Плотность и относительная плотность газов
Плотность веществ
Из курса физики вам известно, что плотность вещества – это отношение массы
𝛒= m/V С учетом того, что плотность рассчитывается путем деления массы на объем, несложно понять, что единица измерения этой величины – г/мл. Также плотность можно измерять в г/л, кг/л и т.п.
Для газообразных веществ плотность можно рассчитать и при помощи молярной массы путем деления ее на молярный объем газа, то есть на 22,4 л/моль: 𝛒= M/Vm
Так, например, плотность углекислого газа будет рассчитываться как:
M(CO2) = 44 г/моль
(СО2) = MVm=44 г/моль22,4 л/моль= 1,96 г/л
Относительная плотность газов
Плотность вещества и относительная плотность вещества – две разные величины. Если плотность вещества показывает, во сколько раз масса вещества отличается от его объема, то относительная плотность показывает во сколько раз одно вещество тяжелее или легче другого, с которым сравнивают вещество.
Представим, что имеется два газа А и Б. Плотности этих газов могут быть выражены так:
ρ(А) = M(А)/Vm; ρ (Б) = M(Б)/Vm.
Для того, чтобы определить во сколько раз газ А легче или тяжелее газа Б, разделим значения плотностей этих газов друг на друга:
ρ(А) /ρ (Б)=M(А)/Vm///M(Б)/Vm
C учетом сокращения молярного объема в числителе и знаменателе, получим:
ρ(А) /ρ (Б)=M(А)/M(Б)
(А) (Б)=М(А)M(Б)
Отношение плотности одного газа к другому и называют относительной плотностью газа. Другими словами, во сколько раз плотность газа А больше или меньше плотности газа Б.
Значение (А) (Б) принято обозначать символом D. Таким образом, относительная плотность газа, определяется делением молярной массы газа, плотность которого рассчитывают, на молярную массу газа, относительно которого рассчитывают плотность:
𝑫= M(А)/M(Б)
Обратите внимание, что при делении одной молярной массы на другую единицы измерения молярных масс, г/моль, сокращаются! Относительная плотность газов – величина безразмерная.
Например, если требуется рассчитать относительную плотность углекислого газа по кислороду, необходимо молярную массу углекислого газа (газ, плотность которого рассчитывают), разделить на молярную массу кислорода (газ, по которому рассчитывают плотность). Обозначают следующим образом:
Обратите внимание, что при делении одной молярной массы на другую единицы измерения молярных масс, г/моль, сокращаются! Относительная плотность газов – величина безразмерная.
Например, если требуется рассчитать относительную плотность углекислого газа по кислороду, необходимо молярную массу углекислого газа (газ, плотность которого рассчитывают), разделить на молярную массу кислорода (газ, по которому рассчитывают плотность). Обозначают следующим образом: DO2(CO2) = M(CO2)M(O2) = 44 г/моль32 г/моль = 1,375 Полученное значение относительной плотности, указывает на то, что 1 моль углекислого газа в 1,375 раз тяжелее 1 моль кислорода.
Умножив молярную массу газа, по которому выражена относительная плотность, на значение относительной плотности – определяется молярную массу газа, плотность которого была рассчитана – это второе следствие из закона Авогадро: M(А)= D ∙ M(Б) Например, относительная плотность некоторого неизвестного газа по водороду равна 16. Определим молярную массу этого газа. Для этого умножим значение молярной массы водорода на значение относительной плотности: M (Б) = 16∙2гмоль = 32гмоль По значению молярной массы – 32 г/моль, несложно догадаться, что неизвестный газ – кислород.
Обратите внимание, что часто необходимо рассчитывать относительную плотность газов по воздуху. Воздух – это смесь газов; вам известно, что основными компонентами воздуха являются кислород и азот. Молярную массу воздуха принято считать равной 29 г/моль! Молярная масса воздуха – 29 г/моль
Чтобы определить легче ли или тяжелее воздуха газ, необходимо сравнить молярные массы газов. Представим, что есть два воздушных шарика. Один из них заполнен гелием, второй – хлором. Отпустим оба шарика. Шарик с гелием сразу же взлетит вверх. Шарик, наполненный хлором, быстро опустится вниз. Значит, гелий легче воздуха, а хлор – тяжелее.
Примеры решения задач
Задача 1. Определите относительную плотность водорода по кислороду.
| Дано: Н2 | Решение: Для решения этой задачи воспользуемся формулой: D = M(A)M(Б) А – газ, плотность которого рассчитывают, т.е. H2, газ Б – газ, по |
| Dо2(H2) –? | |
| которому рассчитывают плотность газа А, т.е. O2. Рассчитаем молярные массы газов: М(H2) = Mr(H2) = 2 г/моль; M(О2) = Mr(О2) = 32 г/моль. Теперь подставим значения молярных масс в формулу: M(Н2)M(О2) = 2 г/моль32 г/моль= 0,0625. Ответ: 0,0625. |
Задача 2. Относительная плотность паров ртути по воздуху равна 6,92. Определите состав молекул ртути в парах.
Решение:
Обозначим формулу молекулы как Hgx, где х – количество атомов ртути.
Зная относительную плотность вещества, можем найти его молярную массу по формуле:
М(А) = D·М(Б)
В задаче плотность паров ртути выражена по воздуху, молярная масса воздуха равна 29 г/моль.
M(Hg) = D·M(возд.) = 6,92·29 г/моль = 200,68 г/моль
Обратимся к Периодической Системе элементов, в ней указана атомная масса элементов, т.е. относительная масса одного атома. Найдем элемент – ртуть, который образует простое вещество ртуть, относительная масса одного атома – 200,6.
Значит, пары ртути имеет атомное строение, так как молекула не может состоять из одного атома.
Ответ: ртуть в парах существует в виде отдельных атомов.
Подведем итоги
Плотность – физическая величина, показывающая отношение массы вещества к его объему
Относительная плотность показывает, во сколько раз один газ тяжелее или легче другого
Относительная плотность – величина безразмерная
Второе следствие из закона Авогадро: произведение относительной плотности газа на молярную массу газа, по которому рассчитывали плотность, равно молярной массе газа, плотность которого рассчитывали
Молярная масса воздуха составляет 29 г/моль
Вопросы, упражнения и задачи
30.1. Определите относительную плотность кислорода по: а) хлору; б) воздуху; в) гелию; г) водороду.
30.2. Относительная плотность газа по воздуху равна 2. Чему равна молярная масса этого газа?
30.3. Относительная плотность газа по гелию равна 0,5. Определите молярную массу газа.
30.4. Относительная плотность паров цинка по водороду при 1400°С приблизительно равна 33. Найдите формулу цинка при данной температуре.
30.5. Относительная плотность паров белого фосфора по водороду равна 62. Найдите формулу белого фосфора.
30.6. Соединение содержит атомов водорода в 2 раза больше, чем атомов углерода. Его относительная плотность по водороду равна 14. Найдите формулу соединения.
30.7. Определите относительную атомную массу четырехвалентного элемента, если известно, что пары его соединения с хлором в 77 раз тяжелее водорода, а соединения с бромом – в 166 раз тяжелее водорода.
30.8. При действии хлора на олово образуется хлорид олова, молекула которого состоит из 5 атомов. Зная, что относительная плотность паров хлорида олова по водороду – около 130, найдите его формулу.
30.9. Может ли существовать соединение серы, пары которого легче воздуха? Дайте обоснованный ответ.
30.10. Какова химическая формула оксида углерода, имеющего такую же плотность, как у азота?
30.11. Плотность газа при н.у. составляет 3,615 г/л. Определите молярную массу газа и его плотность по водороду и по воздуху.
30.12. Для заполнения воздушных шаров используют газы, относительная плотность которых по воздуху менее единицы. Из перечня формул газов укажите пригодные для заполнения шаров газы: O2, H2, He, Cl2, CO2, N2, SO2.
30.13. Юный химик изучал способы получения газов: азота N2, оксида азота (IV) NО2, сероводорода H2S, хлора Сl2, аммиака NH3. При получении каких из них вы посоветуете ему держать пробирку-приемник дном вверх? Подтвердите свой совет расчетами.
30.14. Почему теплый воздух собирается под потолком, а вблизи пола воздух холодный?
30.15. Определите относительную молекулярную массу газа, который:
а) в 16 раз тяжелее гелия;
б) в 2 раза легче кислорода.
30.16. Определите формулу оксида серы, если он в два раза тяжелее кислорода. Определите относительную плотность данного оксида серы по метану CH4.
30.17. Определите молярную массу газа, плотность которого 1,25 г/л.
30.18. Определите плотность оксида азота (IV) и его относительную плотность по воздуху.
30.19. Плотность гелия (в пересчете на н.у.) 0,178 г/л. Вычислите, исходя из этого, массу 1 моль гелия.
30.20. Можно ли получить смесь большей плотности, чем воздух, из: а) азота и оксида углерода (II); б) гелия и углекислого газа; в) аргона и азота? При каком молярном отношении газов, упомянутых в пункте в), получится смесь, по плотности равная воздуху?