Как найти относительную плотность газа по водороду

Как вычислять относительную плотность вещества

Такая характеристика, как относительная плотность вещества, показывает, во сколько раз оно тяжелее или легче другого соединения. Этот параметр можно определять по отношению к любому газообразному веществу. В большинстве случаев проводятся расчеты относительно воздуха или водорода. Однако могут попадаться задания, в которых необходимо вычислить относительную плотность и по другим газам, таким как кислород, аммиак или сероводород. В любом случае принцип решения задания един.

Вам понадобится

• – периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева;
• – калькулятор.

Инструкция

Для того чтобы справиться с задачей, необходимо использовать формулы на определение относительной плотности:

D (воздух) = Mr (газа)/ Mr (воздуха), где:

D (воздух) – относительная плотность;
Mr (газа) – относительная молекулярная масса газообразного вещества;
Mr (воздуха) – относительная молекулярная масса воздуха.

Все три параметра единиц измерения не имеют.

Mr (воздуха) = 29 (величина постоянная), следовательно формула будет иметь вид:
D (воздух) = Mr (газа)/ 29.

По аналогии выглядит формула на определение относительной плотности по водороду, с тем исключением, что вместо воздуха стоит водород. А значит, и в расчет берется относительная молекулярная масса водорода.

D (водород) = Mr (газа)/ Mr (водорода);
D (водород) – относительная плотность;
Mr (газа) – относительная молекулярная масса газообразного вещества;
Mr (водорода) – относительная молекулярная масса водорода.

Mr (водорода) = 2, следовательно и формула будет иметь вид:
D (воздух) = Mr (газа)/ 2.

Пример № 1. Вычислите относительную плотность аммиака по воздуху. Аммиак имеет формулу NH3.

Сначала найдите относительную молекулярную массу аммиака, которую можно рассчитать по таблице Д.И. Менделеева.

Ar (N) = 14, Ar (H) = 3 х 1 = 3, отсюда
Mr (NH3) = 14 + 3 = 17

Подставьте полученные данные в формулу на определение относительной плотности по воздуху:
D (воздух) = Mr (аммиака)/ Mr (воздуха);
D (воздух) = Mr (аммиака)/ 29;
D (воздух) = 17/ 29 = 0, 59.

Пример № 2. Вычислите относительную плотность аммиака по водороду.

Подставьте данные в формулу на определение относительной плотности по водороду:
D (водород) = Mr (аммиака)/ Mr (водорода);
D (водород) = Mr (аммиака)/ 2;
D (водород) = 17/ 2 = 8, 5.

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Как вам известно, вещества могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Молекулы жидкости и твёрдого вещества располагаются близко друг к другу. Это возможно благодаря тому, что молекулы притягиваются друг к другу. То есть существуют силы, которые удерживают молекулы жидкости или твёрдого вещества вместе. Из курса химии 8-го класса вы знаете, что эти силы называются силами межмолекулярного взаимодействия. Молекулы газов находятся на значительно большем расстоянии друг от друга, чем в случае жидкостей и твёрдых веществ. На таком расстоянии молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому, чтобы превратить жидкость или твёрдое вещество в газ, необходимо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия, отдалив молекулы друг от друга.

Переход в газообразное состояние осуществляется в результате нагревания веществ, находящихся в твёрдом или жидком состоянии (кипение жидкостей, возгонка твёрдых веществ).

Так как расстояние между молекулами газов значительно больше размеров самих молекул, то объём, который занимает газ, — это, по существу, объём свободного пространства между хаотически движущимися молекулами газа. Величина этого пространства определяется условиями, при которых находится газ, т. е. температурой и давлением. Эта величина примерно одинакова для всех газов. При этом объёмом, занимаемым самими молекулами, можно пренебречь. Отсюда следует закон Авогадро — в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

Из закона Авогадро вытекают два основных следствия.

Первое следствие. Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. Этот объём называется молярным объёмом газа (V_m), и измеряется в дм³/моль. Молярный объём газа равен отношению объёма газа к его количеству:

.

Величина V_m зависит от температуры и давления. Например, при нагревании газы расширяются. Значит, при нагревании увеличивается молярный объём газа. В связи с этим сравнение характеристик различных газовых смесей необходимо осуществлять при одинаковых условиях — температуре и давлении. В качестве эталона таких условий приняты нормальные условия (н. у.): температура таяния льда (0 °С или 273,15 K) и атмосферное давление (101,3 кПа). При нормальных условиях V_m = 22,4 дм³/моль.

Таким образом, из закона Авогадро следует, что 22,4 дм³ любого газа при нормальных условиях содержат 6,02 ∙ 10²³ молекул.

Второе следствие. Плотности газов относятся между собой как молярные массы газов.

Это видно из следующих соображений. Пусть имеется две порции различных газов. Рассчитаем их плотности:

газ 1: ;

газ 2: .

Разделив плотность первого газа на плотность второго, получим: .

Отношение плотностей газов, равное отношению молярных масс, называется относительной плотностью одного газа по другому (D). D — величина безразмерная.

Зная D и молярную массу одного газа, легко найти молярную массу другого газа:

Пример 1. Относительная плотность газа по водороду равна 8. Определите молярную массу газа.

М(Х) = М(Н₂) ∙ D = 2 ∙ 8 = 16 г/моль.

Газ с такой молярной массой — метан СH₄.

Пример 2. Относительная плотность некоторого газообразного углеводорода по воздуху равна 2. Определите молярную массу углеводорода.

Средняя молярная масса воздуха равна 29 г/моль;

М(Х) = М(возд.) ∙ D = 29 ∙ 2 = 58 г/моль.

Углеводород с такой молярной массой — бутан С₄Н₁₀.

Следует отметить, что газы с молярной массой меньше 29 легче воздуха, больше 29 — тяжелее.

В расчётных задачах могут быть даны относительные плотности неизвестного газа по азоту, кислороду и другим газам. В этом случае для нахождения молярной массы неизвестного газа необходимо умножить относительную плотность на молярную массу соответственно азота (28 г/моль), кислорода (32 г/моль) и т. д.

Закон Авогадро широко применяется в химических расчётах. Поскольку для газов объёмы пропорциональны количествам (моль) веществ, то коэффициенты в уравнении реакции между газообразными веществами, отражающие количественное соотношение реагирующих веществ, пропорциональны объёмам взаимодействующих газов. Очевидно, что объёмы должны быть измерены при одинаковых условиях.

Пример 3. Какой объём кислорода потребуется для сжигания 2 дм³ пропана? Объёмы измерены при н. у.

Уравнение реакции горения пропана:

С₃Н₈ + 5О₂ 3СО₂ + 4Н₂О

Из закона Авогадро следует, что равные объёмы различных газов содержат одинаковое количество (моль) веществ. Пусть объём пропана равен 1 дм³. Тогда, согласно приведённому уравнению, для сжигания 1 дм³ пропана потребуется 5 дм³ кислорода. Следовательно, для сжигания 2 дм³ пропана потребуется:

1 дм³ С₃Н₈ — 5 дм³ O₂,

2 дм³ С₃Н₈ — 10 дм³ О₂

Ответ: V(О₂) = 10 дм³.

Смеси газов

Рассмотрим две колбы объёмом 0,5 дм³. Одна колба заполнена азотом, а другая метаном. Давление и температура в колбах одинаковые. Если смешать содержимое этих колб, то полученная смесь займёт при таких же условиях объём 1 дм³.

Состав смеси газов часто выражают в объёмных долях. Объёмная доля газа обозначается греческой буквой φ (фи) и равна отношению объёма данного газа к объёму смеси. Рассчитаем объёмную долю азота в полученной выше смеси газов:

φ = = 0,5, или 50 %.

Пример 4. В результате пропускания 150 дм³ (н. у.) воздуха через избыток известковой воды выпало 0,201 г осадка. Найдите объёмную долю (%) углекислого газа в данном образце воздуха.

Уравнение реакции взаимодействия углекислого газа с известковой водой:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О

Найдём количество (моль) карбоната кальция, выпавшего в осадок (M(CaCO₃) = 100 г/моль):

n(СаСО₃) = 0,201/100 = 0,00201 моль.

По уравнению реакции:

n(СаСО₃) = n(СО₂).

Рассчитаем объёмную долю углекислого газа в воздухе:

V(CO₂) = 0,00201 ∙ 22,4 = 0,045 дм³;

φ(СО₂) = 0,045/150 = 0,0003, или 0,03 %.

Ответ: φ(СО₂) = 0,03 %.

Пример 5. Объём смеси водорода с хлором составляет 50 см³. После взаимодействия газов осталось 10 см³ хлора. Найдите состав исходной смеси в объёмных долях. Все объёмы измерены при н. у.

Уравнение реакции взаимодействия водорода с хлором:

H₂ + Cl₂ 2HCl

Поскольку после взаимодействия осталось 10 см³ хлора, то 40 см³ исходной смеси прореагировало. Хлор и водород реагируют между собой в равных объёмных отношениях. Исходя из этих соображений, в реакцию вступили по 20 см³ хлора и водорода. Поскольку осталось 10 см³ хлора, то в первоначальной смеси было 20 см³ водорода и 30 см³ хлора.

Рассчитаем объёмные доли газов в исходной смеси:

φ(H₂) = 20/50 = 0,4, или 40 %;

φ(Cl₂) = 30/50 = 0,6, или 60 %.

Ответ: φ(H₂) = 40 %; φ(Cl₂) = 60 %.

Относительная плотность газа – сравнение относительной молекулярной или молярной массы одного газа с таким же показателем другого газа. Как правило, он определяется по отношению к самому легкому газу – водороду. Также часто газы сравнивают с воздухом.

Для того чтобы показать, какой газ выбирается для сравнения, перед символом относительной плотности исследуемого добавляют индекс, а само название записывают в скобках. Например, DH2(SO2). Это означает, что плотность оксида серы была рассчитана по водороду. Читается это как «плотность оксида серы по водороду».

Чтобы рассчитать плотность газа по водороду, необходимо с помощью периодической таблицы определить молярные массы исследуемого газа и водорода. Если это хлор и водород, то показатели будут выглядеть так: M(Cl2) = 71 г/моль и M(H2) = 2 г/моль. Если плотность водорода разделить на плотность хлора (71:2), в результате получится 35,5. То есть хлор в 35,5 раз тяжелее, чем водород.

Относительная плотность газа от внешних условий никак не зависит. Это объясняется всеобщими законами состояния газов, которые сводятся к тому, что изменение температуры и давления не приводит к изменению их объема. При любых изменениях этих показателей измерения производятся совершенно одинаково.

Для определения плотности газа опытным путем понадобится колба, куда его можно будет поместить. Колбу с газом необходимо взвесить дважды: первый раз – откачав из нее весь воздух; второй – наполнив ее исследуемым газом. Также заранее необходимо измерить объем колбы.

Сначала нужно рассчитать разность масс и разделить ее на значение объема колбы. В результате получится плотность газа по заданным условиям. С помощью уравнения состояния можно высчитать нужный показатель при нормальных либо идеальных условиях.

Узнать плотность некоторых газов можно по сводной таблице, в которой есть готовые сведения. Если газ занесен в таблицу, то брать эту информацию можно без каких-либо дополнительных расчетов и использования формул. К примеру, плотность пара воды можно узнать по таблице свойств воды (Справочник Ривкина С.Л. и др.), ее электронному аналогу или с помощью программ типа WaterSteamPro и других.

Однако у разных жидкостей равновесие с паром наступает при различной плотности последнего. Это объясняется различием сил межмолекулярного взаимодействия. Чем выше оно, тем быстрее наступит равновесие (к примеру, ртуть). У летучих жидкостей (например, эфир) равновесие может наступить лишь при значительной плотности пара.

Плотность различных природных газов варьируется от 0,72 до 2,00 кг/м3 и выше, относительная – от 0,6 до 1,5 и выше. Самая высокая плотность у газов с наибольшим содержанием тяжелых углеводородов H2S, СО2 и N2, самая низкая – у сухих метановых.

Свойства природного газа определяются его составом, температурой, давлением и плотностью. Последний показатель определяется лабораторным путем. Он зависит от всех вышеназванных. Определить его плотность можно разными методами. Самый точный – взвешивание на точных весах в тонкостенном стеклянном баллоне.

Плотность воздуха больше этого же показателя природных газов. В практике принимают это соотношение как 0,6:1. Статическое давление воздуха уменьшается быстрее по сравнению с газом. При давлении до 100 МПа плотность природного газа способна превышать 0,35 г/см3.

Установлено, что увеличение плотности природного газа может сопровождаться увеличением температуры гидратообразования. Природный газ низкой плотности образовывает гидраты при более высокой температуре по сравнению с газами с повышенной плотностью.

В газовой промышленности измерители плотности только начинают использоваться и остается еще много вопросов, которые связаны с особенностями их эксплуатации и проверки.