Почему газ над водой нельзя считать сухим
Когда газ собирают вытеснением воды, он всегда насыщен её парами. Манометр или барометр показывают общее давление смеси, а в уравнение состояния нужно подставлять только давление самого газа. Разница достигает 2–3 кПа при комнатной температуре и до 20 кПа при 60 °C.
Пренебрежение этой поправкой даёт завышение количества газа на 2–3 % в обычной лаборатории и до 20 % для тёплой воды. Для студенческой лабораторной работы это объясняет, почему выход водорода «получается больше 100 %», если параметры вносят без учёта пара.
Закон Дальтона и давление насыщенного пара
По закону Дальтона общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. В сосуде над водой оно складывается из давления газа и давления насыщенного пара воды при температуре опыта. Парциальное давление газа находят вычитанием давления пара из показания барометра.
Давление насыщенного пара воды зависит от температуры нелинейно, поэтому калькулятор использует уравнение Антуана, которое хорошо описывает диапазон от 1 до 99 °C. Дополнительно можно задать неполную насыщенность пара и разность уровней воды внутри и снаружи сосуда.
Как привести объём к нормальным условиям
После нахождения парциального давления газа количество вещества рассчитывается по уравнению состояния идеального газа n = pV / RT. Затем это количество пересчитывается в объём при выбранных стандартных условиях, по умолчанию при 0 °C и 101,325 кПа, а также в массу по молярной массе.
Можно выбрать и другие стандартные условия: 0 °C при 100 кПа по рекомендации IUPAC или 25 °C при 101,325 кПа. Различие между ними составляет около 10 %, поэтому в отчёте всегда указывайте, к каким условиям приведён объём.
Выход газа в лабораторной работе
В режиме сравнения с теорией калькулятор берёт массу реагента, например цинка, переводит её в моли и по коэффициентам уравнения находит теоретическое количество газа. Фактическое количество определяется по собранному объёму с поправкой на пар, а их отношение даёт выход в процентах.
Если выход заметно меньше 100 %, причинами могут быть растворимость газа, неполное растворение реагента, утечки соединений или неверно измеренный объём. Выход заметно больше 100 % чаще всего связан с неучтённым паром воды или некорректным давлением.
Какие газы можно собирать над водой
Над водой собирают газы, плохо в ней растворимые: водород, кислород, азот, метан, ацетилен, аргон и гелий. Углекислый газ растворяется заметно, поэтому потери растут при долгом контакте; для аммиака и хлороводорода метод вообще не подходит из-за очень высокой растворимости.
Оксид азота(II) окисляется кислородом воздуха, находящимся в приборе, поэтому его количество тоже определяют с поправкой. В таких случаях калькулятор даёт нижнюю оценку, а для точных измерений используют ртуть, масло или другие запирающие жидкости.
Формула расчёта
p(газа) = p(общее) − p(H₂O); n = p(газа)·V / (R·T); V₀ = n·R·T₀ / p₀
Проверенные примеры
Давление пара воды при 22 °C около 2,64 кПа.
Давление сухого водорода 97,36 кПа, 0,004761 моль, 106,7 мл при н.у.
Нужный объём влажного газа при комнатных стандартных условиях.
Рассчитывается количество O₂ 0,0156 моль и объём влажного газа около 400 мл.
Как пользоваться онлайн-калькулятором
- Выберите задачу: обработать собранный газ, найти нужный объём или сравнить опыт с теорией.
- Выберите газ, укажите температуру воды, атмосферное давление и объём собранного газа.
- При необходимости включите дополнительные параметры: насыщенность пара и разность уровней воды.
- Прочитайте количество газа, объём при н.у. и таблицу влияния температуры.