Газовые смеси

8 заданий

Закон Дальтона и средняя молярная масса

Воздух — смесь, и каждый его компонент давит на стенки независимо: азот создаёт 78 % общего давления, кислород — 21 %. Это закон парциальных давлений Дальтона (1801): общее давление равно сумме парциальных, \(p = \sum p_i\), а парциальное давление \(p_i = x_ip\), где \(x_i\) — мольная доля. Для идеальных газов мольная доля совпадает с объёмной.

Смесь газов ведёт себя как один газ со средней молярной массой \(\bar M = \sum x_iM_i\). Для сухого воздуха (78,08 % \(\ce{N2}\), 20,95 % \(\ce{O2}\), 0,93 % Ar, 0,04 % \(\ce{CO2}\)): \(\bar M = 28{,}96\) г/моль.

history_eduДальтон и дождь

Джон Дальтон, школьный учитель из Манчестера, всю жизнь вёл метеорологический дневник — около двухсот тысяч записей. Размышляя, почему водяной пар не «оседает» под более тяжёлым воздухом, он пришёл в 1801 году к закону парциальных давлений, а затем — к атомной теории: каждый газ состоит из собственных частиц, которые движутся независимо.

auto_awesomeПарциальное давление в горах

На вершине Эльбруса (5642 м) давление около 50 кПа — вдвое ниже, чем у моря. Доля кислорода та же, 21 %, но его парциальное давление падает вдвое, и организму не хватает кислорода. Альпинисты говорят не о «разреженном кислороде», а о низком парциальном давлении — именно оно определяет, сколько кислорода растворится в крови.

scienceГазовые смеси в реакциях

\(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) — смесь оксидов азота, плотность которой зависит от доли \(\ce{NO2}\).
\(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) — при охлаждении средняя молярная масса растёт.
\(\ce{C + H2O ->[1000^\circ C] CO + H2}\) — «водяной газ»: смесь с \(\bar M = 15\).
\(\ce{CH4 + H2O ->[Ni,\ 800^\circ C] CO + 3H2}\) — синтез-газ для производства аммиака и метанола.

Состав по двум измерениям

Если в смеси два газа, достаточно одного измерения — средней молярной массы (правило креста, урок 5). Если три — нужны два независимых измерения. Типичная пара: плотность смеси и изменение объёма после поглощения одного компонента.

edit_noteТри газа, два измерения

Смесь \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\) и \(\ce{N2}\) пропустили через щёлочь — объём уменьшился на 20,0 %: \(x(\ce{CO2}) = 0{,}200\). Плотность исходной смеси по водороду 15,5 (\(\bar M = 31{,}2\) г/моль) лишь подтверждает эту долю: \(0{,}200\cdot44{,}01 + 0{,}800\cdot28{,}01 = 31{,}2\) — при любом соотношении \(\ce{CO}\) и \(\ce{N2}\), ведь их молярные массы одинаковы. Чтобы разделить их, нужно третье измерение: сжечь остаток с кислородом (\(\ce{2CO + O2 -> 2CO2}\)) и снова пропустить через щёлочь — новый \(\ce{CO2}\) даст объём угарного газа.

Урок из примера: прежде чем решать, проверьте, различимы ли компоненты измерением. \(\ce{CO}\) и \(\ce{N2}\) (оба 28), \(\ce{CO2}\) и \(\ce{N2O}\) (оба 44) по плотности не различить — нужна реакция.

scienceРеакции, которые «отличают» газы с одинаковой массой

\(\ce{2CO + O2 ->[t] 2CO2}\) — угарный газ горит, азот — нет.
\(\ce{CO + PdCl2 + H2O -> Pd v + CO2 + 2HCl}\) — угарный газ восстанавливает хлорид палладия до чёрного металла (индикаторные трубки).
\(\ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O}\) — \(\ce{CO2}\) мутит известковую воду, \(\ce{N2O}\) — нет.
\(\ce{N2O + H2 ->[t] N2 + H2O}\) — оксид азота(I) поддерживает горение.

push_pinГлавное

В смеси идеальных газов каждый компонент ведёт себя так, будто других нет: \(p = \sum p_i\), \(p_i = x_ip\) (закон Дальтона), а мольная доля равна объёмной. Средняя молярная масса \(\bar M = \sum x_iM_i = m/n\), отсюда плотность смеси \(\rho = \bar Mp/(RT)\). Для двух неизвестных долей нужны два независимых измерения: например, плотность смеси и убыль объёма после поглощения одного компонента.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.