Газовые смеси. Закон Дальтона

Парциальным давлением называется та часть общего давления газовой смеси, которая обусловлена данным газом или паром. Парциальное газа в смеси равно тому давлению газа в смеси, которым он обладал бы один, занимая такой же объём, какой занимает смесь при той же температуре.

Закон Дальтона.При отсутствии химических реакций общее давление газовой смеси Р_общ равно сумме парциальных давлений всех входящих в неё газов р₁, р₂, р₃ …,р_n:

Р_общ = р₁ + р₂ + … + р_n . (62)

Парциальное давление данного газа пропорционально доле его молекул от общего количества молекул смеси (мольной доле):

p_i = P_общ·X_i = P_общ· . (63)

Мольная доля Х_i – есть отношение числа молей данного вещества – n_i (или определённого вида частиц) к общему числу молей вещества (или частиц), находящихся в системе n_i.

Мольную долю можно относить либо ко всей системе, либо к какой-то фазе. В последнем случае берётся отношение числа молей данного вещества в этой фазе к общему числу молей вещества, образующих данную фазу. Сумма мольных долей всех веществ, образующих систему (или фазу), равна единице.

Состав газовых смесей можно выразить также с помощью весовых, объёмных частей. Весовой долей данного газа в смеси называется отношение массы этого газа к массе газовой смеси. Если обозначим весовые доли газов через G₁, G₂, G₃, …, G_i; а массы газов в смеси – через m₁, m₂, m_3, …, m_i и общую массу газовой смеси – через m, то тогда получаем:

G₁ = G₂ = G₃ = … G_n = (64)

Но

G₁ + G₂ + G₃ + … + G_n =1

и

m₁ + m₂ + m₃ + … + m_n = m.

Чтобы выразить состав газовой смеси в объёмных единицах, необходимо объёмы газов, составляющих смесь, привести к одному давлению и одной температуре. Объём отдельного газа, входящего в состав смеси, приведённого к давлению смеси, называется приведённым объёмом. Для того, чтобы найти приведённый объём газа при давлении газовой смеси Р_общ и температуре Т, необходимо воспользоваться законом Бойля - Мариотта:

p₁V_общ = v₁P_общ; p₂V_общ = v₂P_общ; p₃V_общ = v₃P_общ; … ; p_nV_общ = v_nP_общ,

где v₁, v₂, v₃, …, v_n – приведённые объёмы отдельных газов, составляющих смесь; р₁, р₂, р₃, …, р_n – парциальные давления отдельных газов;

v₁ = v₂ = v₃ = …; v_n = (65)

Сумма приведённых объёмов отдельных газов равняется общему объёму смеси:

v₁ + v₂ + v₃ + … + v_n = V_общ.

Отношение приведённых объёмов отдельных газов к общему объёму смеси называется объёмной долей и выражается через r:

r₁ = r₂ = r₃ = …; r_n = (66)

Для газовых смесей состав, выраженный объёмными и мольными долями одинаков, т.е.:

…; (67)

Среднюю молекулярную массу газовой смеси, если известны объёмные доли газов в смеси, вычисляем по формуле:

М_ср = М₁r₁ + M₂r₂ + M₃r₃ + … + M_nr_n. (68)

Пример 7. Приведите к нормальным условиям газ (вычислите объём V, который занимает данное количество газа при 273 К и 1,0133·10⁵Па), если при 373 К и 1,333·10³ Па его объём равен 3·10^-2м³.

Решение. По уравнению (59) определяем объём газа:

Пример 8. Газ под давлением 1,2·10⁵ Н/м² занимает объём 4,5 л. каково будет давление, если, не изменяя температуры, увеличить объём до 5,5 л?

Решение. Используя закон Бойля – Мариотта (52):

,

откуда получаем

Р₂ = ,

Пример 9. Вычислите парциальные объёмы водяного пара, азота и кислорода и парциальные давления азота и кислорода во влажном воздухе. Общий объём смеси 2·10^{-3 м3}, общее давление 1,0133·10⁵ Па, парциальное давление паров воды 1,233·10⁴ Па. Объёмный состав воздуха 21% О₂ и 79% N₂,

Решение. Вычисляем парциальный объём паров воды V по уравнению (65):

v_n =

V =

Вычисляем парциальные объёмы О₂ и N₂:

V + V = V - V = 0,002 – 0,00024 = 1,76·10^-3м³.

V / V = 0,21/0,79.

Отсюда

V = 1,76·10^-3м³ · 0,21 = 0,37·10^-3м³;

V = 1,76·10^-3м³ · 0,79 = 1,39·10^-3м³.

Вычисляем парциальное давление О₂ по уравнению (63):

Р = Р· х ,

х = V / V = 0,37·10^-3м³/ 2·10^-3м³ = 0,186;

Р = 1,0133·10⁵ Па· 0,186 = 1,866 · 10⁴ Па;

а так как Р = Р + Р + Р , то

Р = 1,0133·10⁵ Па - 1,866 · 10⁴ Па - 1,233·10⁴ Па = 7,033·10⁴ Па.

Вариант 1.

5. При нормальных условиях плотность двуокиси углерода 1,977кг/м³. Каким давлением нужно сжать газ, чтобы плотность его при 0ºС достигла 10 кг/м³?

6. Газовая смесь состоит из 3 м³ СО₂, взятой при давлении 95 940 Н/м², 4 м³ О₂ при давлении 106 600 Н/м², 6 м³ N₂ при давлении 93280 Н/м². Объём смеси 10 м³. Определить парциальные давления газов в смеси и общее давление смеси (температура постоянна).

Вариант 2.

5. Масса 1 м³ азота при 10ºС и давлении 9,86·10⁴ Н/м² равна 1,175 кг. Какова масса этого же объёма азота под давлением 1,092·10⁵ Н/м² при той же температуре?

6. Сухой воздух имеет примерно следующий состав (об.%): N₂ 78,09; О₂ 20,95; Ar 0,93; СО₂ 0,03 %. Определить массу 40 м³ сухого воздуха при 22ºС и нормальном давлении.

Вариант 3.

5. При 37ºС объём газа равен 0,50 м³. Какой объём займёт газ при 100ºС, если давление останется постоянным?

6. Газовая смесь приготовлена из 3 л СН₄ при давлении 95 940 Н/м²; 4 л Н₂ при давлении 83 950 Н/м² и 1 л СО при давлении 108 700 Н/м². Объём смеси равен 8 л. определить парциальные давления газов в смеси и общее давление смеси.

Вариант 4.

5. При 18ºС давление в баллоне с азотом 1,621·10⁶ Н/м². При какой температуре давление возрастёт в два раза?

6. Рассчитать общее давление газов в сосуде ёмкостью 200 л, если в нём при 135ºС содержится смесь 82,1 г бензола и 23,6 г толуола.

Вариант 5.

5. Вычислить объём дымовых газов при нормальном давлении, если их объём при давлении 9,888·10⁴ Н/м² и постоянной температуре равен 10м³?

6. Колошниковый газ имеет примерный состав (об.%): СО 28; Н₂ 3; СО₂ 10; N₂ 59. вычислить парциальные давления составляющих смесь газов, если общее давление газовой смеси 106 400 Н/м².

Вариант 6.

5. Под каким давлением находится кислород, если плотность его при 0ºС равна 6,242 кг/м³? Плотность кислорода при н.у. 1,429 кг/м³.

6. Газ подземной газификации имеет примерно следующий состав (об.%): СО 12; Н₂ 14; N₂ 62,2; СО₂ 10 и СН₄ 1,8. Определить состав данной смеси газов в весовых процентах.

Вариант 7.

5. Давление кислорода в баллоне при 15ºС равно 1,255·10⁷ Н/м². На сколько понизится давление газа, если охладить баллон до -33ºС?

6. Генераторный газ имеет приблизительно следующий состав (вес.%): СО₂ 12; Н₂ 14; СО 20; N₂ 54. Вычислить содержание каждой составной части генераторного газа по объёму.

Вариант 8.

5. Сколько кубических метров двуокиси углерода при 22ºС и99289 Н/м² можно получить при обжиге 1000 кг известняка с содержанием 90% СаСО₃?

6. В баллоне ёмкостью 20 л при 18ºС находится смесь 28 г кислорода и 24 г аммиака. Определить парциальные давления каждого из газов и общее давление смеси.

Вариант 9.

5. Определить давление, под которым будут находиться 13,5 г окиси углерода в сосуде ёмкостью 8 л при 150ºС?

6. Рассчитать общее давление газовой смеси, состоящей из 40 г этилена и 30 г метана и находящейся в сосуде ёмкостью 100 л при 25ºС.

Вариант 10.

5. Наивысшая температура в газгольдере летом 40ºС, наименьшая зимой - -30ºС. На сколько больше (по массе) метана может вместить газгольдер ёмкостью 2000 м³ зимой, чем летом при нормальном давлении?

6. В сосуде ёмкостью 2 л находится 5,23 г азота и 7,10 г водорода. вычислить общее давление смеси газов при 25ºС.

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

Основные понятия и определения

Фазой называется совокупность однородных частей системы (т.е. одинаковых по физическим, химическим и термодинамическим свойствам), отделённая от других частей системы физической (реально существующей) поверхностью раздела. Индивидуальное вещество в твёрдом агрегатном состоянии всегда образует самостоятельную фазу.

Жидкие и твёрдые фазы называются конденсированными.

Если вещество содержится одновременно в разных фазах, то происходит его переход из одной фазы в другую; такой переход называется фазовым. Состояние, при котором скорости противоположных фазовых переходов равны, называется фазовым равновесием.

Компонентами (составляющими веществами) называются все химические вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать вне её.

Двухкомпонентные системы

Жидкие бинарные системы

Жидкие бинарные растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или нескольких независимых компонентов.

В растворе компоненты равноценны, при этом одно из веществ называют растворителем, а другие – растворёнными веществами.

Растворителем считается вещество, которое до образования раствора находилось в жидком агрегатном состоянии, или, в общем случае, в том же агрегатном состоянии, что и раствор.

По своей природе растворы подразделяют на:

а) идеальные;

б) бесконечно разбавленные (предельно разбавленные);

в) реальные.

Идеальный раствор – это раствор, образование которого при любом соотношении компонентов, не сопровождается тепловым эффектом (ΔН_раств =0), а также расширением или сжатием системы (объём раствора обладает свойством аддитивности):

V_р-ра = V₁ + V₂,

где V₁ и V₂ – соответственно объёмы первого и второго компонентов до образования раствора.

Ни в одном реально существующем растворе эти условия не выполняются.

Раствор считается бесконечно разбавленным, если концентрация растворённого вещества в нём бесконечно мала. В таком растворе взаимодействие между молекулами растворённого вещества отсутствует, так как они разделены бесконечно большим объёмом растворителя.

В практике бесконечно разбавленные растворы не встречаются, но к ним близки по свойствам растворы газов в жидкости, с которой они химически не взаимодействуют. В водных растворах это, например, N₂ и Н₂, но не СО₂, который вступает в реакцию

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃.

На практике приходится иметь дело только с реальными растворами.

Концентрации растворов

Способность вещества переходить в раствор называется растворимостью. Растворимость может быть неограниченной или ограниченной. Неограниченная растворимость присутствует только в таких системах, в которых и растворитель и растворённое вещество находятся в одинаковых фазах. Если растворитель и растворённое вещество находятся в разных по природе фазах, то растворимость ограничена некоторым пределом. При достижении предела растворимости между растворяемым веществом и образовавшимся раствором наступает равновесие.

Раствор, находящийся в данных условиях в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным раствором.

Раствор, в котором при данных условиях предел растворимости не достигнут, называется ненасыщенным.

Одной из важнейших характеристик раствора является относительное содержание в нём растворённого вещества и растворителя, которое называется концентрацией. В общем случае концентрация обозначают буквой С. Качественно растворы делят на разбавленные, в которых растворённого вещества мало, и концентрированные, в котором растворённого вещества много.

В химии и смежных областях наиболее распространены следующие способы выражения концентрации:

Процентная концентрация (вес.%) выражается числом граммов растворённого вещества в 100 г раствора.

Молярная концентрация (молярность) выражается числом молей растворённого вещества в 1 л раствора.

Нормальная концентрация (нормальность) выражается числом грамм-эквивалентов растворённого вещества в 1 л раствора.

Моляльная концентрация (моляльность) выражается числом молей растворённого вещества, содержащегося в 1000 г растворителя.

Молярная доля показывает, какую часть от общего числа молей раствора составляет растворённое вещество или растворитель. Если обозначим число молей растворителя через n_a, а число молей растворённого вещества через n_b, то молярную долю растворённого вещества можно выразить

N_в = , (69)

а мольную долю растворителя

N_А = . (70)

Сумма N_А + N_в = 1.