Количество молекул в сосуде
Источник
1
Сколько молекул содержится в 1 см3 воды? Какова масса молекулы воды? Каков приблизительный размер молекулы воды?
Ответ и решение
n = 3,33·1022 1/см3; m = 2,99·10-26 кг; a = 3,11·10-10 м.
Масса 1 моля воды составляет 18 г, а его объем V — 18 см3. В 1 моле воды содержится число молекул, равное постоянной Авогадро NА = 6·1023. Число молекул в 1 см3n = NА/V = 3,33·1022. Масса одной молекулы m = 18/NА = 3·10-26 кг. Объем V0 одной молекулы приблизительно равен 1/n см3. Тогда размер молекулы составит
.
2
Хорошо откачанная лампа накаливания объемом 10 см3 имеет трещину, в которую ежесекундно проникает миллион частиц газа. Сколько времени понадобится для наполнения лампы до нормального давления, если скорость проникновения газа остается постоянной? Температура 0 °С.
Ответ и решение
t ≈ 8,5 млн. лет.
Найдем число частиц газа, необходимое для наполнения лампы:
N = VNЛ = 10·2,69·1019 см3·см-3 = 2,69·1020,
где V – объем лампы, NЛ – постоянная Лошмидта.
Время, необходимое для наполнения лампы со скоростью v = 106 с-1, равно:
t = N/v = 2,69·1020/(106·с-1) = 2,69·1014 c ≈ 8,5 млн. лет.
3
За 10 суток полностью испарилось из стакана 100 г воды. Сколько в среднем вылетало молекул с поверхности воды за 1 с?
Ответ и решение
≈ 3,8·1018 молекул в секунду.
Переведем время t испарения воды из суток в секунды:
t = 10 сут. = 8,64·105 с.
Поскольку 1 моль воды имеет массу 18 г, то, используя постоянную Авогадро, можно найти число N молекул в 100 г воды:
N = NА·100/18 = 3,3·1024 шт.
Теперь найдем скорость v испарения воды:
v = N/t ≈ 3,8·1018 c-1.
4
В озеро средней глубиной 10 м и площадью 10 км2 бросили кристаллик поваренной соли NaCl массой 0,01 г. Сколько ионов хлора оказалось бы в наперстке воды объемом 2 см3, зачерпнутом из этого озера, если считать, что соль, растворившись, равномерно распределилась в озере?
Ответ и решение
≈ 2·106 ионов.
1 моль поваренной соли имеет массу 58,5 г, из которых 23 г — масса натрия, а 35,5 г — масса хлора. Чтобы рассчитать массу хлора в брошенном кристаллике хлора, решим систему из двух уравнений:
m(Na) + m(Cl) = 0,01
m(Na)/m(Cl) = 0,65
Из системы получим, m(Cl) = 6·10-3 г.
Теперь можно вычислить число частиц хлора N(Cl):
N(Cl) = NA· 6·10-3/35,5 ≈ 1020 ионов хлора.
Число ионов хлора в наперстке будет меньше полученного числа во столько раз, во сколько раз объем наперстка меньше объема озера. Найдем это число:
N = 1020·2·10-6/108 = 2·106 ионов хлора в наперстке.
5
Кристаллы поваренной соли NaCl кубической системы состоят из чередующихся атомов (ионов) Na и Cl.
Определить наименьшее расстояние между их центрами. Молярная масса поваренной соли ν = 58,5 г/моль, а ее плотность ρ = 2,2 г/см3.
Ответ и решение
r = 2,83·10-8 см.
Найдем сторону a куба, который занимает объем одного моля поваренной соли:
a = 
= 3 см.
Найдем, какое число ионов натрия и хлора приходится на одно ребро куба (общее число ионов натрия и хлора в 1 моле поваренной соли равно удвоенному числу молекул NaCl, т.е. 2NА):
n = 
≈ 108 ионов.
Теперь найдем расстояние между ионами:
l = a/n = 2,83·10-8 см.
6
Кубическая кристаллическая решетка железа содержит один атом железа на элементарный куб, повторяя который, можно получить всю решетку кристалла. Определить расстояние между ближайшими атомами железа, если плотность железа ρ = 7,9 г/см3, атомная масса А = 56.
Ответ и решение
2,3·10-8 см.
Найдем сторону a куба, который занимает объем одного моля железа:
a = = 1,9 см.
Найдем, какое число атомов железа приходится на одно ребро куба (общее число атомов железа в 1 моле равно NА):
n =
≈ 8,4·107 атомов.
Теперь найдем расстояние между атомами железа:
l = a/n = 2,3·10-8 см.
7
На пути молекулярного пучка стоит «зеркальная» стенка. Найти давление, испытываемое этой стенкой, если скорость молекул в пучке v = 103 м/с, концентрация n = 5·1017 1/м3, масса m = 3,32·10-27 кг. Рассмотреть три случая: а) стенка расположена перпендикулярно скорости пучка и неподвижна; б) пучок движется по направлению, составляющему со стенкой угол α = 45°; в) стенка движется навстречу молекулам со скоростью u = 50 м/с.
Ответ
а) pа ≈ 3,3·10-3 Па; б) pб ≈ 2,4·10-3 Па; в) pв ≈ pа.
8
Как изменилось бы давление в сосуде с газом, если бы внезапно исчезли силы притяжения между его молекулами?
Ответ
Источник
Рассмотрим находящийся в равновесии газ, заключенный в некотором сосуде. Возьмем элемент поверхности сосуда и подсчитаем число ударов молекул об этот элемент за время
Выделим из N молекул, заключенных в сосуде, те молекул, величина скорости которых заключена в пределах от v до
Из числа этих молекул направления движения, заключенные внутри телесного угла будет иметь количество молекул, равное
(см. ). Из выделенных таким образом молекул долетят за время до площадки и ударятся о нее J) молекулы, заключенные в косом цилиндре с основанием и высотой (рис. 95.1).
Рис. 95.1.
Количество этих молекул равно
(V — объем сосуда). Чтобы получить полное число ударов молекул о площадку , нужно просуммировать выражение (95.2) по телесному углу (отвечающему изменениям от 0 до и изменениям от 0 до ) и по скоростям в пределах от 0 до , где — наибольшая скорость, которой могут обладать молекулы в данных условиях (см. предыдущий параграф).
Начнем с суммирования по направлениям. Для этого представим в виде (см. (94.4)) и произведем интегрирование выражения (95.2) по 0 в пределах от 0 до и по в пределах от 0 до
Интегрирование по дает интеграл по равен 1/2. Следовательно,
Это выражение дает число ударов о площадку AS за время молекул, летящих в направлениях, заключенных в пределах телесного угла и имеющих величину скорости от v до .
Суммирование по скоростям дает полное число ударов молекул о площадку за время
Выражение
представляет собой среднее значение величины скорости V. Заменив в (95.4) интеграл произведением получим, что
Здесь есть число молекул газа в единице объема.
Наконец, разделив выражение (95.5) на и найдем число ударов молекул газа об единицу поверхности стенки в единицу времени:
Полученный результат означает, что число ударов пропорционально количеству молекул в единице объема («концентрации» молекул) и среднему значению величины Заметим, что величина (95.6) представляет собой плотность потока молекул, падающего на стенку.
Представим себе в газе воображаемую единичную площадку. Если газ находится в равновесии, через эту площадку будет пролетать в обоих направлениях в среднем одинаковое количество молекул, причем количество молекул, пролетающих в единицу времени в каждом из направлений, также определяется формулой (95.6).
С точностью до числового коэффициента выражение (95.6) может быть получено с помощью следующих упрощенных рассуждений. Допустим, что молекулы газа движутся только вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений. Если в сосуде содержится N молекул, то в любой момент времени вдоль каждого из направлений будет двигаться молекул, причем половина из них (т. е. молекул) движется вдоль данного направления в одну сторону, половина в другую. Следовательно, в интересующем нас направлении (например, по нормали к данному элементу стенки сосуда) движется 1/6 часть молекул.
Предположим, кроме того, что все молекулы движутся с одинаковой скоростью, равной Тогда за время до элемента стенки долетят все движущиеся по направлению к нему молекулы, заключенные в объеме цилиндра с основанием и высотой (рис. 95.2). Число этих молекул равно Соответственно число ударов об единичную площадку в единицу времени оказывается равным
Полученное выражение отличается от (95.6) лишь значением числового множителя (1/6 вместо 1/4).
Сохранив предположение о движении молекул в трех взаимно перпендикулярных направлениях, но отказавшись от допущения об одинаковости скоростей молекул, следует выделить из числа молекул в единице объема те молекул, скорости которых лежат в интервале от v до
Рис. 95.2.
Количество молекул, имеющих такие скорости и долетающих до площадки за время равно
Полное число ударов получим, проинтегрировав выражение (95.8) по скоростям:
Наконец, разделив на и , получим формулу (95.7). Таким образом, предположение об одинаковости скоростей молекул не влияет на результат, получаемый для числа ударов молекул о стенку. Однако, как мы увидим в следующем параграфе, это предположение изменяет результат вычислений давления.
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