كيفية حساب الضغط الجزئي: 14 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: Jason Gerald | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-15 08:08

"الضغط الجزئي" في الكيمياء هو الضغط الذي يمارسه كل غاز في خليط الغاز على محيطه ، مثل دورق حجمي أو خزان هواء غوص أو حدود الغلاف الجوي. يمكنك حساب ضغط كل غاز في الخليط إذا كنت تعرف كمية الغاز والحجم الذي يشغله ودرجة الحرارة. يمكن إضافة الضغوط الجزئية معًا لحساب الضغط الكلي لخليط الغاز. من ناحية أخرى ، يمكن حساب الضغط الكلي مسبقًا لحساب الضغط الجزئي.

خطوة

جزء 1 من 3: فهم خصائص الغازات

الخطوة 1. تعامل مع كل غاز على أنه غاز "مثالي"

في الكيمياء ، الغاز المثالي هو غاز يتفاعل مع غازات أخرى دون أن ينجذب إلى جزيئاته. يمكن للجزيئات المنفردة أن تصطدم وترتد مثل كرات البلياردو دون أن تتشوه.

يزداد ضغط الغاز المثالي عندما يتم ضغطه في مساحة أصغر وينخفض عندما يتمدد في مساحة أكبر. هذه العلاقة تسمى قانون بويل الذي أنشأه روبرت بويل. رياضيا ، الصيغة هي k = P x V ، أو مبسطة إلى k = PV ، k ثابت ، P ضغط ، بينما V هو الحجم.
هناك العديد من وحدات الضغط الممكنة. واحد منهم هو باسكال (باسكال). تُعرَّف هذه الوحدة بأنها قوة نيوتن واحد مطبقة على مساحة سطح تبلغ مترًا مربعًا واحدًا. وحدة أخرى هي الغلاف الجوي (أجهزة الصراف الآلي). الغلاف الجوي هو ضغط الغلاف الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر. يعادل ضغط 1 ضغط جوي 101.325 باسكال.
ترتفع درجة حرارة الغاز المثالي مع زيادة الحجم وتنخفض مع انخفاض الحجم. تسمى هذه العلاقة بقانون تشارلز الذي أنشأه العالم جاك تشارلز. الصيغة الرياضية هي k = V / T ، حيث k هي الحجم ودرجة الحرارة ثابتة ، V هي الحجم ، و T هي درجة الحرارة.
يتم الحصول على درجة حرارة الغاز في هذه المعادلة بالدرجات الكلفينية ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق إضافة الرقم 273 إلى قيمة الدرجة بالسلسيوس.
يمكن دمج الصيغتين أعلاه مع معادلة واحدة: k = PV / T ، والتي يمكن كتابتها أيضًا كـ PV = kT.

الخطوة 2. تحديد كمية الغاز المراد قياسها

الغازات لها كتلة وحجم. يُقاس الحجم عادةً باللتر (لتر) ، ولكن هناك نوعان من الكتلة.

تقاس الكتلة التقليدية بالجرام ، ولكن في الكميات الأكبر تكون الوحدة بالكيلوجرام.
نظرًا لأن الغازات خفيفة جدًا ، فإن الوحدات المستخدمة هي الكتلة الجزيئية أو الكتلة المولية. الكتلة المولية هي مجموع الكتل الذرية الكلية لكل ذرة في المركب الذي يتكون منه الغاز ، كل ذرة مقارنة بالعدد 12 للكربون.
نظرًا لأن الذرات والجزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن حسابها ، يتم تحديد كمية الغاز في المولات. يمكن الحصول على عدد المولات الموجودة في غاز معين عن طريق قسمة الكتلة على الكتلة المولية ويُشار إليها بالحرف n.
يمكن استبدال الثابت K في معادلة الغاز بمنتج n ، وعدد المولات (moles) ، والثابت الجديد R. الآن الصيغة هي nR = PV / T أو PV = nRT.
تعتمد قيمة R على الوحدات المستخدمة لقياس ضغط الغاز وحجمه ودرجة حرارته. بالنسبة للحجم باللتر ودرجة الحرارة بالكلفن والضغط في الغلاف الجوي ، تبلغ القيمة 0.0821 L atm / K mol. يمكن كتابة هذه القيمة على أنها 0.0821 L atm K.^-1 خلد ^-1 لتجنب استخدام الشرطات المائلة لتمثيل الأقسام في وحدات القياس.

الخطوة 3. فهم قانون دالتون للضغط الجزئي

تم تطوير هذا القانون بواسطة الكيميائي والفيزيائي جون دالتون ، الذي طور لأول مرة مفهوم أن العناصر الكيميائية مصنوعة من الذرات. ينص قانون دالتون على أن الضغط الكلي لمزيج من الغازات هو مجموع ضغوط الغازات الفردية في الخليط.

يمكن كتابة قانون دالتون في شكل الصيغة التالية P_{المجموع} = ص₁ + ص₂ + ص₃ … كمية P على يمين العلامة تساوي كمية الغاز في الخليط.
يمكن تمديد صيغة قانون دالتون عند التعامل مع غازات مختلفة يكون فيها الضغط الجزئي لكل غاز غير معروف ، ولكن حجمها ودرجة حرارتها معروفان. الضغط الجزئي للغاز يساوي الضغط الذي يفترض مسبقًا أن الغاز بهذه الكمية هو الغاز الوحيد في الحاوية.
يمكن استخدام صيغة الغاز المثالية لكل ضغط جزئي. بدلاً من استخدام PV = nRT ، يمكن استخدام P على اليسار فقط. لذلك ، يتم تقسيم كلا الجانبين بواسطة V: PV / V = nRT / V. يلغي كل من Vs على الجانب الأيمن بعضهما البعض ، مما يترك P = nRT / V.
يمكننا استخدامه لاستبدال كل P على اليمين يمثل غازًا معينًا في صيغة الضغط الجزئي: P_{المجموع} = (nRT / V) ₁ + (nRT / V) ₂ + (nRT / V) ₃ …

جزء 2 من 3: حساب الضغط الجزئي ثم الضغط الكلي

الخطوة 1. حدد معادلة الضغط الجزئي لكل غاز تقوم بحسابه

من أجل هذا الحساب ، يُفترض أن قارورة سعة 2 لتر تحتوي على 3 غازات: نيتروجين (N₂) ، الأكسجين (O₂) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). كتلة كل غاز 10 جم ودرجة حرارته 37 درجة مئوية. سنحسب الضغط الجزئي لكل غاز والضغط الكلي لخليط الغاز في الدورق الكيميائي.

صيغة الضغط الجزئي هي P._{المجموع} = ص_{نتروجين} + ص_{الأكسجين} + ص_نشبع.
نظرًا لأننا نبحث عن ضغط كل غاز بحجم ودرجة حرارة معروفين ، فيمكن حساب عدد مولات كل غاز بناءً على كتلته. يمكن تغيير الصيغة إلى: P_{المجموع} = (nRT / V) _{نتروجين} + (nRT / V) _{الأكسجين} + (nRT / V) _نشبع

الخطوة الثانية. تحويل درجة الحرارة إلى درجات كلفن

درجة الحرارة في سلزيوس هي 37 درجة ، لذا أضف 273 إلى 37 لتحصل على 310 درجة ك.

الخطوة 3. أوجد عدد مولات كل غاز موجود في العينة

عدد مولات الغاز هو كتلة الغاز مقسومة على كتلته المولية ، وهي مجموع الكتل الذرية لكل ذرة في الخليط.

لغاز النيتروجين (N.₂) ، كل ذرة لها كتلة ذرية تساوي 14. نظرًا لأن النيتروجين هو ثنائي الذرة (جزيء ثنائي الذرة) ، يجب ضرب قيمة 14 في 2 للحصول على كتلة مولية مقدارها 28 للنيتروجين في هذه العينة. بعد ذلك ، يتم قسمة الكتلة بالجرام ، وهي 10 جم ، على 28 للحصول على عدد المولات ، وبالتالي تكون النتيجة حوالي 0.4 مول من النيتروجين.
بالنسبة للغاز التالي ، الأكسجين (O₂) ، كل ذرة لها كتلة ذرية تساوي 16. الأكسجين هو أيضًا ثنائي الذرة ، لذا فإن 16 في 2 يعطي الكتلة المولية للأكسجين في العينة 32. 10 جرام مقسومة على 32 تعطي حوالي 0.3 مول من الأكسجين.
التالي هو ثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، التي تحتوي على 3 ذرات ، أي ذرة كربون بكتلة ذرية 12 و 2 ذرة أكسجين بكتلة ذرية 16. تتم إضافة هذه الكتل الذرية الثلاث للحصول على الكتلة المولية: 12 + 16 + 16 = 44. العشرة جرامات التالية مقسومة على 44 ، وبالتالي فإن النتيجة هي حوالي 0.2 مول من ثاني أكسيد الكربون.

الخطوة 4. أدخل قيم المول والحجم ودرجة الحرارة

تم إدخال الأرقام في الصيغة: P_{المجموع} = (0 ، 4 * ص * 310/2) _{نتروجين} + (0 ، 3 * ص * 310/2) _{الأكسجين} + (0 ، 2 * ص * 310/2) _نشبع.

للتبسيط ، لا تتم كتابة الوحدات. سيتم محو هذه الوحدات في الحسابات الرياضية ، ولم يتبق سوى وحدات الضغط

الخطوة 5. أدخل قيمة الثابت R

سيتم التعبير عن الضغوط الكلية والجزئية بوحدات الغلاف الجوي ، وبالتالي فإن قيمة R المستخدمة هي 0.0821 L atm / K mol. ثم يتم إدخال هذه القيمة في المعادلة بحيث تكون الصيغة P_{المجموع} =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _{نتروجين} + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _{الأكسجين} + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _نشبع.

الخطوة 6. حساب الضغوط الجزئية لكل غاز

الآن بعد أن أصبحت جميع القيم المطلوبة متوفرة ، حان الوقت لإجراء العمليات الحسابية.

بالنسبة للضغط الجزئي للنيتروجين ، يتم ضرب 0.4 مول في ثابت 0.0821 ودرجة حرارة 310 درجة كلفن ، ثم مقسومًا على 2 لتر: 0.4 * 0.0821 * 310/2 = 5.09 ضغط جوي تقريبًا.
بالنسبة للضغط الجزئي للأكسجين ، يتم ضرب 0.3 مول في ثابت 0.0821 ودرجة حرارة 310 درجة كلفن ، ثم قسمة 2 لتر: 0.3 * 0.0821 * 310/2 = 3.82 ضغط جوي تقريبًا.
بالنسبة للضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون ، يتم ضرب 0.2 مول في ثابت 0.0821 ودرجة حرارة 310 درجة كلفن ، ثم قسمة 2 لتر: 0.2 * 0.0821 * 310/2 = 2.54 ضغط جوي تقريبًا.
ثم تضاف الضغوط الجزئية الثلاثة معًا للحصول على الضغط الكلي: P_{المجموع} = 5 ، 09 + 3 ، 82 + 2 ، 54 ، أو 11.45 atm ، أكثر أو أقل.

جزء 3 من 3: حساب الضغط الكلي ثم الجزئي

الخطوة 1. حدد معادلة الضغط الجزئي كما في السابق

مرة أخرى ، افترض أن دورق سعة 2 لتر يحتوي على 3 غازات مختلفة: النيتروجين (N₂) ، الأكسجين (O₂) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). كتلة كل غاز 10 جرام ودرجة حرارة كل منهما 37 درجة مئوية.

لا تزال درجة الحرارة في كلفن هي نفسها 310 درجة وعدد المولات حوالي 0.4 مول من النيتروجين و 0.3 مول من الأكسجين و 0.2 مول من ثاني أكسيد الكربون.
وحدة الضغط المستخدمة هي أيضًا الغلاف الجوي ، لذا فإن قيمة الثابت R تساوي 0.0821 L atm / K mol.
إذن ، معادلة الضغط الجزئي لا تزال كما هي في هذه المرحلة: P_{المجموع} =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) _{نتروجين} + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) _{الأكسجين} + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) _نشبع.

الخطوة 2. أضف عدد مولات كل غاز في العينة للحصول على إجمالي عدد مولات خليط الغازات

نظرًا لأن الحجم ودرجة الحرارة متماثلان لكل عينة غاز ، ويتم أيضًا ضرب كل قيمة مولارية بنفس الثابت ، يمكننا استخدام خاصية التوزيع للرياضيات لإعادة كتابة المعادلة على النحو التالي:_{المجموع} = (0, 4 + 0, 3 + 0, 2) * 0, 0821 * 310/2.

قم بعمل المجاميع: 0.4 + 0.3 + 0.2 = 0.9 مول من خليط الغازات. ستكون المعادلة أبسط ، وهي P_{المجموع} = 0, 9 * 0, 0821 * 310/2.

الخطوة 3. احسب الضغط الكلي لخليط الغاز

قم بعملية الضرب: 0.9 * 0.0821 * 310/2 = 11.45 مول ، أكثر أو أقل.

الخطوة 4. احسب نسبة كل غاز يتكون الخليط

لحساب نسبة كل غاز في الخليط ، اقسم عدد مولات كل غاز على العدد الإجمالي للمولات.

يوجد 0.4 مول من النيتروجين ، لذا فإن 0.4 / 0.9 = 0.44 (44 بالمائة) عينة ، أكثر أو أقل.
يوجد 0.3 مول من النيتروجين ، لذا فإن 0.3 / 0.9 = 0.33 (33 بالمائة) من العينة ، أكثر أو أقل.
يوجد 0.2 مول من ثاني أكسيد الكربون ، لذا فإن 0.2 / 0.9 = 0.22 (22 بالمائة) من العينة ، أكثر أو أقل.
على الرغم من أن حساب النسبة المئوية المقدرة أعلاه يُرجع 0.99 ، فإن القيمة العشرية الفعلية تكرر نفسها. هذا يعني أنه بعد العلامة العشرية يكون الرقم 9 وهو ما يكرر نفسه. حسب التعريف ، هذه القيمة تساوي 1 ، أو 100 بالمائة.