§ 27. Відносна густина газів

• одиниця вимірювання густини — кг/м 3 (або г/л, г/мл).

Відносна густина газів

Густина газів дуже невелика, тому вимірювати маси газуватих речовин дуже незручно. Набагато зручніше порівнювати густини газів, тобто визначати відношення їхніх густин. Цю величину називають відносною густиною газу В за газом А і позначають D_А( В). Методику експериментального визначення відносної густини газів розробив французький хімік Жан Дюма й за допомогою цього методу визначав молекулярні маси невідомих газуватих речовин. Це можливо завдяки тому, що відносна густина газів дорівнює як відношенню густин газуватих речовин, так і відношенню їхніх молярних мас:

Оскільки відносна густина є відношенням двох величин з однаковою розмірністю, то сама відносна густина є безрозмірною величиною.

Для обчислення відносної густини газів за певним газом необхідно обчислити відношення молярних мас газів.

Так, наприклад, відносна густина кисню за воднем дорівнюватиме:

Жан Батист Андре Дюма (1800-1884)

Відомий французький хімік-органік і державний діяч, президент французького хімічного товариства. В юності працював аптекарем. Із 1823 р. працював у Парижі спочатку репетитором, а потім професором у Сорбонні. У 1832 р. заснував власну лабораторію, в якій працював разом із численними учнями. Основні праці Дюма належать до органічної хімії. Своїми працями він суттєво вплинув на розвиток органічної хімії, уперше добув багато органічних речовин (хлороформ, хлороцтову кислоту), розробив нові методи органічного синтезу. Запропонував метод визначення відносної густини випарів, за допомогою якого визначив атомну масу багатьох хімічних елементів і молекулярну масу багатьох сполук.

Відносну густину кисню за гелієм, азотом або повітрям обчислюють у такий самий спосіб. Для обчислення відносної густини за повітрям використовують середню молярну масу повітря, що дорівнює 29 г/моль.

Відносна густина показує, у скільки разів густина одного газу більша за густину іншого. Наприклад, якщо відносна густина вуглекислого газу за воднем дорівнює 22 (D_H2(СO₂) = 22), це означає, що вуглекислий газ важчий за водень у 22 рази. А якщо відносна густина метану за киснем дорівнює 0,5 (D_O2 (СН₄) = 0,5), це означає, що метан легший за кисень у два рази.

Формулюючи свій закон, Авогадро писав: «Густина різних газів є мірою маси їхніх молекул». Розглянемо два гази — А і В — кількістю один моль, що перебувають за однакових умов. Густину газу можна визначити як відношення його маси до об’єму:

Якщо маса й об’єм відомі для одного моля газу, то в це рівняння можна підставити, відповідно, молярну масу й молярний об’єм:

Молярні об’єми різних газів за однакових умов є однаковими, тому густина газу за заданих умов прямо пропорційна його молярній масі. Тобто чим більшою є маса однієї молекули (одного моля молекул), тим більшою буде маса певного об’єму газу — його густина. А відношення густин двох газів дорівнюватиме відношенню їхніх молярних мас:

Розрахунки з використанням відносної густини газів

Задача 1. Обчисліть, у скільки разів азот важчий за гелій.

Задача 2. Відносна густина газуватої простої речовини за повітрям дорівнює 2,45. Обчисліть молярну масу цієї речовини. Яка це може бути речовина?

1. Якщо взяти два зразки газуватих речовин однакового об’єму за однакових умов, то можна виміряти відношення їхніх густин та отримати відносну густину цих газів.

2. Відносна густина газів — безрозмірна величина, вона показує, який з газів важчий (має більшу густину) і у скільки разів. Вона дорівнює відношенню молярних мас газів, тому дозволяє визначити молярну масу невідомого газу.

Контрольні запитання

1. Який фізичний зміст має значення відносної густини газу?

2. Запишіть формулу для обчислення відносної густини невідомого газу за воднем, гелієм та вуглекислим газом.

3. Чому дорівнює середня молярна маса повітря?

4. Для визначення відносної густини будь-якого газу за воднем необхідно молярну масу цього газу: а) помножити на молярну масу водню; б) розділити на молярну масу водню; в) скласти з молярною масою водню.

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Чому для повітря не можна використовувати поняття «молярна маса», а користуються тільки середньою молярною масою?

2. У скільки разів кисень важчий за; а) водень; б) азот?

3. У якого з газів найменша відносна густина за воднем; азот; кисень; гелій?

4. Знайдіть відносну густину гелію й неону: а) за воднем; б) за повітрям.

5. Знайдіть відносну густину за гелієм таких газів: Н₂, СН₄, N₂, O₂, SO₂.

6. Обчисліть відносну густину: а) хлору Сl за повітрям; б) амоніаку NH₃ за киснем; в) пропану С₃Н₈ за хлором; г) вуглекислого газу СO₂ за повітрям; д) амоніаку NH₃ за воднем; е) сірчистого газу SO₂ за озоном; є) кисню за азотом N₂; ж) метану СН₄ за хлором Сl₂.

7. Відносна густина невідомого газу за воднем дорівнює 17. Визначте молярну масу цього газу. Запишіть його хімічну формулу.

8. Маса 1 л газу за нормальних умов дорівнює 1,251 г. Обчисліть густину цього газу за воднем.

9. Густина невідомого газу за повітрям 1,656. Обчисліть масу 1 л цього газу за нормальних умов. Який газ це міг би бути?

10. Поясніть, чому відносні густини всіх газів за воднем більші за 1.

11. Густина деякого газу за киснем дорівнює 2. Чому дорівнює густина цього газу за воднем?

12. Який газ важчий за кисень у 1,5 разу й утворений одним елементом? важчий у 2 рази й утворений двома елементами?

13. Сполуки Карбону й Нітрогену з Оксигеном за однакових умов мають однакову густину. Визначте формули цих сполук.

14*. Запропонуйте спосіб, у який можна експериментально виміряти відносну густину двох газів.

Перевірте свої знання за темою «Кількість речовини. Розрахунки за хімічними формулами».

§ 24. Відносна густина газів. Обчислення з використанням відносної густини газів

Під час вивчення речовин та явищ не обійтися без порівнянь. Їх здійснюють за різними характеристиками — масою, розмірами, зарядами структурних частинок, фізичними чи хімічними властивостями тощо. Ви вже ознайомлені з такою фізичною величиною, як густина (або її ще називають дійсна густина), яку позначають ρ (вимовляється «ро»). Вона є характеристикою речовини, що кількісно визначається відношенням маси до об’єму в абсолютно густому стані (без урахування пор, тріщин).

ВІДНОСНА ГУСТИНА ГАЗІВ. Для газів досить уживаною ознакою порівняння є не дійсна, а відносна густина газів (позначається великою літерою D (вимовляється «де») латинського алфавіту).

Відносна густина одного газу за іншим газом (D) — це відношення густини одного газу (ρ₁) до густини іншого газу (ρ₂), виміряних за однакових умов:

Оскільки густина — це маса одного об’єму речовини, а молярний об’єм усіх газів за нормальних умов однаковий — 22,4 л, робимо висновок про те, що густини газів відносяться між собою, як їхні молярні маси. Вам відомо, що молярні маси чисельно дорівнюють відносним молекулярним масам речовин. Звідси відносна густина газів може бути обчислена за формулою:

де М_r1 — відносна молекулярна маса газу, для якого визначають відносну густину; М_r2 — відносна молекулярна маса газу, за яким визначають густину.

Внизу справа після літери D пишуть формулу газу, за яким обчислюють густину іншого газу. Наприклад, густина за воднем позначається D_Н2, густина за киснем — D_O2·

Як і відносна молекулярна маса, відносна густина газу — величина безрозмірна, бо показує, у скільки разів один газ легший або важчий за інший.

ОБЧИСЛЕННЯ ВІДНОСНОЇ ГУСТИНИ ОДНОГО ГАЗУ ЗА ІНШИМ. Відносну густину газів можна обчислювати за будь-яким газом — воднем, киснем (мал. 40), вуглекислим газом тощо, а також за газоподібними сумішами. Якщо говорять про газоподібні суміші речовин, то йдеться про середню відносну молекулярну масу суміші, встановлену на основі обчислення маси суміші за нормальних умов в об’ємі 22,4 л. Найчастіше відносну густину газів обчислюють за воднем і повітрям.

Мал. 40. Відносні густини газів: а — метану за повітрям; б — озону за киснем; в — пропану за карбон(ІV) оксидом

Середня відносна молекулярна маса повітря за нормальних умов дорівнює 29.

Це означає, що порція повітря об’ємом 22,4 л за нормальних умов має масу 29 г.

ОБЧИСЛЕННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ВІДНОСНОЇ ГУСТИНИ ГАЗІВ.

Приклад 1. Обчисліть відносну густину кисню за воднем (D_Н2).

Обчислення проведемо за формулою:

Відповідь: густина кисню за воднем дорівнює 16, тобто кисень у 16 разів важчий за водень, а водень у стільки само разів легший від кисню.

Щоразу, обчислюючи відносну густину газу за воднем, у знаменнику маємо записувати число 2 (саме такою є відносна молекулярна маса цієї речовини). Тому формулу для обчислення відносної густини газів за воднем подають у такому вигляді.

На практиці найчастіше виникає потреба в обчисленнях відносної густини газу за повітрям.

Оскільки відносна молекулярна маса повітря дорівнює 29, то обчислення відносної густини за повітрям здійснюють за поданою формулою.

Пригадайте! У 7 класі ви вивчали добування та збирання кисню. Поміркуйте, як треба розташовувати посудину для збирання газоподібної речовини, легшої за повітря, щоб зібрати її способом витіснення повітря.

Приклад 2. Обчисліть відносну густину кисню за повітрям (D_пов).

Відповідь: відносна густина кисню за повітрям D_пов = 1,1.

Як бачимо, кисень дещо важчий за повітря, тому для його збирання витісненням повітря посудину розташовують донизу дном.

Приклад 3. Обчисліть відносну густину водню за повітрям (D_пов).

Відповідь: відносна густина водню за повітрям D_пов = 0,07.

У розглянутих прикладах кисень важчий за водень та повітря, тоді як водень легший від повітря. Ці та інші приклади доводять: якщо відносна густина газу більша за одиницю, він важчий, ніж той, з яким його порівнюють. І навпаки, якщо одержана величина менша від одиниці, газ легший, ніж той, з яким його порівнюють.

Похідними формули відносної густини газів є такі формули:

Приклад 4. Обчисліть відносну молекулярну масу газу, відносна густина якого за повітрям дорівнює 2.

Відповідь: відносна молекулярна маса газу дорівнює 58.

Приклад 5. Бінарна сполука Нітрогену з Гідрогеном має густину за воднем 8,5. Установіть хімічну формулу речовини, якщо масова частка Нітрогену в речовині дорівнює 82 % .

Стисло про основне

• Густину речовини обчислюють за формулою ρ = m/V.

• Відносна густина газів — безрозмірна величина, що показує, у скільки разів один газ важчий або легший за інший.

• За відомою відносною густиною газу можна обчислювати його молярну масу.

• Вибір способу збирання газів витісненням повітря здійснюють на основі результатів обчислення відносної густини газів за повітрям: якщо вона більша за одиницю, то посудину для наповнення газом тримають донизу дном, а якщо менша — догори дном.

Знаємо, розуміємо

1. Сформулюйте визначення фізичної величини «густина речовини».

2. Дайте визначення відносної густини газів. За якими формулами її обчислюють?

3. Обчисліть густину хлору за воднем та повітрям.

4. Учням потрібно дослідним шляхом добути та зібрати в пробірку нітроген(ІV) оксид. Думки учнів щодо способу збирання цього газу розділились. Одні учні вирішили збирати нітроген(IV) оксид, тримаючи пробірку донизу дном, інші — догори дном. Поясніть, хто з них помилявся та чому.

5. Які з перелічених газів підходять для наповнення аеростатів: водень, кисень, гелій, карбон(ІV) оксид? Відповідь поясніть.

6. Зазначте правильне розташування пробірки для збирання карбон(ІV) оксиду. Обґрунтуйте свій вибір.

7. Що важче: 1 л кисню чи 1 л чадного газу CO (н. у.)? Відповідь обґрунтуйте.

Застосовуємо

68. Розгляньте малюнок 40 на с. 130 і поясніть, чому саме так розташовані шальки терезів за зважування однакових об’ємів зазначених на малюнках газів. Як, на вашу думку, розташуються шальки терезів, якщо на них помістити кульки однакового об’єму, наповнені:

• а) повітрям і воднем;
• б) карбон(ІІ) оксидом і азотом;
• в) карбон(IV) оксидом і хлором;
• г) воднем і гелієм?

69. Ми звикли говорити й чути вислови порожня чашка, порожня банка. Чи правильно це? Наскільки легшою є насправді порожня посудина об’ємом 3 л, яку після викачування повітря герметично закрили, від тієї, що стоїть у кімнаті відкритою (н.у.)?

70. Обчисліть відносну густину: а) азоту за нітроген(II) оксидом; б) метану за повітрям.

71. Обчисліть молярну масу газу, густина за киснем якого дорівнює 2.

Пропан

Пропан (C₃H₈) – це газоподібна вуглеводнева сполука, що складається з трьох атомів вуглецю та восьми атомів водню. Він належить до класу алканів і є найменшим з трьох вуглеводнів, відомих як прості вуглеводні, які входять до складу нафти та природного газу.

Міститься у природних і нафтових газах, утворюється під час крекінгу нафтопродуктів.

Пропан також є важливим джерелом енергії в кількох країнах, особливо в тих місцях, де газопровідна інфраструктура обмежена або недоступна. Він може зберігантися та транспортоватись у рідкому стані під тиском, що робить його більш компактним та зручним для використання.

Фізичні властивості пропану

Пропан має наступні фізичні властивості:

1. Агрегатний стан: C₃H₈ є газом за нормальних умов температури і тиску. Його кипіння починається при -42,1°C (-43,8°F), а замерзання відбувається при -188,2°C (-306,8°F).
2. Колір та запах: Пропан безбарвний та без запаху. Для його виявлення та безпечного використання до нього додають незначну кількість запахової речовини, щоб зробити його відчутним за запахом.
3. Густина: Густина пропану залежить від температури та тиску. При нормальних умовах (0°C або 32°F, 1 атм або 101,3 кПа), густина пропану становить близько 1,88 кг/м³.
4. Тиск пари: Пропан має високий тиск пари при кімнатній температурі та може бути легко збережений у рідкому стані під тиском близько 8,5 атм (860 кПа).
5. Розчинність: Пропан не розчиняється в воді, але може розчинятися у деяких органічних розчинниках, таких як етер та бензин.
6. Енергетична вартість: C₃H₈ є високоефективним паливом і має високу енергетичну вартість. При згорянні випускається значна кількість енергії, що його робить популярним джерелом тепла та енергії.
7. Вибухонебезпека: Пропан є вибухонебезпечним газом. Висока концентрація пропану у повітрі може утворити вибухонебезпечну суміш. Тому необхідно дотримуватися відповідних заходів безпеки при роботі з пропаном.

Хімічні властивості пропану

Пропан (C₃H₈) має наступні хімічні властивості:

1. Горіння: Пропан є високоефективним паливом і горить з високою температурою й енергетичною вартістю. При згорянні пропану утворюється вода (H₂O) та вуглекислий газ (CO₂), при цьому виділяється значна кількість тепла й енергії.

1. Реакція з киснем: Пропан може реагувати з киснем при наявності вогню або ініціатора. Ця реакція називається окисленням. При повному окисленні пропану утворюється вуглекислий газ (CO₂) та вода (H₂O).

1. Реакція з хлором: C₃H₈ може реагувати з хлором при високих температурах або за участі каталізаторів. Ця реакція призводить до заміщення водню в пропані хлором і утворення хлорпропану (C₃H₇Cl) і хлориду водню (HCl).

1. Реакція з кислотами: Пропан може реагувати з кислотами, утворюючи відповідні солі. Наприклад, реакція пропану з сірчаною кислотою (H₂SO₄) може привести до утворення сульфату пропану (C₃H₈SO₄).

1. Плавлення і кристалізація: При дуже низьких температурах пропан може переходити у твердий стан, утворюючи кристали. Точка плавлення пропану становить -188,2°C (-306,8°F).

Застосування пропану

Пропан має широкий спектр застосувань у різних галузях.

Ось деякі з найпоширеніших використань пропану:

1. Побутове опалення і гаряче водопостачання: C₃H₈ використовується як джерело енергії для систем опалення і нагріву води у житлових будинках та комерційних приміщеннях. Він може бути використаний як альтернатива природному газу.
2. Автомобільне паливо: Пропан може використовуватися як альтернативне паливо для автомобілів. Він може бути використаний у вигляді стиснутого природного газу (CNG) або рідкого пропану (LPG). Автомобілі, що працюють на пропані, зазвичай мають менший вплив на навколишнє середовище і нижчі викиди шкідливих речовин.
3. Промислові процеси: C₃H₈ використовується в різних промислових процесах, зокрема у виробництві пластмас, фарб і лаків, металургії, хімічному виробництві та інших галузях. Він може бути використаний як джерело тепла, паливо для печей і паливних систем, а також як сировина для синтезу хімічних сполук.
4. Туризм і рекреація: Пропан використовується для розпалювання вогнищ, грилів, кемпінгових печей та нагріву води під час кемпінгу і відпочинку на відкритому повітрі. Його легкість використання, доступність та екологічна чистота роблять його популярним серед туристів.
5. Енергетика: Пропан використовується для генерації електроенергії від стаціонарних генераторів, особливо в областях, де немає доступу до мережі електропостачання або як резервне джерело енергії.

Це лише деякі з застосувань пропану, і він також знаходить використання в інших галузях, таких як холодильна техніка, обробка металів, сільське господарство, хімічна промисловість та інші.