Chemia Organiczna OnLine

Zadanie 3

Naczynie o pojemności 500cm³ waży po odpompowaniu powietrza 38,7340g, a 39,3135g, gdy jest wypełnione powietrzem o temp 24^oC pod ciśnieniem 1atm. Zakładając, że w tych warunkach powietrze zachowuje się jak gaz doskonały, obliczyć efektywną masę molową powietrza.

Dane:

V=500 cm³ = 0,5dm³
m₁=38,7340g
m₂=39,3135g
t=24^oC = (24+273)K = 297K
p=1 atm = 1013,25hPa
M_pow=?

Masa powietrza zawartego w naczyniu wynosi masa naczynia z powietrzem(m₂) odjąć masa naczynia(m₁): m=m₂ -m₁
Przekształcając równanie Clapeyrona i podstawiając pod masę powietrza powyższą zależność otrzymujemy:
pV=(m/M)RT => M=[(m₂ – m₁)RT]/pV
Po podstawieniu i obliczeniu otrzymujemy: M_pow=28,2 g/mol

Odp.: Efektywna Masa molowa powietrza wynosi 28,2 g/mol.

Zadanie 4

W 1894r W. Ramsay, prowadząc badania nad gęstością azotu, usunął za pomocą różnych procesów absorpcyjnych tlen, azot, dwutlenek węgla i parę wodną z próbki powietrza. Podobny rozdział, wykorzystując procesy dyfuzyjne, przeprowadził w tym samym czasie lord Rayleigh. Obu badaczom pozostała niewielka ilość gazu o gęstości 1,63g/dm³ w temp. 25^oC i pod ciśnieniem 1atm. Jaki Pierwiastek odkryli.

Dane:

d=1,63 g/dm³
t=25 ^oC = (25+273)K= 298K
p=1atm=1013,25hPa

Korzystamy ze wzoru: p=(d/M)RT (otrzymany po przekształceniu ogólnego wzoru PV=nRT)
Po przekształceniu otrzymujemy wzór: M=dRT/p
Po podstawieniu i obliczeniu otrzymujemy M=39,84 g/mol. Więc pierwiastkiem tym jest argon

Odp.: Uczeni odkryli argon.

Zadanie 5

Jaką objętość 0,1000 molowego roztworu kwasu solnego potrzeba do zobojętnienia roztworu wodorotlenku amonowego otrzymanego przez rozpuszczenie amoniaku zamkniętego w naczyniu o objętości 2dm³ pod ciśnieniem 750mmHg i w temperaturze 25^oC, w 250cm³wody?

Dane:

V(HCl)=?
C_M(HCl)=0,1 mol/dm³
V=2dm³
p=750mmHg=1000,4hPa
t=25^oC = 298K
V(H2O)=250cm³

Obliczmy ilość moli amoniaku zawartych w naczyniu.
pV=nRT => n=(pV)/(RT) Po podstawieniu i obliczeniu otrzymamy: n=0,08 mol
Z reakcji: NH₃+HCl -> NH₄Cl  wynika, że związki te reagują w stosunku mol na mol. Bez względu na to w jakiej objętości wody amoniak zostanie rozpuszczony. Nie ma potrzeby liczenia ilości wodorotlenku amonowego, tym bardziej, ze tak naprawdę to w roztworze wodnym jest go bardzo mało. NH₄OH jest słabą zasadą i występuje głównie jako NH₃. Potrzeba nam więc 0,08mola chlorowodoru do zobojętnienia tej ilości amoniaku. C_M=n/V => V=n/C_M
V=0,08 mol / 0,1 mol/dm³
V=0,8 dm³

Odp.: Potrzeba 0,8 dm3 0,1 molowego kwasu solnego.

Zadanie 6

Jaki wzór sumaryczny posiada arsenowodór, związek arsenu i wodoru? Pary arsenu reagują z wodorem w stosunku objętościowym 1:6. Ustalić liczbę atomów arsenu wchodzących w skład cząsteczki arsenu w stanie pary, wiedząc, że produktem reakcji jest arsenowodór.

Rozwiązanie:

Arsen leży w V grupie układu okresowego pierwiastków, jest więc III wartościowy względem wodoru, tworzy z wodorem związek AsH₃

W przypadku gazów stosunek objętościowy równy jest stosunkowi molowemu, co łatwo można udowodnić, przekształcając równanie Clapeyrona. Więc arsen z wodorem reaguje w stosunku molowym 1:6. Zapiszmy równanie reakcji z podanymi danymi i uzupełnijmy współczynniki reakcji:

Odp.: Arsen występuje w postaci cząsteczek As₄

1.4. Pawo Daltona

Załóżmy, że mamy naczynie podzielone szczelnymi przegrodami. W naczyniu znajduje się pod ciśnieniem 1013hPa gaz. Po usunięciu przegród gaz wypełni całe naczynie. Objętość naczynia wzrosła trójkrotnie, więc ciśnienie musi trójkrotnie zmaleć P₁=1/3P₀. Jest to oczywiście zgodne z prawem Boyla-Mariotta.

Jeżeli w każdej komorze umieścimy inny gaz (A, B i C) w ilości 1 mola i pod ciśnieniem 1013hPa, a następnie usuniemy przegrody i pozwolimy gazom się wymieszać, jakie będzie końcowe ciśnienie? Odpowiedź jest również oczywista 1013hPa. A jakie będzie ciśnienie gazu A? Oczywiście takie samo jak ciśnienie gazów B i C. Jeżeli w sumie ciśnienie wynosi 1013hPa, to ciśnienie gazu A (oraz B i C) będzie wynosić po 337,6hPa.

Ciśnienie gazu A, B lub C w mieszaninie gazów nazywamy ciśnieniem cząstkowym. Z rozważań wynika, że ciśnienie całkowite jest równe sumie ciśnień cząstkowych, co można zapisać P=P_A+P_B+P_C
Czyli z równania Clapeyrona: , po podzieleniu stronami przez n_A+n_B+n_C otrzymamy: .

Oznacznmy stosunek i nazwijmy go ułamkiem molowym, możemy więc zapisać następujące równanie: , po pomnożeniu stronami przez n_A+n_B+n_C otrzymamy:

Pamiętając, że możemy zapisać: , czyli ciśnienie cząstkowe gazu jest równe iloczynowi ułamka molowego gazu i ciśnienia całkowitego.

Zadanie 7

Do naczynia o pojemności 2,83dm³ wprowadzono 0,1740g wodoru oraz 1,3651g azotu (które można traktować jako gazy doskonałe). Temperatura wynosi 0^oC. Ile wynoszą ciśnienia cząstkowe azotu i wodoru, a ile całkowite ciśnienie gazu.

Dane:

m_H=0,1740g = 0,174/2 = 0,0870 mola
m_N=1,3651g = 1,3651/28 = 0,0488 mola
V=2,83dm³ = 2,83^.10^-3m³
t=0^oC = 273K
n=0,087+0,0488 = 0,1358 mola

1 sposób   Zgodnie z prawem Daltona w mieszaninie gazów, ciśnienie cząstkowe gazu można obliczyć przyjmując, że tylko on znajduje się w naczyniu. Korzystając z równania Clapeyrona PV=nRT możemy obliczyć ciśnienia cząstkowe każdego gazu.
Podstawiając do przekształconego wzoru: P=nRT/V dane otrzymujemy następujące ciśnienia cząsteczkowe:
P_H= 69776 Pa
P_N= 39139 Pa
Ciśnienie całkowite jest sumą ciśnień cząstkowych, wynosi więc 69776 Pa + 39139 Pa = 108915 Pa = 1089,15 hPa

2 sposób obliczmy ułamki molowe wodoru i azotu: x_H = 0,087/(0,087+0,0488) = 0,6406
x_N = 1-0,6406 = 0,3594
Korzystając z równania Clapeyrona możemy obliczyć ciśnienie całkowite : PV=nRT (n jest sumą ilości moli poszczególnych składników): P= 108915 Pa
Ciśnienia cząstkowe obliczamy jako iloczyn ciśnienia całkowitego i ułamka molowego poszczególnego składnika:
P_H = 108915 Pa^. 0,6406 = 69771 Pa
P_N = 108915 Pa ^. 0,3594 = 39144 Pa
Odp.: Ciśnienia cząstkowe wodoru i azotu wynoszą odpowiednio: 697,7 hPa i 391,4 hPa, natomiast ciśnienie całkowite jest równe 1089,2 hPa

Zadanie 8

W zamkniętym zbiorniku w temperaturze 20^oC i pod ciśnieniem 3MPa znajduje się 5dm³ wodoru i 5dm³ chloru. Jakie będzie ciśnienie w zbiorniku po reakcji i doprowadzeniu temperatury do 20^oC?

Dane:

T=20^oC = 293K
p₀=3MPa =30000hPa
V(H₂)=V(Cl₂)=5dm³
p=?

Jeżeli objętości gazów mierzone są w jednakowej temperaturze i pod jednakowym ciśnieniem, ich stosunek jest również stosunkiem molowym. Na tej postawie możemy stwierdzić, że chlor i wodór są zmieszane w stosunku molowym 1:1, czyli powstaną 2 mole chlorowodoru o objętości 10 dm3, a co za tym idzie ciśnienie w zbiorniku nie zmieni się.

Odp.: Po reakcji ciśnienie będzie wynosić 3MPa.

Zadanie 9

W zbiorniku znajdują się 2 mole dwutlenku węgla, 0,2 mola tlenu i 0,3 mola azotu w temp. 500K i pod ciśnieniem 2MPa. Obliczyć ciśnienia cząstkowe składników mieszaniny w tej temperaturze.

Dane:

n(CO₂)=2 mol
n(O₂)=0,2 mol
n(N₂)=0,3 mol
T=500K
p=2MPa
p_A= x_A^.p
x_O=0,2 mol/(2 mol+0,2 mol+0,3 mol)=0,08
x_N=0,3 mol/(2 mol+0,2 mol+0,3 mol)=0,12
x_CO2=2 mol/(2 mol+0,2 mol+0,3 mol)=0,8
p<;;;sub>O=0,08^.2 MPa=0,16 MPa
p_N=0,12^;;.2M Pa=0,24 MPa
p_CO2=0,8^.2 MPa=1,6 MPa

Odp.: Ciśnienie cząstkowe tlenu wynosi 0,16 MPa, azotu 0,24 MPa, a dwutlenku węgla 1,6 MPa.

Zadanie 10

Obliczyć gęstość ozonu w warunkach normalnych

Rozwiązanie:

d=m/V
Gęstość obliczmy dla warunków normalnych, a wiemy, że 1 mol każdego gazu w tych warunkach zajmuje objętość 22,4dm³. Pod masę podstawiamy masę molową ozonu.
M_O3=48 g
d=48g/22,4dm³
d=2,14 g/dm³

Odp.: Gęstość ozonu w warunkach normalnych wynosi 2,14 g/dm³.

Zadanie 11

Gęstość pewnego węglowodoru w warunkach normalnych wynosi 0,714 kg/m³. Obliczyć jego masę molową. Co to za węglowodór?

Dane:

d=0,714 kg/m³
M=?
d=m/V => m=Vd
Ponieważ obliczmy masę molową w warunkach normalnych pod V podstawiamy 22,4dm³.
M=22,4^.10-3 m3 ^. 0,714 kg/m³
M=16g/mol

Widzimy od razu, że ten węglowodór może zawierać tylko jeden atom węgla. Więc jest to metan o wzorze CH₄.

Odp.: Masa molowa tego węglowodoru wynosi 16g/mol i jest to metan.

Zadanie 12

W wyniku odparowania w aparacie Meyera 0,087g acetonu, zebrano nad wodą 37,5cm³ powietrza. W czasie doświadczenia ciśnienie wynosiło 1004hPa, temperatura otoczenia i wody 23^oC, a prężność nasyconej pary wodnej w tej temperaturze 28hPa. Obliczyć masę molową acetonu.

Dane:

m=0,087 g
V=37,5 cm³ = 37,5^.10^-6m³
P₀=1004 hPa
P₁=28 hPa
T=23^oC = 296 K

Zobacz metodę Meyera pomiaru masy molowej. Zebrany w cylindrze gaz składa się z powietrza, którego objętość jest równoważna objętości acetonu, gdyby w danych warunkach był gazem, oraz pary wodnej. Ciśnienie gazu jest równe ciśnieniu cząstkowemu wywieranemu przez powietrze oraz ciśnieniu cząstkowemu pary wodnej (nazywa się ono prężnośćią pary wodnej). Zatem P_pow=1004 hPa - 28 hPa = 976 hPa=97600Pa
Korzystająć z równania P_powV=nRT możemy obliczyć liczbę moli powietrza, a jest ona równa liczbie moli acetonu: n=P_powV/RT
n=0,00149 mola. Tej ilości moli odpowiada masa 0,087g acetonu, zatem po przekształceniu wzoru n=m/M możemy obliczyć masę molową. M=58,4g/mol

Odp.: Masa molowa acetonu wynosi 58,4 g/mol

Zadanie 13

Oblicz pod jakim ciśnieniem w temperaturze 300K gęstość dwutlenku węgla wyniesie 0,25 kg/m³.

Dane:

T=300K
d=0,25 kg/m³= 250 g/m³ (gęstość musimy podać w m³ by zgadzały się jednostki ze stałą gazową)
M=44g
p=?

Korzystając z przekształconego wzoru Clapeyrona otrzymujemy: pM=dRT => p=dRT/M.   Po podstawieniu i obliczeniu otrzymujemy: p=141,72 hPa

Odp.: Pod ciśnieniem 141,65hPa.

Zadanie 14

W warunkach normalnych gęstość chloru wynosi 3,20kg/m³, wodoru 0,09 kg/m³ i powietrza 1,29kg/m³. Obliczyć gęstość względną chloru w stosunku do wodoru i w stosunku do powietrza.

Dane:

d_Cl2=3,2 kg/m³
d_H2=0,09 kg/m³
d_pow=1,29 kg/m³

d_Cl2/H2=d_Cl2/d_H2
d_Cl2/H2=35,56
d_Cl2/_pow=d_Cl2/d_pow
d_Cl2/pow=2,48

Odp.: Gęstość chloru względem wodoru wynosi 35,56, a względem powietrza 2,48.

Zadanie 15

Obecnie, masy atomowe pierwiastków obliczane są względem nuklidu węgla 12C. Dawniej wzorcem był atom wodoru, dla którego przyjęto masę molową 1g/mol. Posługując się danymi z zadania 14 oblicz efektywną masę molową powietrza, wynik porównaj z zadaniem 3.

Dane:

d_pow=1,29 kg/m³
d_H2=0,09 kg/m³
M_H2=2g/mol (2^.1g/mol)
M_pow=?

W jednym litrze wodoru (0,09 g)i powietrza (1,29 g) jest identyczna ilość cząsteczek (hipoteza Avogadro). Jednakowa ilość cząsteczek, to identyczna ilość n moli wodoru i powietrza. Dlatego możemy zapisać:
n=0,09 g/M_H2=1,29 g/M_pow
Stąd
Po obliczeniu otrzymujemy: M_pow=28,67 g/mol Masa ta jest nieco większa od tej otrzymanej z zadania 3, wydaje się być bardziej prawdopodobna (brak założenia, że powietrze w danych w zadaniu 3 warunkach zachowuje się jak gaz doskonały).

Odp.: Wówczas efektywna masa molowa powietrza wynosiłaby 28,67g/mol.