La "pression partielle" en chimie est la pression que chaque gaz dans un mélange gazeux exerce sur son environnement, comme une fiole jaugée, un réservoir d'air de plongée ou une limite atmosphérique. Vous pouvez calculer la pression de chaque gaz dans un mélange si vous connaissez la quantité de gaz, le volume qu'il occupe et la température. Les pressions partielles peuvent être additionnées pour calculer la pression totale du mélange gazeux. D'autre part, la pression totale peut être calculée à l'avance pour calculer la pression partielle.
Étape
Partie 1 sur 3: Comprendre les propriétés des gaz
Étape 1. Traitez chaque gaz comme un gaz « idéal »
En chimie, un gaz parfait est un gaz qui interagit avec d'autres gaz sans être attiré par ses molécules. Les molécules solitaires peuvent cogner et rebondir comme des boules de billard sans se déformer.
- La pression d'un gaz parfait augmente lorsqu'il est comprimé dans un espace plus petit et diminue lorsqu'il se dilate dans un espace plus grand. Cette relation s'appelle la loi de Boyle créée par Robert Boyle. Mathématiquement, la formule est k = P x V, ou simplifiée en k = PV, k est une constante, P est la pression, tandis que V est le volume.
- Il existe plusieurs unités possibles pour la pression. L'un d'eux est Pascal (Pa). Cette unité est définie comme la force d'un newton appliquée sur une surface d'un mètre carré. Une autre unité est l'atmosphère (atm). L'atmosphère est la pression de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer. Une pression de 1 atm équivaut à 101 325 Pa.
- La température d'un gaz parfait augmente avec une augmentation de volume et diminue avec une diminution de volume. Cette relation s'appelle la loi de Charles créée par le scientifique Jacques Charles. La formule mathématique est k = V / T, où k est la constante de volume et de température, V est le volume et T est la température.
- La température du gaz dans cette équation est donnée en degrés Kelvin, ce qui est obtenu en ajoutant le nombre 273 à la valeur en degrés Celsius.
- Les deux formules ci-dessus peuvent être combinées avec une seule équation: k = PV / T, qui peut aussi s'écrire PV = kT.
Étape 2. Déterminez la quantité de gaz à mesurer
Les gaz ont une masse et un volume. Le volume est généralement mesuré en litres (l), mais il existe deux types de masse.
- La masse conventionnelle est mesurée en grammes, mais en plus grandes quantités, l'unité est le kilogramme.
- Les gaz étant très légers, les unités utilisées sont la masse moléculaire ou la masse molaire. La masse molaire est la somme des masses atomiques totales de chaque atome du composé qui compose le gaz, chaque atome comparé au nombre 12 pour le carbone.
- Comme les atomes et les molécules sont trop petits pour être comptés, la quantité de gaz est spécifiée en moles. Le nombre de moles présentes dans un gaz donné peut être obtenu en divisant la masse par la masse molaire et noté par la lettre n.
- La constante K dans l'équation du gaz peut être remplacée par le produit de n, le nombre de moles (moles) et la nouvelle constante R. Maintenant, la formule est nR = PV/T ou PV = nRT.
- La valeur de R dépend des unités utilisées pour mesurer la pression, le volume et la température du gaz. Pour le volume en litres, la température en Kelvin et la pression en atmosphères, la valeur est de 0,0821 L atm/K mol. Cette valeur peut être écrite sous la forme 0,0821 L atm K-1 Môle -1 pour éviter d'utiliser des barres obliques pour représenter les divisions en unités de mesure.
Étape 3. Comprendre la loi de pression partielle de Dalton
Cette loi a été développée par le chimiste et physicien John Dalton, qui a d'abord développé le concept selon lequel les éléments chimiques sont constitués d'atomes. La loi de Dalton stipule que la pression totale d'un mélange de gaz est la somme des pressions des gaz individuels dans le mélange.
- La loi de Dalton peut être écrite sous la forme de la formule suivante Ple total = P1 + P2 + P3 … la quantité de P à droite du signe est égale à la quantité de gaz dans le mélange.
- La formule de la loi de Dalton peut être étendue lorsqu'il s'agit de divers gaz dans lesquels la pression partielle de chaque gaz est inconnue, mais dont le volume et la température sont connus. La pression partielle d'un gaz est égale à la pression qui suppose que le gaz en cette quantité est le seul gaz dans le récipient.
- Pour chaque pression partielle, la formule des gaz parfaits peut être utilisée. Au lieu d'utiliser PV = nRT, seul P à gauche peut être utilisé. Pour cela, les deux côtés sont divisés par V: PV/V = nRT/V. Les deux V du côté droit s'annulent, laissant P = nRT/V.
- Nous pouvons l'utiliser pour remplacer chaque P à droite qui représente un gaz particulier dans la formule de pression partielle: Ple total =(nRT/V) 1 + (nRT/V) 2 + (nRT/V) 3 …
Partie 2 sur 3: Calcul de la pression partielle, puis de la pression totale
Étape 1. Déterminez l'équation de pression partielle pour chaque gaz que vous calculez
Pour ce calcul, on suppose qu'un ballon de 2 litres contient 3 gaz: l'azote (N2), l'oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2). Chaque gaz a une masse de 10 g et une température de 37 degrés Celsius. Nous allons calculer la pression partielle de chaque gaz et la pression totale du mélange gazeux dans le ballon chimique.
- La formule de pression partielle est Ple total = Pazote + Poxygène + Pgaz carbonique.
- Puisque nous recherchons la pression pour chaque gaz avec un volume et une température connus, le nombre de moles de chaque gaz peut être calculé en fonction de sa masse. La formule peut être changée en: Ple total =(nRT/V) azote + (nRT/V) oxygène + (nRT/V) gaz carbonique
Étape 2. Convertissez la température en degrés Kelvin
La température en Celsius est de 37 degrés, alors ajoutez 273 à 37 pour obtenir 310 degrés K.
Étape 3. Trouvez le nombre de moles de chaque gaz présent dans l'échantillon
Le nombre de moles d'un gaz est la masse du gaz divisée par sa masse molaire, qui est la somme des masses atomiques de chaque atome du mélange.
- Pour l'azote gazeux (N2), chaque atome a une masse atomique de 14. Puisque l'azote est diatomique (une molécule à deux atomes), la valeur de 14 doit être multipliée par 2 pour obtenir une masse molaire de 28 pour l'azote dans cet échantillon. Ensuite, la masse en grammes, 10g, est divisée par 28, pour obtenir le nombre de moles, donc le résultat est d'environ 0,4 mole d'azote.
- Pour le gaz suivant, l'oxygène (O2), chaque atome a une masse atomique de 16. L'oxygène est également diatomique, donc 16 fois 2 donne la masse molaire d'oxygène dans l'échantillon 32. 10 grammes divisés par 32 donnent environ 0,3 mole d'oxygène.
- Vient ensuite le dioxyde de carbone (CO2), qui a 3 atomes, à savoir un atome de carbone avec une masse atomique de 12 et deux atomes d'oxygène avec une masse atomique de 16. Ces trois masses atomiques sont additionnées pour obtenir la masse molaire: 12 + 16 + 16 = 44. Les 10 grammes suivants sont divisés par 44, le résultat est donc d'environ 0,2 mole de dioxyde de carbone.
Étape 4. Entrez les valeurs molaires, le volume et la température
Les nombres ont été entrés dans la formule: Ple total =(0, 4 * R * 310/2) azote + (0, 3 *R * 310/2) oxygène + (0, 2 * R *310/2) gaz carbonique.
Pour simplifier, les unités ne sont pas écrites. Ces unités seront effacées dans les calculs mathématiques, ne laissant que les unités de pression
Étape 5. Entrez la valeur de la constante R
Les pressions totales et partielles seront exprimées en unités atmosphériques, la valeur R utilisée est donc de 0,0821 L atm/K mol. Cette valeur est ensuite entrée dans l'équation de sorte que la formule soit Ple total =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) azote + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) oxygène + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) gaz carbonique.
Étape 6. Calculez les pressions partielles pour chaque gaz
Maintenant que toutes les valeurs requises sont disponibles, il est temps de faire le calcul.
- Pour la pression partielle d'azote, 0,4 mole est multipliée par une constante de 0,0821 et une température de 310 degrés K, puis divisée par 2 litres: 0,4 * 0,0821 * 310/2 = 5,09 atm, environ.
- Pour la pression partielle d'oxygène, 0,3 mole est multipliée par une constante de 0,0821 et une température de 310 degrés K, puis divisée par 2 litres: 0,3 * 0,0821 * 310/2 = 3,82 atm, environ.
- Pour la pression partielle de dioxyde de carbone, 0,2 mole est multipliée par une constante de 0,0821 et une température de 310 degrés K, puis divisée par 2 litres: 0,2 * 0,0821 * 310/2 = 2,54 atm, environ.
- Les trois pressions partielles sont ensuite additionnées pour obtenir la pression totale: Ple total = 5, 09 + 3, 82 + 2, 54 ou 11,45 atm, plus ou moins.
Partie 3 sur 3: Calcul de la pression totale, puis partielle
Étape 1. Déterminez la formule de pression partielle comme précédemment
Encore une fois, supposons qu'un flacon de 2 litres contient 3 gaz différents: l'azote (N2), l'oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2). La masse de chaque gaz est de 10 grammes et la température de chacun est de 37 degrés C.
- La température en Kelvin est toujours la même à 310 degrés et le nombre de moles est d'environ 0,4 mole d'azote, 0,3 mole d'oxygène et 0,2 mole de dioxyde de carbone.
- L'unité de pression utilisée est également l'atmosphère, la valeur de la constante R est donc de 0,0821 L atm/K mol.
- Donc l'équation de la pression partielle est toujours la même à ce point: Ple total =(0, 4 * 0, 0821 * 310/2) azote + (0, 3 *0, 0821 * 310/2) oxygène + (0, 2 * 0, 0821 * 310/2) gaz carbonique.
Étape 2. Ajoutez le nombre de moles de chaque gaz dans l'échantillon pour obtenir le nombre total de moles du mélange gazeux
Étant donné que le volume et la température sont les mêmes pour chaque échantillon de gaz et que chaque valeur molaire est également multipliée par la même constante, nous pouvons utiliser la propriété distributive des mathématiques pour réécrire l'équation comme suit:le total = (0, 4 + 0, 3 + 0, 2) * 0, 0821 * 310/2.
Faites les sommes: 0,4 + 0,3 + 0,2 = 0,9 mole de mélange gazeux. L'équation sera plus simple, à savoir Ple total = 0, 9 * 0, 0821 * 310/2.
Étape 3. Calculez la pression totale du mélange gazeux
Faites la multiplication: 0,9 * 0,0821 * 310/2 = 11,45 moles, plus ou moins.
Étape 4. Calculez la proportion de chaque gaz qui compose le mélange
Pour calculer la proportion de chaque gaz dans le mélange, divisez le nombre de moles de chaque gaz par le nombre total de moles.
- Il y a 0,4 mole d'azote, donc 0,4/0,9 = 0,44 (44 %) échantillon, plus ou moins.
- Il y a 0,3 mole d'azote, donc 0,3/0,9 = 0,33 (33 %) de l'échantillon, plus ou moins.
- Il y a 0,2 mole de dioxyde de carbone, donc 0,2/0,9 = 0,22 (22 %) de l'échantillon, plus ou moins.
- Bien que le calcul du pourcentage estimé ci-dessus renvoie 0,99, la valeur décimale réelle se répète. Cela signifie qu'après la virgule le nombre est 9 qui se répète. Par définition, cette valeur est égale à 1, ou 100 pour cent.
Étape 5. Multipliez la proportion de la quantité de chaque gaz par la pression totale pour calculer la pression partielle
- Multipliez 0,44 * 11,45 = 5,04 atm, plus ou moins.
- Multipliez 0,33 * 11,45 = 3,78 atm, plus ou moins.
- Multipliez 0,22 * 11,45 = 2,52 atm, plus ou moins.
