МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ ІМЕНІ ІВАНА КОЖЕДУБА

ШОСТКИНСЬКОГО ІНСТИТУТУ

СУМСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

МЕТОДИЧНЕ КЕРІВНИЦТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ

ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ

З ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ

СПЕЦІАЛЬНОСТІ: 5.05130105, 5.05130106

Розглянуто і схвалено на засіданні Складено викладачем

Циклової комісії загально-хімічних дисциплін

Протокол №____від_______________20 р. _____ Г.І.Кокшайкиною

Голова циклової комісії

_____________ Г.І.Кокшайкина

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ ІМЕНІ ІВАНА КОЖЕДУБА

ШОСТКИНСЬКОГО ІНСТИТУТУ

СУМСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

МЕТОДИЧНЕ КЕРІВНИЦТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ

ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

З ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ

ВИРІШЕНЯ ПРИКЛАДІВ І ЗАДАЧ НА ОСНОВІ ГАЗОВИХ ЗАКОНІВ

ОБЧИСЛЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОВОЇ СУМІШІ

СПЕЦІАЛЬНОСТІ: 5.05130105, 5.05130106

Розглянуто і схвалено на засіданні Складено викладачем

Циклової комісії загально-хімічних дисциплін

Протокол №____від_______________20 р. _____ Г.І.Кокшайкиною

Голова циклової комісії

_____________ Г.І.Кокшайкина

ІНСТРУКЦІЙНА КАРТКА ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ «ФІЗИЧНА ХІМІЯ»

ТЕМА:ВИРІШЕННЯ ПРИКЛАДІВ ТА ЗАДАЧ НА ОСНОВІ ГАЗОВИХ ЗАКОНІВ. ОБЧИСЛЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОВОЇ СУМІШІ

ТРИВАЛІСТЬ ЗАНЯТТЯ: 2 ГОДИНИ

МЕТА ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТТЯ: ЗАКРІПЛЕННЯ ТЕОРЕТИЧНИХ ЗНАНЬ З ТЕМИ

МАТЕРІАЛЬНО-ТЕХНІЧНЕ ОСНАЩЕННЯ РОБОЧОГО МІСЦЯ: інструкційна картка, калькулятор, підручники, довідникові дані

Основні газові закони

Для даної маси ідеального газу при постійній температурі добуток тиску на об'єм завжди постійний:

PV = const Закон Бойля-Маріотта:Об'єм даної маси газу за постійної температури змінюється оборотно пропорційно тиску, за яким газ знаходиться.

V₁ / V₂ = P₂ / P₁

Графічно закон Бойля—Маріотта зображається в координатах Р—V у вигляді симетричної гіперболи. Криві, що ілюструють закон Бойля—Маріотта, називаються ізотермами.

Із закону випливає наслідок: концентрація та густина газу змінюються прямопропорційно зміні тиску

C₁ /C₂ = P₁/P₂ та₁/ ₂ = P₁/P₂

Поєднання рівнянь приводить ще до одного узагальнення: для даної маси ідеального газу при постійному тиску об'єм пропорційний температурі V = T.const або V / T = const ,

а при постійному об'ємі — тиск пропорційний температурі;

Р = Т.const або P / T = const

Закон Гей-Люссака:При нагріванні даної маси газу на 1⁰С (за постійного тиску) об’єм його збільшується на 1/273,15 (частину того об’єму, який мав би газ при 0⁰С).

1

V _t = V₀ 1 + --------- t

273,15

Графічно цей закон зображається прямими, витікаючими з початку координат V—Т -діаграми, званими ізобарами. Коефіцієнт пропорційності в рівнянні закону Гей-Люссака (коефіціент термічного розширенння) залежить від природи газу, його маси і тиску, що виходить з основного рівняння кінетичної теорії.

Залежність даної маси ідеального газу при постійному тиску пропорційно температурі описує закон Ж. Шарля

1

Р_t = Р₀ 1 + --------- t

273,15

Математична залежність, яка виражає закон Гей-Люсака, становится простішою, якщо ввести абсолютну температуру: об’єм та тиск змінюються прямо пропорційно зміні абсолютної температури газу V₁ / V₂ = T₁ / T₂

P₁ / P₂ = T₁ / T₂

Із законів випливають наслідки: густина та концентрація газу, який знаходиться під постійним тиском, оборотно пропорційні абсолютним температурам

C₁ /C₂ = Т₂/Т₁ та ₁/ ₂ = Т₂/Т₁

Графічне зображення його в координатах Р — Т має такий же вигляд, що і ізобари, зображеної в координатах V — Т. Внаслідок цього обидва закони об'єднують під загальною назвою закону Гей-Люссака — Шарля. Графічні зображення закону Шарля називають ізохорами. Точно так, як і в рівнянні закону Гей-Люссака, коефіцієнт в рівнянні закону Шарля залежить від природи газу, його маси і об'єму і називаєтьсятермічним коефіціентом пружності пари.

Закон Авогадро:в рівних об'ємах різних газів за однакових температурі та тиску вміщується однакова кількість молекул. Слідством закону Авогадро є постійність молярних об'ємів різних газів за однакових зовнішніх умов.

За нормальних умов t = 0⁰С, р = 101325 Па (1атм) кіломоль будь-якого газу займає об’єм 22,4м³.

До такого результату приходять з урахуванням тієї обставини, що число частинок (молекул) в 1 моль будь-якої речовини постійно.

Це число — число Авогадро N_A =6,022045^.10²³моль^-1; 6,022045^.10²⁶кмоль^-1

Рівняння стану ідеального газу (Клапейрона— Менделєєва)

Для 1 моль ідеального газу, незалежно від його природи, маємо PV_m / T = R = const

де V_m— молярний об'єм; Р — абсолютний тиск; Т — абсолютна температура даного газу.

Рівняння називається універсальним рівнянням стану ідеального газу, а постійна R цього рівняння називаєтьсямолярною газовою постійною.

R = 8,3144 Дж/(моль.К) = 8,3144.10³Дж/(кмоль.К)

Для довільної кількості ідеального газу рівняння стану має вигляд

PV = mRT / M або PV = nRT

де m— маса; М — молярна маса;n— число моль.

Вираз дозволяє експериментально визначати молярні маси легколетючих речовин

(метод Р. Майєру) M = mRT / PV

а також розраховувати щільність газів ρза умов, близьких до нормальних:

ρ = m / V = MP / RT

Вирішуючи рівняння щодо тиску, одержимо P = n RT / V = cRT

де c— молярна концентрація даного газу.

Використовуючи рівняння стану ідеального газу для однієї і тієї ж кількості газу за нормальних умов P₀,T₀,V₀, а потім за завданих умовP,T,V, можна вивести формулу для приведення об’єму даної маcи газу до нормальних умов:P₀V₀/T₀=PV/T

Аналогічно можна вивести формулу, яка дозволяє провести перехід від одних завданих для газу умов P₁,T₁,V₁до інших умов P₂,T₂,V₂ :P₁V₁ / T₁ = P₂V₂ / T₂

Швидкість поступальної ходи частинок ідеального газу

Для 1 моль ідеального газу маємо PV_m= RT = 1/3 N_AmU², деN_A— число Авогадро.

Але добуток маси однієї частинки на їх число в 1 моль речовини рівний молярній масі цієї речовини: N_Am = М. Отже: RT = 1/3 MU²

Звідси середня квадратичнашвидкість поступального руху частинок ідеального газу, м/с, дорівнює:

U = √ 3RT / M

Середня арифметичнашвидкість поступального руху частинок ідеального газу, м/с, дорівнює:

U = √ 8RT /  M

З рівняння витікає, що середня швидкість поступальної ходи частинок ідеального газу росте з зростанням температури. Протилежний вплив робить маса частинок: чим важче вони, тим менша їх швидкість.

Способи виразу складу суміші ідеальних газів

Об'ємна частка(об. частка) r_ікомпоненту i в суміші — це відношення його об'єму V_і до загального об'єму суміші V_cум

r_i =V_i/ V_cум.

Mасова частка(мас. частка) g_iкомпоненту i в суміші — це відношення його маси m_iдо загальної маси сумішіm_сyм

g_i = m_i / m_сyм

Mолярна частка(мол. частка)x_iкомпоненту i в суміші — це відношення його числа молейn_iдо загального числа молей сумішіn_сyм

x_i = n_i / n_сyм

Сума часток дорівнює одиниці.

Залежно від точності вимірювань, перераховані величини можуть бути виражені простими долями, а також долями: сотими (відсоток, рс або %), тисячними (промілле, рmабо⁰/₀₀), десятитисячними (пропроцент, ррс), мільйонними (пропромилле, ррm).

Згідно закону Авогадро, молярні долі компонентів газової суміші рівні їх об'ємним долям.

Іншими словами, для будь-якої суміші газів, що складається з довільного числа компонентів, маємо:

х₁= r₁; x₂ = r₂ і т.п.

У хіміко-технологічній практиці склад газової суміші часто характеризується молярною або масовою концентрацією її компонентів;

Mолярна концентраціяc_iкомпонентуi— це відношення його числа моль n_iдо об'єму сумішіV_сyм

c_i =n_i/V_сyм(моль/м³)

Mасова концентраціяр_iкомпоненту i — це відношення його маси m_i до об'єму суміші V_сyм

р_i= m_i/ V_сyм(кг/м³)

Газові суміші. Закон Дальтону

Основним законом газових сумішей є закон Дальтону:

Загальний тиск газової суміші р_заг рівний сумі парціального тиску всіх вхідних в неї газів р₁, р₂, р₃

р_заг= р₁+ р₂+ р₃... + р_n

Парціальний тиск— це частина загального тиску в газовій суміші, яка обумовлена даним газом або парою. Парціальний тиск рівний тому тиску газу, яким він володів би, займаючи один весь об'єм суміші.

Рівняння стану стосовно суміші ідеальних газів

RT

p_заг= (n₁+n₂+n₃+... ) ------

V_заг

або

p_заг.V_заг=nRT

де n— сума числа молей газів в суміші.

Крім парціального тиску у газових сумішей розрізняють парціальний об'єм кожного з газів V₁, V₂, V₃і т.д.

Парціальнимназиваєтьсяоб'єм, який займав би окремий ідеальний газ, що входить до складу суміші ідеальних газів, якби при тій же кількості він мав тиск і температуру суміші.

Сума парціальних об'ємів всіх ідеальних газів, що входять в суміш, рівна загальному об'єму суміші

V_заг= V₁ + V₂+ V₃+ ...

Склад газових сумішей виражають у масових і об'ємних відсотках, в мольних частках і молярних відсотках.

Закон Дальтону використовують для обчислення величин парціального тиску газів, що становлять дану суміш.

р₁n₁ n₁

----- = ------ або р₁= ------ р_заг

р_загnn

Отже, парціальний тиск будь-якого компоненту газової суміші рівний мольній частці його в суміші, помноженій на загальний тиск суміші.

Відповідно, парціальний тиск будь-якого компонента газової суміші дорівнює молярній частці його в суміші, помноженій на загальний тиск суміші.

Формула взаємозвязку між молярною концентрацією та мол.(об.) часткою компонента газової суміші

n_i P_заг

c_i =n_i/V_заг= ----- . ----- =x_i P_заг/RT=r_iP_заг/RT

n_заг RT

Формула взаємозвязку між масовою концентрацією та мол.(об.) часткою компонента газової суміші

g_i = m_i / V_заг = n_iM_i / V_заг = c_i M_i = P_заг / RT .x_i M_i

Реальні гази

Для характеристики реальних газів використовується рівняння Ван-дер-Ваальса

a

(р + ---- ) (V–b) =RT

V²

Значення сталих a, b, які залежать від природи газу, знаходяться в довіднику.

Стала а враховує сили міжмолекулярного тяжіння.

Стала bвраховує власний об’єм молекули газу.

Приклади розв’язання задач

Задача 1Газ масою 1, 236г за температури 20⁰С і тиску 1атм займає об’єм 512см³. Обчислити відносну молекулярну масу газу

Розв’язання: Підставляючи в рівняння Менделеєва-Клапейрона значення для числа молів

n = m / M

(де m– маса речовини,г; М-її молярна маса) дістаємо рівняння

m

pV = ---- RT

M

Рівняння дає змогу, для відомих маси і обєму газу, за певних значень температури і тиску, обчислити його молярну масу. Оскільки М = М_r г.моль^-1, одержаний результат відповідає відносній молекулярній масі М_r

Підставляючи в рівняння усі наведені і умові задачі значення величин в системі СІ, знаходимо

mRT (1,236г)(8,314 Дж.К^-1.моль^-1)(293,15К)

M = ------ = --------------------------------------------------- = 58 г/моль

pV(101325 Дж.м^-3)(0,000512м³)

Задача 2Визначте густину пентану для обраних вами умов

Розв'язання.Необхідно підібрати умови, за яких пентан є газом і не піддається термічному розкладу.

Приймемо Т = 200 °С і р = 100 кПа. 1 моль газуватого пентану за цих умов займає об'єм

V = RТ / р = 8,314 • 473 / 100 = 39,31л, а густина=m / V= 72 / 39,31 = 1,83 г/л.

Задача 3Газ, добутий у результаті прожарювання 4,9г бертолетової солі, змішали в посудині місткістю 4 л з газом, добутим у результаті взаємодії 6 г кальцію з водою. Визначте тиск газової суміші в посудині при температурі 27 °С.

Розв'язання Запишемо рівняння реакції розкладання бертолетової солі і взаємодії кальцію з водою:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂ (1)

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂+H₂ (2)

В результаті розкладання 4,9 / 122,5 = 0,04 моль KClO₃в результаті реакції (1) утворюється

0,06 моль О₂;

за реакцією (2) 6 / 40 = 0,15 моль Са дають змогу добути 0,15 моль Н₂.

Отже, в посудині місткістю 4 л було внесено 0,21 моль суміші газів. Підставляючи всі значення в рівняння Клапейрона-Менделєєва, знаходимо

nRT 0,21 • 8,314 • 300,15

p =------- = ----------------------------- = 131 кПа.

V 4

Задача 4Розрахувати тиск, який утворює 1кмоль СО₂за 50⁰С, об’єм якого 1м³, за рівнянням Ван-дер-Ваальса та Менделеєва-Клапейрона. Порівняти отримані результати

Розв'язання RTa

З рівняння Ван-дер-Ваальса отримаємо р = ---------- - ----

V – b V²

Значення сталих a, bдля СО₂знаходяться в довіднику

Підставляючи всі значення в рівняння Ван-дер-Ваальса, знаходимо

8,314.10³.323 0,365

р = -------------------- - ------- = 2804999,6Па = 2805кПа

1 – 0,0427 1

Підставляючи всі значення в рівняння Клапейрона-Менделєєва, знаходимо

RT 8,314.10³.323

р = ------- = ------------------- = 2685 кПа

V1

Розбіжність в результатах складає 4,27%. Точніші результати дає рівняння Ван-дер-Ваальса

Задача 5Газова суміш складається з 3м³СО₂, взятого під тиском 95940Па,4м³ О₂під тиском 106600Па, 6м³азоту під тиском 93280Па. Об’єм суміші 10м³. Визначити парціальні тиски газів у суміші та загальний тиск суміші. Температура постійна

Розв’язання: Парціальні тиски кожного з газів розраховуються з використанням закону Бойля-МаріоттаP₁/P₂=V₂/V₁ 95940^. 3

P_CO2 = ------------ = 28782Па

10

106600 ^. 4 93280^. 6

P_O2 = ---------------- = 42640 ПаP_N2 = ------------ = 55968 Па

10 10

Згідно закону Дальтона Р_заг= Р₁ + Р₂+ Р₃... +P_k

Р_заг = 28782 + 42640 + 55968 = 127390 Па

Задача 6 В ємності об’ємом 2000м³змішуються 1кг азоту, 2кг кисню, 3кг водню. Обчислити парціальні об’єми і тиски складових суміші, а також загальний тиск газової суміші при 17⁰С.

Розв’язанняРозраховуємо кількість кмоль газів за формулою n = m / M

1 2 3

n_N2 = -------- = 0,03569кмоль; n_O2 = ------- = 0,00625кмоль; n_H2 = -------- = 1,485кмоль

28,02 32 2,02

n = 0,03569 + 0,00625 + 1,485 = 1,583кмоль

T= 273 + 15 = 290K

З рівняння Р _загV _заг=nRTвизначаємо загальний тиск суміші газів Р_заг

nRT1,583. 8,314.10³.290

Р _заг= ----------- = ---------------------------- = 1908 Па

V _заг 2000

За рівнянням P_{k =} (nk/n) Р_загрозраховуємо парціальні тиски газів в суміші

n _N20,03569

P_N2= -------- Р_заг = ------------ 1908 = 42,93 Па

n1,583

n _H21,485

P_H2= -------- Р_заг = ------------ 1908 = 1789,89 Па

n1,583

n _O20,00625

P_O2= -------- Р_заг = ------------ 1908 = 75,18 Па

n1,583

За рівнянням V_k=P_kV _заг / Р_заг розраховуємо парціальні об’єми газів в суміші

P_N2V _заг42,93^.2000

V_N2 = ------------- = --------------- = 45,11м³

Р _заг 1908

P_O2V _заг75,18 ^.2000

V_O2 = ------------- = --------------- = 78,79 м³

Р _заг 1908

P_H2V _заг1789,89^. 2000

V_H2 = ------------- = ------------------ = 1876,19 м³

Р _заг 1908

Приклад 7 Якщо при кімнатній температурі і тиску 1 • 10⁵Па повітря містить 14,5 - 26,8 об'ємних часток (%) амоніаку, то такі суміші називаються вибуховими. У яких межах змінюється парціаль­ний тиск амоніаку у цих сумішах?

Розв'язування.Оскільки парціальні тиски газів прямо пропорцій­ні до їх об'ємних часток у суміші, то найменший Р(NН₃) дорівнює 1 • 10⁵• 0,145 = 14500Па = 14,5 кПа,

а найбільший Р(NН₃) дорівнює 1 • 10⁵• 0,268 = 26800 Па = 26,8 кПа (1 кПа = 10³Па).

Приклад 8.Який тиск потрібний для того, щоб зібрати в об'ємі 100 м³при температурі27°С карбон (IV) оксид, виділений повним термічним розкладанням вапняку масою 5 т, в котрому масова частка кальцій карбонату складає 80 %?

Розв'язування.Маса розкладеного кальцій карбонату визначається відношенням:

5000 * 80

m(СаСО3) = ------------- = 4000 кг.

100

Із пропорції, складеної згідно з рівнянням реакції СаСО₃—>СаО + СО₂, знаходять:

а) об'єм СО₂(н.у.), або б) масу СО₂, залежно від того, чи буде далі використане рівняння приведен­ня газу до (н.у.) або рівняння Менделєєва - Клапейрона:а) 100 кг СаСО₃ - 22,4 м³ СО₂

4000 " - " - х " - "

х = V(СО₂) = 896 м³

Оскільки

VP V₀P₀ V₀P₀T

--- = ------ або P = ----------, то

T T₀ VT₀

896м³. 1.013.10⁵. 300К

Р(СО₂) = -------------------------------- = 9,97.10⁵Па = 0,997 МПа = 1МПа

273К . 100м³

б) 100 кг СаСО₃ - 44 кг СО₂

4000 " - " - х " - "

x = m(CO₂) = 1760 кг

PV = (m / M) RT

mRT 1760кг . 8,31Н.м.моль^-1 . К^-1 .300К

P = ----------- = ---------------------------------------------- = 9,07.105 Па = 1МПа

MV 44.10^-3 кг.моль^-1. 100м³

Приклад 9 Визначте відносну молекулярну масу органічної речовини, якщо вона масою 1,3г у пароподібному стані займає об’єм 0,6л при 87⁰С і тиску 0,83 ^.10⁵ Па?

Розв'язування.Об’єм газу (н.у.) V₀ = VPT₀ / P₀T , звідки

0,6. 0,83.10^{5 .} 273

V₀ = ------------------------- = 0,373 л

1,013.10⁵ . 360

Пара масою 1,3г займає об’єм 0,373л

“ – “ x - “ – “ 22,4л

1,3 ^. 22,4

х = М = ----------------- = 78,2 г/моль; або Мr= 78,2

0,373

Приклад 10Визначте масу кисню об'ємом 10 л за нормальних умов.

Розв'язування.Розраховуємо кількість молів молекулярного кисню:

V_H (O₂) 10л

n(О₂) =--------- = ---------------- = 0,45 моля, де V_H -об'єм кисню за нормальних умов.

Vm(О₂) 22,4 л/моль

Визначаємо масу кисню:

m(O₂) =n(O₂) * М(O₂); m(О₂) = 0,45 моль • 32 г/моль = 14,4 г.

Задача 11 .Визначте масу та об'єм, який за нормальних умов займають 2.10²⁴молекул водню.

Розв'язування.Визначаємо кількість речовини воднюn(Н₂) за формулою:

N(Н₂)

n(Н₂) = ———,

N_А

де N(Н₂)- число молекул Н₂, N_A = 6,02 • 10²³моль^-1 - стала Авогадро.

2 ^. 10²⁴

Отримуємо: N(Н₂) =-------------- = 3,33 (моль).

6,02^. 10²³

Масу газу m(Н₂) обчислюємо за формулою:

m(Н₂) =n(Н₂) * М(Н₂);

m(Н₂) = 3,33 моль • 2 г/моль = 6,66 г.

Обчислюємо об'єм Н₂за нормальних умов (н.у.): V(Н₂) =V _m•n(Н₂);

V(Н₂) = 22,4 л / моль • 3,33 моль = 74,6 л (н.у.).

Задача 12. Визначте кількість молекул карбон (IV) оксиду СО₂об'ємом 11,2 л за нормальних умов.

Розв'язування.Обчислюємо кількість речовин молекулярного СО₂ : V(СО₂) 11,2л

n (СO₂) = --------------- = --------------- = 0,5 моль.

V_М(СО₂) 22,4 л/моль

Визначаємо кількість молекул СО₂ за формулою:

N (CO₂)

n (CO₂) = ———,

N_А

де N(СО₂) - число молекул СО₂; N_A= 6,02 • 1023 моль^-1- стала Авогадро.

Одержуємо: N(СО₂) =n(СО₂) • N_А.

N(СО₂) = 0,5 моль • 6,02 • 10²³моль^-1= 3,01 • 10²³молекул.

Задача 13. Густина газу за повітрям дорівнює 2. Знайти молярну масу невідомого газу.

Розв'язування. Знаючи густину за повітрям, молярну масу газу,D_п визначаємо за виразом:

М = 29D_п.

М = 29 • 2 = 58 (г/моль).

Задача14. Густина газу за азотом дорівнює 2,5. Визначте густину цього газу за воднем.

Розв'язування.Знаючи густину газу за азотомD_N2, знаходимо молярну масу газу:

М = 28 • D_N2= 28 • 2,5 = 70 г/моль.

Густина цього газу за воднем становитиме:

М(газу) 70

D_N2 = ------------- = ------ = 35

М(Н₂) 2

РЕАКЦІЇ ЗА УЧАСТЮ ГАЗОПОДІБНИХ РЕЧОВИН

У даному розділі виділено такі групи задач:

Група 1.Задачі на знаходження складу газової суміші, якщо в умові є дані, які дозволяють розрахувати молярну масу суміші, і задачі на знаходження відносної густини газової суміші за її складом з наступним використанням одержаних даних для проведення розрахунків за хімічними рівняннями.

Група 2.Задачі, пов'язані з добуванням чи використанням сумішей озону і кисню, необхідних для проведення реакцій горіння органічних та неорганічних речовин.

Група 3. Задачі на встановлення складу газової суміші за наявних даних про зміну об'єму газової суміші в результаті реакції.

Група 4.Задачі на використання газових законів.

Група 5.Задачі з використанням поняття «ступінь перетворення (конверсії)».

При проведенні хімічних розрахунків за хімічними рівняннями за учас­тю газоподібних речовин потрібно пам'ятати, чио об'єм газу повинен бути приведений до нормальних умов.

Нормальні умови: температура 0°С або 273 К, тиск— 1,013^.10⁵Па, або 760 мм рт. ст., або 1 атм.

Для приведення об'єму газу до нормальних умов (н.у.) користуються формулою об'єднаного газового закону:

PV / T = P₀V₀ / T₀

де Р, V, Т— тиск, температура та об'єм за певних умов,

а Р₀,V₀, Т₀— тиск, температура та об'єм за нормальних умов.

Часто зручно користуватись формулою Менделєєва — Клапейрона: mRT

PV = -------- = ν RT

M

де V — об'єм газу, Р — тиск, Т — абсолютна температура (К), М — мо­лярна маса газу,

m— маса газу,ν— кількість речовини,R— універсальна газова стала.

л ^.атм Дж мл^.мм рт ст

R =0,082---------- = 8,314 ----------- = 62360 ------------------

моль ^.К моль^.К моль^.К

* Примітка: Підкреслені задачі є тренувальними вправами і розв'язки їх наводяться.

Група 1.Задачі на знаходження складу газової суміші, якщо в умові є дані, які дозволяють розрахувати молярну масу суміші, і задачі на знаходження відносної густини газової суміші за її складом з наступним використанням одержаних даних для проведення розрахунків за хімічними рівняннями.

І РІВЕНЬ

1.1 * Обчисліть густину за воднем газової суміші, що містить за об'ємом 20% метану, 40% карбон діоксиду, решта — чадний газ.

1.2Суміш амоніаку та азоту має густину за гелієм 6. Обчисліть: а) об'ємну частку азоту (%) у суміші; б) масову частку (%) амоніаку в суміші.

1.3Газова суміш складається з 20 л карбон діоксиду, 40 л кисню та 60 л водню. Розрахуйте відносну густину суміші за амоніаком.

1.4Газова суміш складається з метану, азоту та амоніаку, об'єми яких відносяться відповідно як 2:1:2. Обчисліть відносну густину суміші за гелієм.

1.5Густина за воднем суміші метану та ацетилену становить 9. Обчисліть: а) об'ємні частки газів (%) у суміші; б) масові частки газів у суміші (%).

1.6 Густина за повітрям суміші карбон діоксиду та карбон монооксиду становить 1,3. Обчисліть об'ємні частки (%) газів, що входять до складу суміші.

1.7Обчисліть густину за воднем газової суміші, що містить 0,4 моль вуг­лекислого газу, 0,2 моль азоту та 1,4 моль кисню.

1.8 Обчисліть густину за повітрям еквімолярної газової суміші, що міс­тить азот та кисень.

1.9Обчисліть густину за воднем газової суміші, що містить 100 мл азоту, 300 мл кисню та 400 мл карбон діоксиду. Виміри об'ємів проводились за однакових умов.

1.10Обчисліть густину за амоніаком суміші, що містить карбон монооксид, карбон діоксид та водень, об'єми яких відносяться відповідно як 1:4:5.1.11Густина за воднем суміші кисню та азоту становить 15,5. Обчисліть масові частки газів (%) у суміші.

1.12Розрахуйте густину за воднем газової суміші (н.у.), що утвориться при термічному розкладі алюміній нітрату.

1.13Суміш метану та сірководню важча за водень в 14,43 разу. Як відно­сяться кількості речовин компонентів суміші?

II рівень

1.14Густина за повітрям суміші кисню та .карбон діоксиду 1,24. Обчисліть об'єм цієї суміші, що витратиться на спалювання 5 м³водню (н.у.).1.15Розрахуйте об'єм повітря необхідний для спалювання 20,0л суміші чадного газу та водню (н.у.). Густина за амоніаком цієї суміші стано­вить 1,2.

1.16Обчисліть густину за воднем суміші пропану та метану, якщо відомо, що суміш містить 40% метану за об'ємом. Який об'єм кисню піде на спалювання 20 л (н.у.) цієї суміші?

1.17Густина за воднем суміші метану та чадного газу 10. Обчисліть об'єм кисню (н.у.), який витратиться на спалювання 5 моль вихідної суміші.1.18При взаємодії суміші чадного газу та азоту зі стехіометричною кількіс­тю речовини кисню утворилась двохкомпонентна газова суміш об'ємом 120 дм³з густиною за повітрям 1,1. Знайдіть об'ємний склад вихідної суміші.

1.19При термічному розкладі суміші амоній карбонату та амоній гідроген карбонату масою 120 г з масовою часткою амоній карбонату 30% утво­рилась двохкомпонентна газова суміш, яку привели до нормальних умов. Розрахуйте густину цієї суміші за воднем.

1.20При нагріванні суміші магній карбонату та калій перманганату утво­рилось 11,2 дм³газової суміші (н.у.), що має густину за повітрям 1,27. Обчисліть: а) масовий склад вихідної суміші солей; б) об'ємні частки компонентів газової суміші (%).

1.21При нагріванні 81,3 г еквімолярної суміші аргентум нітрату та калій нітрату утворилась газова суміш, яку привели до нормальних умов. Розрахуйте: а) об'ємні частки (%) компонентів газової суміші; б) гус­тину утвореної суміші за повітрям.

1.22Суміш ацетилену та метану має густину 0,8 г/л (н.у.). Розрахуйте: а) відносну густину суміші за воднем; б) об'ємну частку (%) метану в суміші.

1.23Який об'єм метану потрібно добавити до 20л (н.у.) карбон діоксиду, щоб густина одержаної суміші становила 1,34 г/л?

III рівень

1.24Який об’єм кисню потрібно використати для повного спалювання 120 м³газової суміші (н.у.), що містить чадний газ та водень, об’єми яких відносяться як 1:4? Розрахуйте густину за воднем вихідної суміші.

1.25Розрахуйте об'єм повітря (н.у.), що піде на спалювання 40 см³еквімо­лярної суміші метану та чадного газу. Обчисліть густину вихідної су­міші за амоніаком.

1.26Обчисліть густину за воднем газоподібної суміші, яка утвориться при термічному розкладі сульфур триоксиду, якщо в момент встановлення хімічної рівноваги розкладеться 4% вихідної речовини.

1.27Обчисліть густину за повітрям газової суміші (н.у.), що утвориться при термічному розкладі купрум (II) нітрату.

1.28 При термічному розкладі суміші натрій гідрогенкарбонату та амоній гідрогенкарбонату масою 49,4 г утворилось 13,44 л (н.у) газової сумі­ші. Обчисліть: а) густину утвореної газової суміші за воднем; б) масові частки солей (%) у вихідній суміші.

1.29Після повного гідрування суміші метану та етену густина утвореної суміші за воднем збільшилась на 0,25. Обчисліть об'ємну частку ете­ну (%) у вихідній суміші.

1.30 До 5 л суміші нітроген монооксиду та нітроген діоксиду (н.у.), що має густину за воднем 19, додали 3 л (н.у) кисню. Розрахуйте: а) густину за воднем утвореної суміші; б) на скільки зменшився загальний об'єм газів після реакції.

1.31Змішали 0,8 л нітроген монооксиду та 2,5 л повітря (н.у.). Обчисліть: а) об'ємний склад утвореної газової суміші; б) відносну густину утво­реної газової суміші за повітрям.

1.32Газова суміш, що складається з метану, водню та карбон діоксиду, має густину за амоніаком 1,27. Для спалювання одного об'єму суміші ви­тратили три об'єми повітря. Обчисліть об'ємний склад вихідної сумі­ші (%). Усі виміри проводились за однакових умов. Об'ємна частка кисню в повітрі становила 20%.

1.33Обчисліть об'ємний склад (%) суміші карбон (IV) оксиду, карбон монооксиду та водню, густина якої за метаном становить 1,56. Відомо, що при пропусканні 300 см³цієї суміші крізь надлишок баритової во­ди об'єм газової суміші зменшився до 210 см³. Усі виміри проводи­лись за однакових умов.

1.34Густина за воднем суміші, що складається з водню, ацетилену та етену, дорівнює 12. Для спалювання 89,6 дм³цієї суміші використали 224 л кисню. Обчисліть об'ємний склад вихідної суміші (%). Усі ви­міри проводились за однакових умов.

1.35Густина за воднем суміші, що містить метан% водень та карбон діоксид, становить 8,0. На спалювання 200 мл вихідної суміші витратили 500 мл повітря. Обчисліть об'ємний склад вихідної суміші (%). Усі виміри об'ємів проводились за однакових умов. Об'ємна частка кис­ню в повітрі становила 20%.

1.36Суміш метану, пропену та пропану об'ємом 180 мл пропустили крізь водний розчин брому. У реакцію вступило 385,6 г брому. Густина за повітрям вихідної суміші 1,21. Обчисліть об'ємні частки компонентів вихідної суміші (%).

1.37Суміш етану, етену та бутену має густину за воднем 18. До 2 л суміші додали 2 л водню і пропустили одержану суміш над нагрітим каталі­затором. У результаті об'єм її зменшився на 1000мл. Обчисліть об'­ємні частки компонентів вихідної суміші (%). Виміри об'ємів прово­дились за однакових умов.

1.38Суміш метану, етану та ацетилену має густину за воднем 11,8. До 0,4 л вихідної суміші додали 1 л водню і пропустили одержану суміш над нагрітим каталізатором. При цьому об'єм її зменшився до 1,24 л. Обчисліть об'ємні частки газів (%) у вихідній суміші. Усі виміри об'ємів проводились за однакових умов.

1.39Газ, одержаний при спалюванні 17,92 л (н.у) суміші чадного газу та метану з густиною за воднем 12,5, пропустили крізь розчин натрій гід­роксиду із вмістом лугу 0,9 моль. Розрахуйте: а) об'ємні частки компо­нентів вихідної суміші (%); б) масу та склад утвореної суміші солей.

1.40При спалюванні 350л суміші метану та ацетилену в кисні одержали 775 л суміші карбон діоксиду та кисню, що має густину за повітрям 1,424. Обчисліть об'ємні частки (%) газів у вихідній суміші. Усі вимі­ри проводились за однакових умов.

1.41До 4 л суміші карбон монооксиду та нітроген діоксиду добавили за нормальних умов такий же об'єм кисню. Суміш спалили, а утворену газову суміш привели до початкових умов. Обчисліть об'ємний склад (%) утвореної газової суміші, якщо відносна густина вихідної суміші за воднем дорівнює 17.

1.42Суміш пропану, бутану та пропену (н.у.) об'ємом 4,48 л (н.у.), що має густину за воднем 23, прореагувала з 0,1 моль брому. Обчисліть об'­ємні частки компонентів (%) вихідної газової суміші.

Група 2.Задачі, пов'язані з добуванням чи використанням сумішей озону і кисню, необхідних для проведення реакцій горіння органічних та неорганічних речовин.

І РІВЕНЬ

2.1Кисень об'ємом 25,0л (н.у.) пропустили через озонатор. У реакцію вступила 1/5 його частина. Розрахуйте об'єм одержаної суміші (н. у).

2.2 Через озонатор пропустили 80 мл (н.у) повітря. Прореагувало лише 4% наявного в повітрі кисню. Розрахуйте об'ємні частки (%) компо­нентів утвореної газової суміші.

2.3Обчисліть, який об'єм водню (н.у.) згорить у 2 л суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 5%?

2.4При пропусканні повітря через озонатор об'єм газової суміші зменшив­ся на 2%. Обчисліть об'ємні частки речовин (%) в одержаній .суміші.

2.5 3000 мл кисню, виміряного при 20°С і тиску і 5 атм, повністю пере­творили в озон. Яку кількість молекул озону одержали?

2.6 Який об'єм чадного газу згорить у 2л (н.у.) суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 8%?

2.7 Суміш озону і кисню має густину 1,61 г/л (н.у.). Обчисліть об'ємну частку (%) озону в суміші. Який об'єм нітроген монооксиду можна окиснити даною газовою сумішшю об'ємом 20 л (н.у.)?

2.8Обчисліть об'єм суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 15%, який витратиться на спалювання 10 дм³водню (н.у.).

2.9 При озонуванні 40 л кисню утворилась газова суміш об'ємом 38,5 л (н.у.). Яка об'ємна частка озону (%) в утвореній газовій суміші?

2.10Розрахуйте об'єм суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 10%, який витратиться на спалювання 200 мл еквімолярної суміші карбон монооксиду та карбон діоксиду (н.у.).

2.11Який об'єм суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 10% ви­тратиться на спалювання 42 л пропану (н.у.)?

2.12При озонуванні кисню відбулось зменшення об'єму на 25 мл. Який об'єм кисню проозонувався? Обчисліть об'єм озону, що утворився. Усі виміри проводились за нормальних умов.

ІІ РІВЕНЬ

2.13На спалювання 28 л суміші метану та чадного газу витратили 21,1л суміші озону і кисню (н.у.) з об'ємною часткою озону 12%. Обчисліть об'ємну частку метану (%) у вихідній суміші.

2.14Обчисліть об'єм суміші озону і кисню, що містить 4% озону, необхід­ний на спалювання 200 л (н.у) суміші вуглекислого газу, азоту, водню та кисню, об'ємні частки яких у суміші становлять відповідно 20%, 30%, 40% та 10%.

2.15Який об'єм суміші озону і кисню з густиною за воднем 19 потрібно використати для окиснення 4,0 л нітроген монооксиду (н.у.)?

2.16 Який об'єм суміші озону і кисню з густиною за повітрям 1,3 необхід­но використати для спалювання 260 см³метану, який містить домішки азоту, об'ємна частка яких становить 25%?

2.17Із 300 мл повітря з домішками озону після розкладу озону одержали 312 мл газової суміші. Виміри об'ємів проводились за однакових умов. Обчисліть: а) об'ємну частку озону у вихідній суміші (%); б) об'ємні частки компонентів утвореної газової суміші (%). Врахуйте, що об'ємна частка кисню в повітрі з домішками озону становила 18%.

2.18 Через озонатор пропустили 10 л газової суміші, що містить азот та ки­сень в однакових об'ємах. Відомо, що 5% кисню перетворилось в озон. Обчисліть об'ємні частки газів (%) в утвореній суміші. Виміри об'ємів проводились за нормальних умов.

2.19Зі 140мл суміші озону і кисню після розкладу озону утворилось 160 мл кисню (н.у.). Обчисліть: а) масову частку озону (%) в суміші озону і кисню; б) об'єм суміші озону і кисню, який витратиться на спалювання 8,00 л етану (н.у.).

2.20Який об'єм водню (н.у.) потрібно використати для перетворення у во­ду 2 л суміші озону і кисню з об'ємною часткою озону 0,1?

2.21 При пропусканні повітря через озонатор його об'єм зменшився на 4%. Обчисліть об'ємні частки газів в утвореній суміші (%). Який об'єм утвореної суміші витратиться на спалювання 4 м³(н.у.) суміші карбон монооксиду та азоту з об'ємною часткою азоту 20%?

2.22 40 мл суміші пропану і бутану спалили у 200 мл суміші озону і кисню, що містила 3% озону. Обчисліть об'ємні частки газів (%) у вихідній суміші (н.у.).