3. Газовые законы.
Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона. Описывает состояние идеального газа – гипотетического вещества; газа, в котором отсутствуют взаимодействия между молекулами, а объём молекул пренебрежимо мал (математическая точка).
PV=nRT
При взятии постоянными некоторых условий получим следующие выражения:
А) Т=const
P1V1=P2V2 (уравнение Бойля-Мариотта)
Б) Р=const
(закон
Гей-Люссака)
В) V=const
(уравнение
Шарля)
Относительная плотность газов. Плотность газа является одной из его важнейших характеристик. Говоря о плотности газа, обычно имеют в виду его плотность при нормальных условиях (т. е. при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.). Кроме того, часто пользуются относительной плотностью газа, под которой подразумевают отношение плотности данного газа к плотности воздуха при тех же условиях. Легко видеть, что относительная плотность газа не зависит от условий, в которых он находится, так как, согласно законам газового состояния, объемы всех газов меняются при изменениях давления и температуры одинаково.
Молярный объём газа. Молярный объем газа – постоянная величина, поскольку она мало зависит от природы вещества. Молярный объем при давлении 1 атм (101,3 кПа) и температуре 0 °С (273 K) по закону Авогадро равен 22,4 л.
Закон Авогадро - одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в одинаковых объёмах различных паров и газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) находится одинаковое число частиц». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро (1776—1856), профессором физики в Турине.
Следствие из закона Авогадро: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём.
Парциальное давление газа - давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре.
Джон Дальтон сформулировал два закона, носящих его имя:
1. Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений:
2. При постоянной температуре растворимость в данной жидкости каждого из компонентов газовой смеси, находящейся над жидкостью, пропорциональна их парциальному давлению.
Оба закона Дальтона строго выполняются для идеальных газов. Для реальных газов эти законы применимы при условии, если их растворимость невелика, а поведение близко к поведению идеального газа.
Молярная масса смеси – масса одного моля смеси. Вычисляется как сумма молярных масс компонентов, умноженных соответственно на мольные доли.
Объёмная доля компонента газовой смеси численно равна мольной доле, что нетрудно доказать при помощи закона Авогадро.
4. Определение молярных масс летучих веществ.
В химической практике довольно часто приходится прибегать к определению молярной массы газообразного вещества.
Наиболее распространённый метод основан на использовании уравнения Клапейрона-Менделеева.
MPV=mRT
(P - давление, V - объём, m - масса вещества, М – молярная масса, R – газовая постоянная, T – температура)
Как видно из уравнения, для вычисления молярной массы необходимо знать массу газа, его объём, температуру и давление.
Сначала взвешивают колбу с воздухом, после заполняют её углекислым газом, пропущенным для очистки от воды через две колбы с концентрированной серной кислотой, и снова взвешивают. Эксперимент повторяют несколько раз, во избежание погрешности измерения, и записывают массу колбы с газом. После измеряют объём колбы, заполняя её водой, и фиксируют температуру. Зная все необходимые данные, рассчитывают массу воздуха в колбе, вычитают её из массы колбы с воздухом и после этого узнают массу углекислого газа. После этого молярную массу газа определяют тремя способами: по относительной плотности СО2 по воздуху, по молярному объёму или же по уравнению Клапейрона-Менделеева.
Иногда для установления молярной массы используют масс-спектрометрический метод.
Масс-спектрометр состоит из следующих основных частей:
а) ионного источника, где нейтральные атомы превращаются в ионы (например, под действием нагревания или СВЧ-поля) и ускоряются электрическим полем, б) области постоянных электрических и магнитных полей, и в) приёмника ионов, определяющего координаты точек, куда попадают ионы, пересекшие эти поля.
Из ионного источника 1 ускоренные ионы через щель 2 попадают в область 3 постоянного и однородного электрического и магнитного полей. Направление электрического поля задаётся положением пластин конденсатора и показано стрелками. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка. В области 3 электрическое и магнитное поле отклоняют ионы в противоположные стороны и величины напряжённостей этих полей Е и Н1 подобраны так, чтобы силы их действия на ионы (соответственно qЕ и qvН1, где q – заряд, а v – скорость иона) компенсировали друг друга, т.е. было qЕ = qvН1. При скорости иона v = Е/Н1 он движется не отклоняясь в области 3 и проходит через вторую щель 4, попадая в область 5 однородного и постоянного магнитного поля напряжённостью Н2. В этом поле ион движется по окружности 6, радиус R которой определяется из соотношения
Мv2/R = qvH2, где М – масса иона. Так как v = Е/Н1, масса иона определяется из соотношения
m = qH2R/v = qH1H2R/E.
Таким образом, при известном заряде иона его масса определяется радиусом R круговой орбиты в области 5.
Схема масс-спектрометра: 1 - ионный источник, 2, 4 - щелевые диафрагмы, 3 - область однородных и постоянных электрического и магнитного полей (силовые линии электрического поля направлены вдоль плоскости рисунка м показаны стрелками, область магнитного поля показана штриховкой, его силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка), 5 - область однородного и постоянного магнитного поля (силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка), 6 - траектория иона, 7 - детектор.