Плотность газа
Плотность газа и другие его физические свойства
Одной из важнейших физических свойств газообразных веществ является значение их плотности.
Данную величину обычно обозначают греческой буквой r или латинскими D и d. Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м3, а в СГС – г/см3. Плотность газа – справочная величина, её обычно измеряют при н. у.
Зачастую, применительно к газам используют понятие «относительная плотность». Данная величина представляет собой отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму.
Например, при нормальных условиях масса диокисда углерода в объеме 1 л равна 1,98 г, а масса водорода в том же объеме и при тех же условиях – 0,09 г, откуда плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.
Относительная плотность газа
Обозначим относительную плотность газа m1 / m2 буквой D. Тогда
D = M1 / M2,
откуда
M1 = D×M2.
Следовательно, молярная масса газа равна его плотности по отношению у другому газа, умноженной на молярную массу второго газа.
Часто плотности различных газов определяют по отношению к водороду, как самому легкому из всех газов. Поскольку молярная масса водорода равна 2,0158 г/моль, то в этом случае уравнение для расчета молярных масс принимает вид:
M = 2,0158 ×D
или, если округлить молярную массу водорода до 2:
M = 2 ×D.
Вычисляя, например, по этому уравнению молярную массу диоксида углерода, плотность которого по водороду, как указано выше равна 22, находим:
M(CO2) = 2 × 22 = 44 г/моль.
Плотность газа в лабораторных условиях самостоятельно можно определить следующим образом: необходимо взять стеклянную колбу с краном и взвесить её на аналитических весах. Первоначальный вес – вес колбы, из которой откачали весь воздух, конечный – вес колбы, наполненной до конкретного давления исследуемым газом. Разность полученных масс следует разделить на объем колбы. Вычисленное значение и есть плотность газа в данных условиях.
Чтобы рассчитать плотность газа при н.у. нужно воспользоваться уравнением состояния идеального газа:
p2 = pN;
V2 = VN;
T2 = TN.
p1/pN×V1/m×m/VN = T1/TN;
т.к. m/V1 = r1 и m/VN = rN, получаем, что
rN = r1×pN/p1×T1/TN.
В таблице ниже приведены значения плотностей некоторых газов.
Таблица 1. Плотность газов при нормальных условиях.
|
Газ |
Плотность, кг/м3 |
Dair |
DH2 |
|
Воздух |
1,293 |
1 |
14,5 |
|
Водород |
0,0899 |
0,00695 |
1 |
|
Азот |
1,25 |
0,967 |
14 |
|
Кислород |
1,43 |
1,11 |
16 |
|
Диоксид углерода |
1,997 |
1,53 |
22 |
|
Гелий |
0,179 |
0,139 |
2 |
Примеры решения задач
| Задание | Относительная плотность газа по водороду – 27. Массовая доля элемента водорода в нем – 18,5%, а элемента бора – 81,5%. Определите формулу газа. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов водорода в молекуле через «х», число атомов бора через «у». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов водорода и бора (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(B) = 11; Ar(H) = 1. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y = ω(H)/Ar(H) : ω (B)/Ar(B); x:y = 18,5/1 : 81,5/11; x:y = 18,5 : 7,41 = 2,5 : 1 = 5 : 2. Значит простейшая формула соединения водорода и бора имеет вид H5B2. Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по водороду: Mgas = M(H2) × DH2(gas); Mgas = 2 × 27 = 54 г/моль. Чтобы найти истинную формулу соединения водорода и бора найдем отношение полученных молярных масс: Mgas / M(H5B2) = 54 / 27 = 2. M(H5B2) = 5 ×Ar(H) + 2 × Ar(B) = 5 ×1 + 2 × 11 = 5 + 22 = 27 г/моль. Это означает, что все индексы в формуле H5B2 следует умножить на 2. Таким образом формула вещества будет иметь вид H10B4. |
| Ответ | Формула газа – H10B4 |
| Задание | Вычислите относительную плотность по воздуху углекислого газа CO2. |
| Решение | Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух – это смесь газов. Dair(CO2) = Mr(CO2) / Mr(air); Dair(CO2) = 44 / 29 = 1,52. Mr(CO2) = Ar(C) + 2 ×Ar(O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44. |
| Ответ | Относительная плотность по воздуху углекислого газа равна 1,52. |
