תוֹכֶן

• צעדים
• טיפים
• אזהרות
• חומרים הכרחיים

בכימיה, "לחץ חלקי" מתייחס ללחץ שכל גז בתערובת גז מפעיל על סביבתו, כמו בקבוק לדוגמא, מיכל אוויר צלילה או גבולות האטמוספירה. אתה יכול לחשב את הלחץ של כל גז בתערובת אם אתה יודע כמה ממנו יש, איזה נפח הוא תופס והטמפרטורה שלו. לאחר מכן תוכל להוסיף לחצים חלקיים אלה כדי למצוא את הלחץ הכולל של תערובת הגז, או שתוכל למצוא את הלחץ הכולל תחילה ואז למצוא את הלחצים החלקיים.

צעדים

חלק 1 מתוך 3: הבנת תכונות הגזים

1. 

   התייחס לכל גז כאל גז "אידיאלי". גז אידיאלי, בכימיה, הוא הגומלין עם גזים אחרים, מבלי להימשך למולקולות שלו. מולקולות בודדות יכולות להכות זו בזו ולקפוץ כמו כדורי ביליארד מבלי להתעוות בשום צורה שהיא.
   • לחצי הגז האידיאליים עולים ככל שהם נדחסים לחללים קטנים יותר ויורדים ככל שהם מתרחבים לאזורים גדולים יותר. מערכת יחסים זו נקראת חוק בויל, על שם רוברט בויל. זה מתואר מתמטית כ k = P x V או, יותר פשוט, k = PV, כאשר k מייצג את הקשר הקבוע, P מייצג לחץ ו- V מייצג נפח.
   • ניתן לקבוע את הלחצים באמצעות אחת מכמה יחידות אפשריות. האחד הוא פסקל (אבא), המוגדר ככוח ניוטון המופעל על פני מטר מרובע. אחרת היא האטמוספירה (כספומט) המוגדרת כלחץ האטמוספירה של כדור הארץ בגובה פני הים. לחץ של 1 כספומט שווה ל 101,325 אבא.
   • טמפרטורות הגז האידיאליות עולות ככל שהנפחים עולים ויורדים. קשר זה נקרא חוק צ'ארלס על שם ז'אק צ'ארלס ומתואר באופן מתמטי כ k = V / t, כאשר k מייצג את הקשר בין נפח קבוע לטמפרטורה, V מייצג נפח, שוב ו- T מייצג טמפרטורה.
   • טמפרטורות הגז במשוואה זו ניתנות במעלות קלווין, שנמצאות על ידי הוספת 273 למספר מעלות צלזיוס של טמפרטורת הגז.
   • ניתן לשלב את שני הקשרים הללו למשוואה אחת: k = PV / T, שניתן לכתוב גם כ- PV = kT.

2. 

   
   
   הגדר באילו כמויות נמדדים הגזים. לגזים יש מסה ונפח. נפח נמדד בדרך כלל בליטר (l), אך ישנם שני סוגים של מסה.
   • מסה קונבנציונאלית נמדדת בגרמים או, אם יש מסה גדולה מספיק, קילוגרמים.
   • בגלל קלילות הגזים, הם נמדדים גם בצורת מסה אחרת הנקראת מסה מולקולרית או מסת טוחנת. מסת טוחנת מוגדרת כסכום המשקולות האטומיות של כל אטום של התרכובת שממנה עשוי הגז, כאשר כל אטום לעומת הערך 12 לפחמן.
   • מכיוון שהאטומים והמולקולות קטנים מכדי לעבוד איתם, כמויות הגזים מוגדרות בשומות. ניתן לקבוע את מספר השומות הנמצאות בגז נתון על ידי חלוקת המסה במסה הטוחנת וניתן לייצג אותה באות n.
   • אנו יכולים להחליף את הקבוע הקבוע השרירותי במשוואת הגז בתוצר של n, מספר השומות (mol), וקבוע קבוע R. כעת ניתן לכתוב את המשוואה nR = PV / T או PV = nRT.
   • ערך R תלוי ביחידות המשמשות למדידת הלחצים, הנפחים והטמפרטורות של הגזים. כדי לזהות את הנפח בליטר, את הטמפרטורה בקלווין ואת הלחץ באטמוספרות, הערך שלה הוא 0.0821 L.atm / K.mol. ניתן לכתוב זאת גם L 0.0821 atm K mol כדי להימנע מהפס המפוצל ביחידות המדידה.

3. 

   
   
   להבין את חוק הלחצים החלקיים של דלתון. פותח על ידי הכימאי והפיזיקאי ג'ון דלטון, שקידם לראשונה את מושג היסודות הכימיים העשויים אטומים, חוק דלטון קובע כי הלחץ הכולל של תערובת גז הוא סכום הלחצים של כל אחד מהגזים בתערובת.
   • ניתן לכתוב את חוק דלתון כמשוואה כ- P _{סך הכל} = P₁ + P₂ + P₃... עם כמה שיותר תוספות אחרי סימן השווה כמו שיש גזים בתערובת.
   • ניתן להרחיב את משוואת חוק דלתון בעבודה עם גזים שלחצים חלקיים בודדים אינם ידועים, אך עליהם אנו יודעים את נפחם וטמפרטורותיהם. לחץ חלקי של גז הוא אותו לחץ אם אותה כמות גז הייתה הגז היחיד במיכל.
   • עבור כל אחד מהלחצים החלקיים נוכל לכתוב מחדש את משוואת הגז האידיאלית כך שבמקום הנוסחה PV = nRT, נוכל לקבל רק P בצד שמאל של סימן השוויון. לשם כך אנו מחלקים את שני הצדדים ב- V: PV / V = ​​nRT / V. שני ה- Vs בצד שמאל מבטלים זה את זה ומשאירים P = nRT / V.
   • לאחר מכן נוכל להחליף כל P שנרשם בצד ימין של משוואת הלחץ החלקי: P_{סך הכל} = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃…

חלק 2 מתוך 3: חישוב לחצים חלקיים ואז לחצים סה"כ

1. 

   
   
   
   
   הגדר את משוואת הלחץ החלקית של הגזים איתם אתה עובד. לצורך חישוב זה, נניח בלון 2 ליטר המכיל שלושה גזים: חנקן (N₂), חמצן (O₂) ופחמן דו חמצני (CO₂). יש 10 גרם מכל אחד מהגזים, והטמפרטורה של כל אחד מהם בבקבוק היא 37 מעלות צלזיוס. עלינו למצוא את הלחץ החלקי של כל גז ואת הלחץ הכולל שהתערובת מפעילה על המיכל.
   • משוואת הלחץ החלקית שלנו הופכת ל- P _{סך הכל} = P _חַנקָן + P _חַמצָן + P _{פחמן דו חמצני} .
   • מכיוון שאנו מנסים למצוא את הלחץ שכל גז מפעיל, אנו יודעים את הנפח והטמפרטורה ונוכל למצוא כמה שומות של כל גז על בסיס המסה, אנו יכולים לכתוב את המשוואה הזו כ: P_{סך הכל} = (nRT / V) _חַנקָן + (nRT / V) _חַמצָן + (nRT / V) _{פחמן דו חמצני}

2. 

   
   
   המירו את הטמפרטורה לקלווין. הטמפרטורה היא 37 מעלות צלזיוס, אז הוסף 273 עד 37 כדי לקבל 310 ק.

3. 

   מצא את מספר השומות לכל אחד מהגזים בדגימה. מספר השומות של גז הוא מסת הגז שמחולקת במסת הטוחנת שלו, שלדברינו היא סכום המשקלים האטומיים של כל אטום בתרכובת.
   • עבור הגז הראשון, חנקן (N₂), לכל אטום משקל אטומי של 14. מכיוון שחנקן הוא דיאטומי (צורה מולקולרית של שני אטומים), עלינו להכפיל 14 ב -2 כדי לגלות שלחנקן במדגם שלנו יש מסה טוחנת של 28. ואז, חלק את המסה בגרמים, 10 גרם, עד 28, כדי להשיג את מספר השומות, שאותן אנו מעריכים עד 0.4 מול חנקן.
   • עבור הגז השני, חמצן (O₂), לכל אטום משקל אטומי של 16. חמצן הוא גם דיאטומי, לכן הכפלו 16 ב -2 כדי לגלות שלחמצן שבמדגם שלנו יש מסה טוחנת של 32. חלוקה של 10 גרם על 32 נותנת לנו בערך 0.3 מול חמצן לִטעוֹם.
   • הגז השלישי, פחמן דו חמצני (CO₂), יש 3 אטומים: פחמן אחד, עם משקל אטומי של 12; ושני חמצן, כל אחד עם משקל אטומי של 16. אנו מוסיפים את שלושת המשקולות: 12 + 16 + 16 = 44 עבור המסה הטוחנת. חלוקת 10 גרם ב 44 נותנת לנו כ 0.2 mol של פחמן דו חמצני.

4. 

   
   
   החלף את הערכים בשומות, נפח וטמפרטורה. המשוואה שלנו נראית עכשיו כך: P_{סך הכל} = (0.4 * R * 310/2) _חַנקָן + (0.3 * R * 310/2) _חַמצָן + (0.2 * R * 310/2) _{פחמן דו חמצני}.
   • לשם פשטות, השארנו את יחידות המדידה הנלוות לערכים. יחידות אלה יבוטלו לאחר ביצוע המתמטיקה ונותר רק את יחידת המידה בה אנו משתמשים כדי לדווח על לחצים.

5. 

   החלף את הערך עבור קבוע R. אנו נמצא את הלחצים החלקיים והסופיים באטמוספרות, לכן נשתמש בערך R של 0.0821 atm L / K.mol. החלפת הערך במשוואה נותנת לנו כעת P_{סך הכל} =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _חַנקָן + (0,3 *0,0821 * 310/2) _חַמצָן + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{פחמן דו חמצני} .

6. 

   חשב את הלחצים החלקיים עבור כל גז. עכשיו שיש לנו את הערכים במקום, הגיע הזמן לעשות את המתמטיקה.
   • עבור הלחץ החלקי של החנקן, אנו מכפילים 0.4 מול בקבוע 0.0821 שלנו ובטמפרטורת 310 K שלנו, ואז מחלקים ב -2 ליטר: 0.4 * 0.0821 * 310/2 = 5, 09 אטמ, בערך.
   • עבור לחץ חמצן חלקי, אנו מכפילים 0.3 מול בקבוע 0.0821 שלנו ובטמפרטורת 310 K ואז מחלקים ב -2 ליטר: 0.3 * 0.0821 * 310/2 = 3, 82 אטמ ', בערך.
   • עבור הלחץ החלקי של פחמן דו חמצני, אנו מכפילים 0.2 מול בקבוע 0.0821 שלנו ובטמפרטורת 310 K שלנו ואז מחלקים ב -2 ליטר: 0.2 * 0.0821 * 310/2 = 2.54 אטמ, בערך.
   • כעת אנו מוסיפים לחצים אלה כדי למצוא את הלחץ הכולל: P_{סך הכל} = 5.09 + 3.82 + 2.54, או כ- 11.45 כספומט.

חלק 3 מתוך 3: חישוב הלחץ הכולל ואז הלחצים החלקיים

1. 

   הגדר את משוואת הלחץ החלקית כמו קודם. שוב, אנו מניחים כי בקבוקון בנפח 2 ליטר מכיל 3 גזים: חנקן (N₂), חמצן (O₂), ופחמן דו חמצני (CO₂). ישנם 10 גרם מכל אחד מהגזים והטמפרטורה של כל אחד מהגזים בבקבוק היא 37 מעלות צלזיוס.
   • הטמפרטורה בקלווין עדיין תהיה 310, וכמו בעבר יש לנו כ 0.4 מ"ל חנקן, 0.3 מ"ל חמצן ו 0.2 מ"ל פחמן דו חמצני.
   • כמו כן, אנו עדיין נמצא לחצים באטמוספרות, לכן נשתמש בערך של 0.0821 אטמ L / K.mol עבור הקבוע R.
   • לכן, משוואת הלחץ החלקית שלנו עדיין נראית זהה בשלב זה: P_{סך הכל} =(0,4 * 0,0821 * 310/2) _חַנקָן + (0,3 *0,0821 * 310/2) _חַמצָן + (0,2 * 0,0821 * 310/2) _{פחמן דו חמצני}.

2. 

   הוסף את מספר השומות של כל אחד מהגזים בדגימה כדי למצוא את המספר הכולל של השומות של תערובת הגז. מכיוון שהנפח והטמפרטורה זהים לכל דגימה בגז, שלא לדבר על כך שכל ערך טוחנת מוכפל באותה קבוע, אנו יכולים להשתמש במאפיין החלוקתי של המתמטיקה כדי לשכתב את המשוואה כ- P_{סך הכל} = (0,4 + 0,3 + 0,2) * 0,0821 * 310/2.
   • הוספת 0.4 + 0.3 + 0.2 = 0.9 mol מתערובת הגז. זה מפשט עוד יותר את המשוואה עבור P _{סך הכל} = 0,9 * 0,0821 * 310/2.

3. 

   חשב את הלחץ הכולל של תערובת הגז. הכפלת 0.9 * 0.0821 * 310/2 = 11.45 מול, בערך.

4. 

   מצא את החלק של כל גז בתערובת הכוללת. לשם כך חלקו את מספר השומות לכל אחד מהגזים למספר השומות הכולל.
   • יש 0.4 mol של חנקן, ולכן 0.4 / 0.9 = 0.44 (44%) מהמדגם, בערך.
   • יש 0.3 mol של חנקן, ולכן 0.3 / 0.9 = 0.33 (33%) מהמדגם, בערך.
   • יש 0.2 mol של פחמן דו חמצני, כך ש- 0.2 / 0.9 = 0.22 (22%) מהמדגם, בערך.
   • למרות שהאחוזים המשוערים לעיל מסתכמים ב- 0.99 בלבד, העשרונים בפועל חוזרים על עצמם, כך שהסכום בפועל הוא סדרה של חזרה על תשע לאחר העשרוני. בהגדרה, זה זהה ל- 1 או ל- 100%.

5. 

   הכפל את הערך היחסי של כל גז בלחץ הכולל כדי למצוא את הלחץ החלקי.
   • הכפלת 0.44 * 11.45 = 5.04 כספומט, בערך.
   • הכפלת 0.33 * 11.45 = 3.78 כספומט, בערך.
   • הכפלת 0.22 * 11.45 = 2.52 כספומט, בערך.

טיפים

• תוכלו להבחין בהבדל קטן בערכים על ידי מציאת תחילה הלחצים החלקיים, אחר כך הלחץ הכולל, ומציאת הלחץ הכולל תחילה ואז הלחצים החלקיים. זכור כי הערכים הנתונים הוצגו כערכים משוערים, עקב עיגול למקום עשרוני אחד או שניים כדי להקל על ההבנה של הערכים. אם תבצע את החישובים עם מחשבון, ללא עיגול, תבחין בפער מינורי, אם בכלל, בין שתי השיטות.

אזהרות

• ידע על לחצי גז חלקיים יכול להפוך לעניין של חיים ומוות עבור צוללנים. לחץ חלקי נמוך מדי של חמצן יכול להוביל לאובדן הכרה ומוות, בעוד שלחץ חלקי גבוה מאוד של מימן או חמצן יכול להיות גם רעיל.

חומרים הכרחיים

• מַחשְׁבוֹן;
• ספר עיון של משקולות אטומים / מסות טוחנות.