гей-Люссака и Бойля-Мариотта:
где P и V – давление и объём газа при температуре T; P0 (101,325кПа) и V0 – давление и объём газа при нормальных условиях; T0 (273К) – абсолютная температура. Преобразуя уравнение, получим выражение для расчета объёма газов при нормальных условиях:
Рассчитаем массу каждого газа, учитывая, что мольный объём газа равен 22,4л и, зная молекулярную массу газов, получим:
Ответ: а) 0,168г; б) 1.23кг; в) 1,456кг.
Задача 63.
Определить объем, занимаемый 0,07кг N2 при 21°С и давлении 142 кПа (106 мм рт. ст.).
Решение:
Зная мольный объём и мольную массу азота (28г/моль), находим объём, который будет занимать 0,07кг (70г) азота при нормальных условиях:
Затем приведём полученный объём к температуре Т = 21оС (294К) и Р = 142кПа, используя выражение, объединяющее законы Гей-Люссака и Бойля-Мариотта:
где P и V – давление и объём газа при температуре T; P0 (101,325кПа) и V0 – давление и объём газа при нормальных условиях; (273 К) – абсолютная температура. Преобразуя уравнение, получим выражение для расчета объёма газа при заданной температуре
Ответ: 43л.
Задача 64.
Бертолетова соль при нагревании разлагается с образованием КСI и О2. Сколько литров кислорода при 0 °С и давлении 101,3 кПа можно получить из 1 моля КСIО3?
Решение:
Уравнение реакции термического разложения бертолетовой соли имеет вид:
Из уравнения реакции следует, что из двух молей бертолетовой соли образуется три моля кислорода, т.е. из одного моля соли образуется полтора моля кислорода (2:3 = 1:х; x = 1.3/2 = 1,5моль).
Объём кислорода при нормальных условиях (T0 =0 °С и P0 =101.325кПа) можно рассчитать по формуле:
V(B) – объём газа, л;
(B) – количество газа, моль;
V(M) – мольный объём, 22,4л.
Тогда
V(кислорода) = 1,5 . 22,4 = 33,6л.
Ответ: 33,6л.
Задача 65.
Сколько молей содержится в 1м3 любого газа при нормальных условиях?
Решение:
Зная, что один моль любого газа при нормальных условиях (Т0 =0 °С и Р0 =101.325 кПа) занимает 22,4л, рассчитаем количество молей газа в 1м3 (1000 л) из пропорции:
Ответ: 44,64моль.
Задача 66.
Чему равно атмосферное давление на вершине Казбека, если при 0 °С масса 1л взятого там воздуха равна 700 мг?
Решение:
Мольная масса воздуха равна 29 г/моль. Нормальными условиями для газов являются температура 0 °С и давление 101,325 кПа (760 мм рт ст.). Масса одного литра воздуха при нормальных условиях равна 1296,64 мг:
Теперь рассчитаем атмосферное давление на вершине Казбека из пропорции:
Ответ: 54,7к Па (410,3 мм рт. ст.).
Задача 67.
При взаимодействии одного объема СО и одного объема Сl2 образуется один объем фосгена. Установить формулу фосгена.
Решение:
По условию задачи выходит, что из молекулы угарного газа и одной молекулы хлора образуется одна молекула фосгена. Так как молекула угарного газа СО состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, а молекула хлора Cl2 состоит из двух атомов хлора, то, следовательно, молекула фосгена будет состоять из одного атома углерода, одного атома кислорода и двух атомов хлора. Тогда формула фосгена будет иметь вид: CCl2O.
Уравнение реакции будет иметь вид:
СО + Cl2 → ССl2O.
Ответ: ССl2O.
Задача 68.
Какой объем СО2 получается при сгорании 2л бутана? Объемы обоих газов измерены при одинаковых условиях.
Решение:
Уравнение реакции горения бутана имеет вид:
2С4Н10 + 13О2 = 8СО2 + 10Н2О
Из уравнения реакции следует, что при сгорании одного моля бутана образуется четыре моля углекислого газа. Известно, что при одинаковых условиях одинаковое количество газов занимают одинаковый объём. Один моль любого газа при нормальных условиях занимает объём в 22,4 л.
Исходя, из этих утверждений рассчитаем объём выделившегося углекислого газа при сгорании 2 л бутана, составив пропорцию:
Ответ: 8л.
Задача 69.
В замкнутом сосуде при 120°С и давлении 600 кПа находится смесь, состоящая из трех объемов О2 и одного объема СН4. Каково будет давление в сосуде, если взорвать смесь и привести содержимое сосуда к первоначальной температуре?
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Из уравнения реакции следует, что из одной молекулы метана и двух молекул кислорода образуются одна молекула углекислого газа и две молекулы воды, т. е. реакция протекает без изменения объёма. Начальный объём системы состоял из одного объёма метана и трёх объёмов кислорода, после реакции в системе остался один объём не прореагировавшего кислорода и три объёма продуктов реакции (один объём метана и два объёма паров воды). Поскольку реакция протекает без изменения объёма, а по окончании реакции содержимое сосуда приводится к первоначальной температуре, а общее число молекул газов не изменилось, то давление в системе останется прежним, т. е. 600 кПа.
Ответ: не изменится.
Задача 70. После взрыва 0,020 л смеси водорода с кислородом осталось 0,0032 л кислорода. Выразить в процентах по объему первоначальный состав смеси.
Решение:
Находим объём газов, вступивших в реакцию:
0,020 – 0,0032 = 0,0168 л.
Уравнение реакции горения водорода имеет вид:
2Н2 + О2 = 2Н2О
При взаимодействии водорода с кислородом из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода получаются две молекулы воды, следовательно, из трёх молекул образовавшихся газов одна молекула будет принадлежать кислороду. Таким образом, объём кислорода, вступившего в реакцию, будет составлять одну треть объёма смеси газов – продуктов реакции. Отсюда количество кислорода, вступившего в реакцию, составляет 0,00565 л (0 0168/3 = 0,0056).
Следовательно, общее количество кислорода до реакции составляло 0,0088л (0,0056 + 0,0032 = 0,0088).
Тогда содержимое водорода до реакции составляло 0,0112л (0,02 – 0,0088 = 0.0112).
Рассчитаем в процентах первоначальный состав газовой смеси:
Ответ: 56%Н2; 44%О2.
Источник