Obsah

• Kroky
• Tipy
• Varování
• Potřebné materiály

V chemii se „parciálním tlakem“ rozumí tlak, který vyvíjí každý plyn ve směsi plynů proti svému okolí, jako je láhev se vzorkem, nádrž s potápěčským vzduchem nebo limity atmosféry. Tlak každého plynu ve směsi můžete vypočítat, pokud víte, kolik ho je, jaký objem zabírá a jeho teplotu. Potom můžete přidat tyto parciální tlaky, abyste zjistili celkový tlak plynné směsi, nebo můžete nejprve najít celkový tlak a poté najít parciální tlaky.

Kroky

Část 1 ze 3: Porozumění vlastnostem plynů

1. 

   S každým plynem zacházejte jako s „ideálním“ plynem. Ideálním plynem v chemii je plyn, který interaguje s jinými plyny, aniž by byl přitahován svými molekulami. Jednotlivé molekuly se mohou navzájem udeřit a odrážet se jako kulečníkové koule, aniž by se jakkoli deformovaly.
   • Ideální tlaky plynu se zvyšují při stlačování do menších prostor a snižují se při expanzi do větších oblastí. Tento vztah se nazývá Boyleův zákon, po Robertu Boyleovi. Matematicky je popsána jako k = P x V nebo, jednodušeji, k = PV, kde k představuje konstantní vztah, P představuje tlak a V představuje objem.
   • Tlak lze určit pomocí jedné z několika možných jednotek. Jedním z nich je Pascal (Pa), definovaný jako Newtonova síla působící na metr čtvereční. Další je atmosféra (atm), definovaná jako tlak zemské atmosféry na úrovni moře. Tlak 1 atm se rovná 101 325 Pa.
   • Ideální teploty plynu se zvyšují se zvyšováním a snižováním objemů. Tento vztah se nazývá Charlesův zákon podle Jacquese Charlese a je matematicky popsán jako k = V / t, kde k představuje vztah mezi konstantním objemem a teplotou, V představuje opět objem a T představuje teplotu.
   • Teploty plynu v této rovnici jsou uvedeny ve stupních Kelvina, které se zjistí přidáním 273 k počtu stupňů Celsia teploty plynu.
   • Tyto dva vztahy lze kombinovat do jediné rovnice: k = PV / T, kterou lze také zapsat jako PV = kT.

2. 

   
   
   Definujte, v jakém množství se plyny měří. Plyny mají hmotnost a objem. Objem se obvykle měří v litrech (l), ale existují dva typy hmotnosti.
   • Konvenční hmotnost se měří v gramech nebo, pokud je dostatečně velká, v kilogramech.
   • Vzhledem k lehkosti plynů se také měří v jiné formě hmoty nazývané molekulová hmotnost nebo molární hmotnost. Molární hmotnost je definována jako součet atomových hmotností každého atomu sloučeniny, z níž je plyn vyroben, přičemž každý atom je porovnán s hodnotou 12 pro uhlík.
   • Protože atomy a molekuly jsou příliš malé na to, aby s nimi bylo možné pracovat, jsou množství plynů definována v molech. Počet molů přítomných v daném plynu lze určit dělením hmotnosti molární hmotou a lze jej vyjádřit písmenem n.
   • Můžeme nahradit libovolnou konstantu k v plynové rovnici součinem n, počtem molů (mol) a novou konstantou R. Rovnici lze nyní zapsat nR = PV / T nebo PV = nRT.
   • Hodnota R závisí na jednotkách použitých k měření tlaků, objemů a teplot plynů. Pro identifikaci objemu v litrech, teploty v Kelvinech a tlaku v atmosféře je jeho hodnota 0,0821 L.atm / K.mol.To lze také zapsat L 0,0821 atm K mol, aby se zabránilo rozdělení bar v jednotkách měření.

3. 

   
   
   Pochopte Daltonův zákon parciálních tlaků. Daltonův zákon, který vyvinul chemik a fyzik John Dalton, který nejprve rozvinul koncept chemických prvků vytvářených z atomů, uvádí, že celkový tlak plynné směsi je součtem tlaků každého z plynů ve směsi.
   • Daltonův zákon lze psát jako rovnici jako P _celkový = P₁ + P₂ + P₃... s tolika dodatky za znaménkem rovnosti, kolik je ve směsi plynů.
   • Rovnici Daltonova zákona lze rozšířit při práci s plyny, jejichž jednotlivé parciální tlaky nejsou známy, ale o kterých známe jejich objemy a teploty. Parciální tlak plynu je stejný tlak, pokud bylo stejné množství plynu jediným plynem v nádobě.
   • Pro každý z parciálních tlaků můžeme přepsat rovnici ideálního plynu tak, že místo vzorce PV = nRT můžeme mít na levé straně znaménka rovnosti pouze P. K tomu rozdělíme obě strany V: PV / V = ​​nRT / V. Dvě V na levé straně se navzájem ruší, takže P = nRT / V.
   • Poté můžeme nahradit každý P odebíraný na pravé straně rovnice parciálního tlaku: P_celkový = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃…

Část 2 ze 3: Výpočet parciálních tlaků a poté celkových tlaků

1. 

   
   
   
   
   Definujte rovnici parciálního tlaku pro plyny, se kterými pracujete. Pro účely tohoto výpočtu budeme předpokládat 2 litrový balón, který obsahuje tři plyny: dusík (N₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO.)₂). Každý z těchto plynů obsahuje 10 g a teplota každého z nich v baňce je 37 ° C. Musíme najít parciální tlak každého plynu a celkový tlak, který směs vyvíjí na nádobu.
   • Naše rovnice parciálního tlaku se stává P _celkový = P _dusík + P _kyslík + P _{oxid uhličitý} .
   • Jelikož se snažíme najít tlak, který každý plyn vyvíjí, známe objem a teplotu a podle hmotnosti můžeme zjistit, kolik molů každého plynu je přítomno, můžeme tuto rovnici přepsat jako: P_celkový = (nRT / V) _dusík + (nRT / V) _kyslík + (nRT / V) _{oxid uhličitý}

2. 

   
   
   Převeďte teplotu na Kelvin. Teplota je 37 ° C, takže přidejte 273 až 37 a získejte 310 K.

3. 

   Najděte počet molů pro každý z plynů ve vzorku. Počet molů plynu je hmotnost plynu, která se dělí jeho molární hmotností, což je součet atomových hmotností každého atomu ve sloučenině.
   • Pro první plyn dusík (N₂), každý atom má atomovou hmotnost 14. Jelikož dusík je diatomický (molekulární forma dvou atomů), musíme vynásobit 14 2, abychom zjistili, že dusík v našem vzorku má molární hmotnost 28. Pak rozdělte hmotnost v gramech, 10 g, o 28, abychom získali počet molů, což bude přibližně 0,4 mol dusíku.
   • U druhého plynu kyslík (O₂), každý atom má atomovou hmotnost 16. Kyslík je také diatomický, takže vynásobte 16 o 2 a zjistěte, že kyslík v našem vzorku má molární hmotnost 32. Vydělením 10 g číslem 32 nám dáme přibližně 0,3 mol kyslíku v našem vzorek.
   • Třetí plyn, oxid uhličitý (CO₂), má 3 atomy: jeden uhlík s atomovou hmotností 12; a dva kyslík, každý s atomovou hmotností 16. Přidáme tři hmotnosti: 12 + 16 + 16 = 44 pro molární hmotnost. Rozdělení 10 g na 44 nám dá přibližně 0,2 mol oxidu uhličitého.

4. 

   
   
   Nahraďte hodnoty molem, objemem a teplotou. Naše rovnice nyní vypadá takto: P_celkový = (0,4 * R * 310/2) _dusík + (0,3 * R * 310/2) _kyslík + (0,2 * R * 310/2) _{oxid uhličitý}.
   • Pro zjednodušení jsme vynechali jednotky měření, které hodnoty doprovázejí. Tyto jednotky budou zrušeny poté, co provedeme matematiku, přičemž zůstane pouze měrná jednotka, kterou používáme k hlášení tlaků.

5. 

   Nahraďte hodnotu pro konstantu R. Najdeme parciální a celkový tlak v atmosférách, takže použijeme hodnotu R 0,0821 atm L / K.mol. Nahrazení hodnoty v rovnici nám nyní dá P_celkový =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _dusík + (0,3 *0,0821 * 310/2) _kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{oxid uhličitý} .

6. 

   Vypočítejte parciální tlaky pro každý plyn. Nyní, když máme hodnoty na místě, je čas udělat matematiku.
   • Pro parciální tlak dusíku vynásobíme 0,4 mol naší 0,0821 konstantou a naší 310 K teplotou a poté vydělíme 2 litry: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5, 09 atm, přibližně.
   • Pro parciální tlak kyslíku vynásobíme 0,3 mol naší 0,0821 konstantou a naší 310 K teplotou a poté vydělíme 2 litry: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3, 82 atm, přibližně.
   • Pro parciální tlak oxidu uhličitého vynásobíme 0,2 mol naší 0,0821 konstantou a naší 310 K teplotou a poté vydělíme 2 litry: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm, přibližně.
   • Nyní přidáme tyto tlaky, abychom zjistili celkový tlak: P_celkový = 5,09 + 3,82 + 2,54, nebo přibližně 11,45 atm.

Část 3 ze 3: Výpočet celkového tlaku a poté parciálních tlaků

1. 

   Definujte rovnici parciálního tlaku jako dříve. Opět předpokládáme, že dvoulitrová baňka obsahuje 3 plyny: dusík (N₂), kyslík (O.₂) a oxid uhličitý (CO₂). Každý z plynů obsahuje 10 g a teplota každého z plynů v baňce je 37 stupňů Celsia.
   • Teplota v Kelvinech bude stále 310 a stejně jako dříve máme asi 0,4 mol dusíku, 0,3 mol kyslíku a 0,2 mol oxidu uhličitého.
   • Podobně stále najdeme tlaky v atmosférách, takže pro konstantu R použijeme hodnotu 0,0821 atm L / K.mol.
   • Naše rovnice parciálního tlaku tedy v tomto bodě vypadá stále stejně: P_celkový =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _dusík + (0,3 *0,0821 * 310/2) _kyslík + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{oxid uhličitý}.

2. 

   Přidejte počet molů každého z plynů ve vzorku a zjistěte celkový počet molů plynné směsi. Protože objem a teplota jsou pro každý vzorek v plynu stejné, nemluvě o tom, že každá molární hodnota se vynásobí stejnou konstantou, můžeme použít distribuční vlastnost matematiky k přepsání rovnice jako P_celkový = (0,4 + 0,3 + 0,2) * 0,0821 * 310/2.
   • Přidání 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 mol plynné směsi. To dále zjednodušuje rovnici pro P _celkový = 0,9 * 0,0821 * 310/2.

3. 

   Vypočítejte celkový tlak plynné směsi. Násobení 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 mol, přibližně.

4. 

   Najděte podíl každého plynu v celkové směsi. Chcete-li to provést, vydělte počet molů pro každý z plynů celkovým počtem molů.
   • Ve vzorku je 0,4 mol dusíku, tedy přibližně 0,4 / 0,9 = 0,44 (44%) vzorku.
   • Existuje 0,3 mol dusíku, tedy přibližně 0,3 / 0,9 = 0,33 (33%) vzorku.
   • Existuje 0,2 mol oxidu uhličitého, takže přibližně 0,2 / 0,9 = 0,22 (22%) vzorku.
   • Přestože výše uvedená přibližná procenta představují pouze 0,99, skutečná desetinná místa se opakují, takže skutečný součet je řadou opakování devítek za desetinnou čárkou. Podle definice je to stejné jako 1 nebo 100%.

5. 

   Vynásobte proporcionální hodnotu každého plynu celkovým tlakem, abyste našli parciální tlak.
   • Násobení 0,44 * 11,45 = 5,04 atm, přibližně.
   • Násobení 0,33 * 11,45 = 3,78 atm, přibližně.
   • Násobení 0,22 * 11,45 = 2,52 atm, přibližně.

Tipy

• Malý rozdíl v hodnotách zjistíte tak, že nejprve zjistíte parciální tlaky, poté celkový tlak a nejprve zjistíte celkový tlak a poté parciální tlaky. Nezapomeňte, že dané hodnoty byly prezentovány jako přibližné hodnoty kvůli zaokrouhlování na jedno nebo dvě desetinná místa, aby byly hodnoty lépe srozumitelné. Pokud provádíte výpočty pomocí kalkulačky bez zaokrouhlování, všimnete si malého, pokud vůbec nějakého, nesouladu mezi těmito dvěma metodami.

Varování

• Znalost parciálních tlaků plynu se pro potápěče může stát otázkou života a smrti. Příliš nízký parciální tlak kyslíku může vést ke ztrátě vědomí a smrti, zatímco velmi vysoký parciální tlak vodíku nebo kyslíku může být také toxický.

Potřebné materiály

• Kalkulačka;
• Příručka atomových hmotností / molárních hmot.