9.3 Hlutfallaefnafræði loftkenndra efna, blanda og efnahvarfa

Rannsóknin á efnafræðilegri hegðun lofttegunda var hluti af grundvelli ef til vill mestu grundvallarbyltingar í sögu efnafræðinnar. Franski aðalsmaðurinn Antoine Lavoisier, sem er almennt talinn „faðir nútímaefnafræði“, breytti efnafræði úr þáttbundnum vísindum í magnbundin vísindi með vinnu sinni með lofttegundir. Hann uppgötvaði lögmálið um varðveislu efnis, uppgötvaði hlutverk súrefnis í brunahvörfum, ákvarðaði samsetningu lofts, útskýrði öndun með tilliti til efnahvarfa og fleira. Hann var fórnarlamb frönsku byltingarinnar, tekinn af lífi með fallöxi árið 1794. Um dauða hans sagði stærðfræðingurinn og stjörnufræðingurinn Joseph-Louis Lagrange: „Það tók múginn aðeins andartak að fjarlægja höfuð hans; öld mun ekki nægja til að endurskapa það.“ ¹ Mikið af þeirri þekkingu sem við höfum um framlög Lavoisier er að þakka eiginkonu hans, Marie-Anne Paulze Lavoisier, sem vann með honum á rannsóknarstofu hans. Hún var menntaður listamaður, altalandi á nokkrum tungumálum, og skapaði nákvæmar myndskreytingar af búnaðinum á rannsóknarstofu hans og þýddi texta frá erlendum vísindamönnum til að bæta við þekkingu hans. Eftir aftöku hans átti hún stóran þátt í útgáfu á aðalritgerð Lavoisier, sem sameinaði mörg hugtök efnafræðinnar og lagði grunninn að frekari marktækum rannsóknum.

Eins og lýst er í fyrri kafla þessa texta getum við leitað til hlutfallaefnafræði til að fá svör við mörgum spurningum sem byrja á „Hversu mikið?“. Nauðsynlegur eiginleiki sem felst í slíkri notkun hlutfallaefnafræði er efnismagn, venjulega mælt í mólum (n). Fyrir lofttegundir er hægt að leiða mólmagn út frá hentugum tilraunamælingum á þrýstingi, hitastigi og rúmmáli. Þess vegna eru þessar mælingar gagnlegar við mat á hlutfallaefnafræði hreinna lofttegunda, gasblandna og efnahvarfa sem fela í sér lofttegundir. Þessi kafli mun ekki kynna neitt nýtt efni eða hugmyndir, heldur mun hann veita dæmi um notkun og leiðir til að samþætta hugtök sem þegar hafa verið rædd.

Eðlismassi gass og mólmassi

Kjörgaslögmálið sem lýst var áður í þessum kafla tengir saman eiginleika þrýstings (P), rúmmáls (V), hitastigs (T) og mólmagns (n). Þetta lögmál er altækt og tengir þessa eiginleika á sama hátt óháð efnaauðkenni gassins:

P V = n R T

Eðlismassi (d) gass er aftur á móti ákvarðaður af auðkenni þess. Eins og lýst er í öðrum kafla þessa texta er eðlismassi efnis einkennandi eiginleiki sem hægt er að nota til að auðkenna efnið.

d = \frac{m}{V}

Með því að endurraða kjörgasjöfnunni til að einangra V og setja inn í eðlismassajöfnuna fæst

d = \frac{m P}{n R T} = (\frac{m}{n}) \frac{P}{R T}

Hlutfallið m/n er skilgreiningin á mólmassa, ℳ:

ℳ = \frac{m}{n}

Þá er hægt að skrifa eðlismassajöfnuna

d = \frac{ℳ P}{R T}

Þetta samband má nota til að reikna út eðlismassa lofttegunda með þekkt auðkenni við tiltekin gildi þrýstings og hitastigs eins og sýnt er í Dæmi 9.11.

Þegar auðkenni gass er óþekkt er hægt að nota mælingar á massa, þrýstingi, rúmmáli og hitastigi sýnis til að reikna út mólmassa gassins (gagnlegur eiginleiki til auðkenningar). Með því að sameina kjörgasjöfnuna

P V = n R T

og skilgreininguna á mólmassa

ℳ = \frac{m}{n}

fæst eftirfarandi jafna:

ℳ = \frac{m R T}{P V}

Ákvörðun mólmassa gass með þessari aðferð er sýnd í Dæmi 9.12.

Dæmi 9.12

Ákvörðun sameindaformúlu gass út frá mólmassa þess og reynsluformúlu

Sýklóprópan, gas sem eitt sinn var notað með súrefni sem almennt svæfingarlyf, er samsett úr 85,7% kolefni og 14,3% vetni miðað við massa. Finndu reynsluformúluna. Ef 1,56 g af sýklóprópani tekur rúmmál upp á 1,00 L við 0,984 atm og 50 °C, hver er þá sameindaformúla sýklóprópans?

Lausn

Fyrst skal ákvarða reynsluformúlu gassins. Gerum ráð fyrir 100 g og breytum hundraðshluta hvers frumefnis í grömm. Ákvarðið fjölda móla af kolefni og vetni í 100 g sýni af sýklóprópani. Deilið með minnsta fjölda móla til að tengja fjölda móla af kolefni við fjölda móla af vetni. Í síðasta skrefinu skal gera sér grein fyrir því að minnsta heiltöluhlutfallið er reynsluformúlan:

85,7 g C \times \frac{1 mol C}{12,01 g C} = 7,136 mol C \frac{7,136}{7,136} = 1,00 mol C

14,3 g H \times \frac{1 mol H}{1,01 g H} = 14,158 mol H \frac{14,158}{7,136} = 1,98 mol H

Reynsluformúlan er CH₂ [reynslumassi (EM) 14,03 g/reynslueiningu].

Næst skal nota uppgefin gildi fyrir massa, þrýsting, hitastig og rúmmál til að reikna út mólmassa gassins:

ℳ = \frac{m R T}{P V} = \frac{(1,56 g) (0,0821 {L·atm·mol}^{− 1} K^{- 1}) (323 K)}{(0,984 atm) (1,00 L)} = 42,0 g/mol

Með því að bera saman mólmassann við reynsluformúlumassann sést hversu margar reynsluformúlueiningar mynda eina sameind:

\frac{ℳ}{E M} = \frac{42,0 g/mol}{14,0 g/mol} = 3

Sameindaformúlan er þannig leidd af reynsluformúlunni með því að margfalda hvern neðanskriftarvísi hennar með þremur:

{({CH}_{2})}_{3} = C_{3} H_{6}

Kannaðu þekkingu þína

Asetýlen, eldsneyti sem notað er í suðulogsuðutæki, er samsett úr 92,3% C og 7,7% H miðað við massa. Finndu reynsluformúluna. Ef 1,10 g af asetýleni tekur rúmmál upp á 1,00 L við 1,15 atm og 59,5 °C, hver er sameindaformúla asetýlens?

Dæmi 9.13

Ákvörðun mólmassa rokgjarns vökva

Áætlaðan mólmassa rokgjarns vökva má ákvarða með því að:

Hita sýni af vökvanum í flösku með örlitlu gati efst, sem breytir vökvanum í gas sem getur sloppið út um gatið
Fjarlægja flöskuna af hitanum um leið og síðasti vökvinn verður að gasi, en þá verður flaskan fyllt með eingöngu gassýni við umhverfisþrýsting
Loka flöskunni og leyfa gassýninu að þéttast í vökva og síðan vigta flöskuna til að ákvarða massa sýnisins (sjá Mynd 9.19)

Mynd 9.19 When the volatile liquid in the flask is heated past its boiling point, it becomes gas and drives air out of the flask. At

{{t}_{{l\, \longrightarrow \, g}},}

the flask is filled with volatile liquid gas at the same pressure as the atmosphere. If the flask is then cooled to room temperature, the gas condenses and the mass of the gas that filled the flask, and is now liquid, can be measured. (credit: modification of work by Mark Ott)

Með þessari aðferð er sýni af klóróformgasi sem vegur 0,494 g safnað í flösku með rúmmáli 129 cm³ við 99,6 °C þegar loftþrýstingur er 742,1 mm Hg. Hver er áætlaður mólmassi klóróforms?

Lausn

Þar sem ${\text{ℳ}=\, \frac{m}{n}}$ og ${n=\, \frac{{PV}}{{RT}},}$ gefur innsetning og umröðun ${\text{ℳ}=\, \frac{{mRT}}{{PV}},}$

þá

ℳ = \frac{m R T}{P V} = \frac{(0,494 g) \times 0,08206 L·atm/mol K \times 372,8 K}{0,976 atm \times 0,129 L} = 120 g/mol .

Kannaðu þekkingu þína

Sýni af fosfór sem vegur 3,243 $\times$ 10⁻² g veldur þrýstingi upp á 31,89 kPa í 56,0 ml kúlu við 550 °C. Hver er mólmassi og sameindaformúla fosfórgufu?

Þrýstingur gasblöndu: Lögmál Daltons

Nema þau hvarfist efnafræðilega við hvort annað hafa einstök gös í gasblöndu ekki áhrif á þrýsting hvers annars. Hvert einstakt gas í blöndu veldur sama þrýstingi og það myndi valda ef það væri eitt í ílátinu (Mynd 9.20). Þrýstingurinn sem hvert einstakt gas í blöndu veldur er kallaður hlutþrýstingur (e. partial pressure) þess. Þessi athugun er tekin saman í lögmáli Daltons um hlutþrýsting (e. dalton’s law of partial pressures): Heildarþrýstingur blöndu kjörgasa er jafn summu hlutþrýstings íhlutagasanna:

P_{T o t a l} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + ... = Σ_{i} P_{i}

Í jöfnunni er P_Heildar heildarþrýstingur gasblöndu, P_A er hlutþrýstingur gass A; P_B er hlutþrýstingur gass B; P_C er hlutþrýstingur gass C; og svo framvegis.

Mynd 9.20 Ef strokkum með jöfnu rúmmáli sem innihalda gös við þrýstinginn 300 kPa, 450 kPa og 600 kPa er öllum blandað saman í strokk af sömu stærð er heildarþrýstingur gasblöndunnar 1350 kPa.

Hlutþrýstingur gass A tengist heildarþrýstingi gasblöndunnar í gegnum mólhlutfall (X) (e. mole fraction (x)) þess, styrkleikaeiningu sem er skilgreind sem fjöldi móla í efnisþætti lausnar deilt með heildarfjölda móla allra efnisþátta:

P_{A} = X_{A} \times P_{T o t a l} where X_{A} = \frac{n_{A}}{n_{T o t a l}}

þar sem P_A, X_A og n_A eru hlutþrýstingur, mólhlutfall og mólfjöldi gass A, og n_Total er mólfjöldi allra efnisþátta í efnablöndunni.

Dæmi 9.14

Þrýstingur í gasblöndu

Í 10,0 L íláti eru 2,50 $\times$ 10⁻³ mól af H₂, 1,00 $\times$ 10⁻³ mól af He og 3,00 $\times$ 10⁻⁴ mól af Ne við 35 °C.

(a) Hver er hlutþrýstingur hvers gass?

(b) Hver er heildarþrýstingurinn í atm?

Lausn

Gösin hegða sér óháð hvert öðru, þannig að hægt er að ákvarða hlutþrýsting hvers gass með kjörgasjöfnunni, með því að nota ${P=\, \frac{{nRT}}{V}}$ :

P_{H_{2}} = \frac{(2,50 \times 10^{−3} mol) (0,08206 L atm {mol}^{−1} K^{−1}) (308 K)}{10,0 L} = 6,32 \times 10^{−3} atm

P_{He} = \frac{(1,00 \times 10^{−3} mol) (0,08206 L atm {mol}^{−1} K^{−1}) (308 K)}{10,0 L} = 2,53 \times 10^{−3} atm

P_{Ne} = \frac{(3,00 \times 10^{−4} mol) (0,08206 L atm {mol}^{−1} K^{−1}) (308 K)}{10,0 L} = 7,58 \times 10^{−4} atm

Heildarþrýstingurinn er gefinn með summu hlutþrýstinganna:

P_{T} = P_{H_{2}} + P_{He} + P_{Ne} = (0,00632 + 0,00253 + 0,00076) atm = 9,61 \times 10^{−3} atm

Kannaðu þekkingu þína

Í 5,73 L flösku við 25 °C eru 0,0388 mól af N₂, 0,147 mól af CO og 0,0803 mól af H₂. Hver er heildarþrýstingurinn í flöskunni í atm?

Hér er annað dæmi um þetta hugtak, en það snýst um útreikninga á mólhlutfalli.

Söfnun gasa yfir vatni

Einföld leið til að safna gösum sem hvarfast ekki við vatn er að fanga þau í flösku sem hefur verið fyllt með vatni og henni snúið á hvolf í skál sem er fyllt með vatni. Hægt er að jafna þrýsting gassins inni í flöskunni við loftþrýstinginn fyrir utan með því að hækka eða lækka flöskuna. Þegar vatnsyfirborðið er í sömu hæð bæði innan og utan flöskunnar (Mynd 9.21) er þrýstingur gassins jafn loftþrýstingnum, sem hægt er að mæla með loftvog.

This figure shows a diagram of equipment used for collecting a gas over water. To the left is an Erlenmeyer flask. It is approximately two thirds full of a lavender colored liquid. Bubbles are evident in the liquid. The label “Reaction Producing Gas” appears below the flask. A line segment connects this label to the liquid in the flask. The flask has a stopper in it through which a single glass tube extends from the open region above the liquid in the flask up, through the stopper, to the right, then angles down into a pan that is nearly full of light blue water. This tube again extends right once it is well beneath the water’s surface. It then bends up into an inverted flask which is labeled “Collection Flask.” This collection flask is positioned with its mouth beneath the surface of the light blue water and appears approximately half full. Bubbles are evident in the water in the inverted flask. The open space above the water in the inverted flask is labeled “collected gas.” — Mynd 9.21 Þegar efnahvarf myndar gas sem er safnað yfir vatni er fangaða gasið efnablanda af gasinu sem myndaðist við efnahvarfið og vatnsgufu. Ef söfnunarflaskan er staðsett á viðeigandi hátt til að jafna vatnsborðið bæði innan og utan flöskunnar mun þrýstingur fangaðrar gasblöndu jafngilda loftþrýstingnum utan flöskunnar (sjá fyrri umfjöllun um þrýstingsmæla).

Hins vegar er annar þáttur sem við verðum að hafa í huga þegar við mælum þrýsting gassins með þessari aðferð. Vatn gufar upp og það er alltaf vatn á gasformi (vatnsgufa) yfir sýni af vatni á vökvaformi. Þegar gasi er safnað yfir vatni verður það mettað af vatnsgufu og heildarþrýstingur efnablöndunnar jafngildir hlutþrýstingi gassins auk hlutþrýstings vatnsgufunnar. Þrýstingur hreina gassins er því jafn heildarþrýstingnum að frádregnum þrýstingi vatnsgufunnar – þetta er kallað þrýstingur „þurra“ gassins, það er að segja þrýstingur gassins eingöngu, án vatnsgufu. Gufunarþrýstingur vatns (e. vapor pressure of water), sem er þrýstingurinn sem vatnsgufa beitir í jafnvægi við vatn á vökvaformi í lokuðu íláti, fer eftir hitastiginu (Mynd 9.22); nánari upplýsingar um hitastigsháðni vatnsgufu má finna í Tafla 9.4 og gufunarþrýstingur verður ræddur nánar í næsta kafla um vökva.

A graph is shown. The horizontal axis is labeled “Temperature ( degrees C )” with markings and labels provided for multiples of 20 beginning at 0 and ending at 100. The vertical axis is labeled “Vapor pressure ( torr )” with marking and labels provided for multiples of 200, beginning at 0 and ending at 800. A smooth solid black curve extends from the origin up and to the right across the graph. The graph shows a positive trend with an increasing rate of change. On the vertical axis is ( 7 60) and an arrow pointing to it. The arrow is labeled, “Vapor pressure at ( 100 degrees C ).” — Mynd 9.22 Þetta línurit sýnir gufunarþrýsting vatns við sjávarmál sem fall af hitastigi.

Tafla 9.4
Gufunarþrýstingur íss og vatns við ýmis hitastig við sjávarmál
Hitastig (°C)	Þrýstingur (torr)	Hitastig (°C)	Þrýstingur (torr)	Hitastig (°C)	Þrýstingur (torr)
–10	1,95	18	15,5	30	31,8
–5	3,0	19	16,5	35	42,2
–2	3,9	20	17,5	40	55,3
0	4,6	21	18,7	50	92,5
2	5,3	22	19,8	60	149,4
4	6,1	23	21,1	70	233,7
6	7,0	24	22,4	80	355,1
8	8,0	25	23,8	90	525,8
10	9,2	26	25,2	95	633,9
12	10,5	27	26,7	99	733,2
14	12,0	28	28,3	100,0	760,0
16	13,6	29	30,0	101,0	787,6

Dæmi 9.16

Þrýstingur gass sem safnað er yfir vatni

Ef 0,200 L af argoni er safnað yfir vatni við 26 °C hitastig og 750 torr þrýsting í kerfi eins og sýnt er í Mynd 9.21, hver er þá hlutþrýstingur argons?

Lausn

Samkvæmt lögmáli Daltons er heildarþrýstingurinn í flöskunni (750 torr) summa hlutþrýstings argons og hlutþrýstings vatnsgufu:

P_{T} = P_{Ar} + P_{H_{2} O}

Með því að umraða þessari jöfnu til að leysa fyrir þrýsting argons fæst:

P_{Ar} = P_{T} - P_{H_{2} O}

Þrýstingur vatnsgufu yfir sýni af fljótandi vatni við 26 °C er 25,2 torr (Appendix E), þannig að:

P_{Ar} = 750 torr - 25,2 torr = 725 torr

Kannaðu þekkingu þína

Sýni af súrefni sem safnað er yfir vatni við 29,0 °C og 764 torr þrýsting hefur rúmmálið 0,560 L. Hvert væri rúmmál þurra súrefnisins úr þessu sýni við sömu aðstæður hitastigs og þrýstings?

Hlutfallaefnafræði og gös

Hlutfallaefnafræði lýsir magnbundnum tengslum milli hvarfefna og myndefna í efnahvörfum.

Við höfum áður mælt magn hvarfefna og myndefna með því að nota massa fyrir föst efni og rúmmál ásamt mólstyrk fyrir lausnir; nú getum við einnig notað rúmmál gasa til að gefa til kynna magn. Ef við þekkjum rúmmál, þrýsting og hitastig gass getum við notað jöfnu kjörgass til að reikna út hversu mörg mól af gasinu eru til staðar. Ef við vitum hversu mörg mól af gasi eiga í hlut getum við reiknað út rúmmál gass við hvaða hitastig og þrýsting sem er.

Lögmál Avogadros endurskoðað

Stundum getum við nýtt okkur einfaldandi eiginleika í hlutfallaefnafræði gasa sem föst efni og lausnir sýna ekki: Öll gös sem sýna kjörgashegðun innihalda sama fjölda sameinda í sama rúmmáli (við sama hitastig og þrýsting). Þannig eru hlutföll rúmmála gasa sem taka þátt í efnahvarfi gefin með stuðlunum í jöfnunni fyrir hvarfið, að því tilskildu að rúmmál gasanna séu mæld við sama hitastig og þrýsting.

Við getum útvíkkað lögmál Avogadros (að rúmmál gass sé í beinu hlutfalli við mólfjölda gassins) yfir á efnahvörf með gösum: Gös sameinast, eða hvarfast, í ákveðnum og einföldum hlutföllum miðað við rúmmál, að því tilskildu að öll rúmmál gasa séu mæld við sama hitastig og þrýsting. Til dæmis, þar sem nitur- og vetnisgas hvarfast og mynda ammoníaksgas samkvæmt ${{\text{N}}_{2}(g)+3{\text{H}}_{2}(g)\, \longrightarrow \, 2{{\text{NH}}}_{3}(g),}$ , hvarfast gefið rúmmál af niturgasi við þrefalt það rúmmál af vetnisgasi til að mynda tvöfalt það rúmmál af ammoníaksgasi, ef þrýstingur og hitastig haldast óbreytt.

Skýringin á þessu er sýnd á Mynd 9.23. Samkvæmt lögmáli Avogadros innihalda jöfn rúmmál af N₂, H₂ og NH₃ í gasformi, við sama hitastig og þrýsting, sama fjölda sameinda. Vegna þess að ein sameind af N₂ hvarfast við þrjár sameindir af H₂ til að mynda tvær sameindir af NH₃, er rúmmál H₂ sem þarf þrefalt rúmmál N₂ og rúmmál NH₃ sem myndast er tvöfalt rúmmál N₂.

This diagram provided models of the chemical reaction written with formulas across the bottom of the figure. The reaction is written; N subscript 2 plus 3H subscript 2 followed by an arrow pointing right to NH subscript 3. Just above the formulas, space-filling models are provided. Above NH subscript 2, two blue spheres are bonded. Above 3H subscript 2, three pairs of two slightly smaller white spheres are bonded. Above NH subscript 3, two molecules are shown composed each of a central blue sphere to which three slightly smaller white spheres are bonded. Across the top of the diagram, the reaction is illustrated with balloons. To the left is a light blue balloon, which is labeled “N subscript 2”. This balloon contains a single space-filling model composed of two bonded blue spheres. This balloon is followed by a plus sign, then three grey balloons which are each labeled “H subscript 2.” Each of these balloons similarly contain a single space-filling model composed of two bonded white spheres. These white spheres are slightly smaller than the blue spheres. An arrow follows that points right to two light-green balloons, which are each labeled “2 NH subscript 3.” Each light-green balloon contains a space-filling model composed of a single central blue sphere to which three slightly smaller white spheres are bonded. — Mynd 9.23 Eitt rúmmál af N₂ sameinast þremur rúmmálum af H₂ og myndar tvö rúmmál af NH₃.

Dæmi 9.17

Hvarf gasa

Própan, C₃H₈(g), er notað í gasgrill til að sjá fyrir hitanum við eldun. Hvaða rúmmál af O₂(g), mælt við 25 °C og 760 torr, þarf til að hvarfast við 2,7 L af própani sem mælt er við sömu aðstæður hitastigs og þrýstings? Gert er ráð fyrir að própanið gangist undir fullkomin bruna.

Lausn

Hlutfall rúmmála C₃H₈ og O₂ verður jafnt hlutfalli stuðla þeirra í stilltri jöfnu fyrir hvarfið:

\begin{array}{l} C_{3} H_{8} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 3 {CO}_{2} (g) + 4 H_{2} O (l) \\ 1 rúmmál + 5 volumes 3 volumes + 4 volumes \end{array}

Af jöfnunni sjáum við að eitt rúmmál af C₃H₈ hvarfast við fimm rúmmál af O₂:

2,7 L C_{3} H_{8} \times \frac{5 L O_{2}}{1 L C_{3} H_{8}} = 13,5 L O_{2}

Það þarf 13,5 L af O₂ til að hvarfast við 2,7 L af C₃H₈.

Kannaðu þekkingu þína

Acetýlenkútur fyrir oxýacetýlen-suðuloga gefur 9340 L af acetýlengasi, C₂H₂, við 0 °C og 1 atm. Hversu marga súrefniskúta, sem hver um sig gefur 7,00 $\times$ 10³ L af O₂ við 0 °C og 1 atm, þarf til að brenna acetýleninu?

2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} ⟶ 4 {CO}_{2} + 2 H_{2} O

Dæmi 9.18

Rúmmál hvarfefna í gasfasa

Ammóníak er mikilvægur áburður og iðnaðarefni. Gerum ráð fyrir að framleitt hafi verið rúmmál upp á 683 milljarða rúmfeta af ammóníaki í gasfasa, mælt við 25 °C og 1 atm. Hvaða rúmmál af H₂(g), mælt við sömu aðstæður, þurfti til að útbúa þetta magn af ammóníaki með efnahvarfi við N₂?

N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 {NH}_{3} (g)

Lausn

Vegna þess að jöfn rúmmál af H₂ og NH₃ innihalda jafnmargar sameindir og hverjar þrjár sameindir af H₂ sem hvarfast mynda tvær sameindir af NH₃, verður hlutfall rúmmála H₂ og NH₃ jafnt og 3:2. Tvö rúmmál af NH₃, í þessu tilfelli í einingum milljarða ft³, myndast úr þremur rúmmálum af H₂:

683 billion {ft}^{3} {NH}_{3} \times \frac{3 billion {ft}^{3} H_{2}}{2 billion {ft}^{3} {NH}_{3}} = 1,02 \times 10^{3} billion {ft}^{3} H_{2}

Framleiðsla á 683 milljörðum ft³ af NH₃ krafðist 1020 milljarða ft³ af H₂. (Við 25 °C og 1 atm er þetta rúmmál tenings með brúnlengd sem nemur um það bil 1,9 mílum.)

Kannaðu þekkingu þína

Hvaða rúmmál af O₂(g), mælt við 25 °C og 760 torr, þarf til að hvarfast við 17,0 L af etýleni, C₂H₄(g), mælt við sömu aðstæður hitastigs og þrýstings? Myndefnin eru CO₂ og vatnsgufa.

Dæmi 9.19

Rúmmál myndefnis í gasfasa

Hvaða rúmmál af vetni við 27 °C og 723 torr er hægt að útbúa með efnahvarfi 8,88 g af gallíni við umframmagn af saltsýru?

2 Ga (s) + 6 HCl (a q) ⟶ 2 {GaCl}_{3} (a q) + 3 H_{2} (g)

Lausn

Umbreyttu uppgefnum massa takmarkandi hvarfefnis, Ga, yfir í mól af mynduðu vetni:

8,88 g Ga \times \frac{1 mol Ga}{69,723 g Ga} \times \frac{3 mol H_{2}}{2 mol Ga} = 0,191 {mol H}_{2}

Umbreyttu uppgefnum gildum fyrir hitastig og þrýsting yfir í viðeigandi einingar (K og atm, í sömu röð) og notaðu síðan mólmagn vetnisgassins og kjörgasjöfnuna til að reikna út rúmmál gassins:

V = (\frac{n R T}{P}) = \frac{0,191 mol \times 0,08206 L atm {mol}^{−1} K^{−1} \times 300 K}{0,951 atm} = 4,94 L

Kannaðu þekkingu þína

Brennisteinsdíoxíð er milliefni við framleiðslu á brennisteinssýru. Hvaða rúmmál af SO₂ við 343 °C og 1,21 atm myndast við bruna á 1,00 kg af brennisteini í umframmagni af súrefni?

Hvernig vísindagreinar tengjast

Gróðurhúsagös og loftslagsbreytingar

Þunn himna lofthjúpsins kemur í veg fyrir að jörðin sé íshnöttur og gerir hana byggilega. Í raun er þetta vegna minna en 0,5% af sameindum loftsins. Af þeirri orku frá sólinni sem nær til jarðar endurkastast næstum ${\frac{1}{3}}$ aftur út í geim en afgangurinn frásogast af lofthjúpnum og yfirborði jarðar. Hluti þeirrar orku sem jörðin gleypir er endurútgefið sem innrauð (IR) geislun og hluti hennar fer aftur út í gegnum lofthjúpinn og út í geim. Megnið af þessari innrauðu geislun frásogast hins vegar af ákveðnum lofttegundum í lofthjúpnum, sem í raun fanga varma innan lofthjúpsins í fyrirbæri sem kallast gróðurhúsaáhrif. Þessi áhrif halda meðalhita jarðar innan þess bils sem þarf til að viðhalda lífi á jörðinni. Án lofthjúpsins væri meðalhitastig jarðar meira en 30 °C (næstum 60 °F) lægra. Helstu gróðurhúsalofttegundirnar eru vatnsgufa, koldíoxíð, metan og óson. Frá iðnbyltingunni hefur mannleg virkni aukið styrk gróðurhúsalofttegunda, sem hefur breytt orkujafnvæginu og er að breyta loftslagi jarðar verulega (Mynd 9.24).

Mynd 9.24 Gróðurhúsalofttegundir fanga næga orku frá sólinni til að gera jörðina byggilega – þetta er þekkt sem gróðurhúsaáhrifin. Athafnir manna auka magn gróðurhúsalofttegunda, sem hitar jörðina og veldur öfgafyllri veðuratburðum.

Fyrir því liggja sterkar sannanir úr mörgum áttum að aukið magn CO₂ í andrúmsloftinu sé af mannavöldum og nemur bruni jarðefnaeldsneytis um ${\frac{3}{4}}$ af nýlegri aukningu CO₂. Áreiðanleg gögn úr ískjörnum sýna að styrkur CO₂ í andrúmsloftinu er sá hæsti sem mælst hefur síðastliðin 800.000 ár; aðrar sannanir benda til þess að hann gæti verið sá hæsti í 20 milljónir ára. Á undanförnum árum hefur styrkur CO₂ aukist úr ~280 ppm fyrir iðnbyltingu í meira en 400 ppm í dag (Mynd 9.25).

Mynd 9.25 Magn CO₂ síðastliðin 700.000 ár var yfirleitt á bilinu 200–300 ppm, með brattri, fordæmalausri aukningu síðastliðin 50 ár.

Efnafræðingur í brennidepli

Susan Solomon

Loftslags- og andrúmsloftsfræðingurinn Susan Solomon (Mynd 9.26) er höfundur einnar af bókum ársins að mati The New York Times (The Coldest March, 2001), ein af 100 áhrifamestu einstaklingum heims að mati Time tímaritsins (2008) og leiðtogi vinnuhóps hjá Milliríkjanefnd um loftslagsbreytingar (IPCC), sem hlaut friðarverðlaun Nóbels árið 2007. Hún hjálpaði til við að ákvarða og útskýra orsök myndunar ósonholsins yfir Suðurskautslandinu og hefur skrifað margar mikilvægar greinar um loftslagsbreytingar. Hún hefur hlotið æðstu vísindaheiðursmerki í Bandaríkjunum og Frakklandi (National Medal of Science og Grande Medaille, í sömu röð) og er meðlimur í Vísindaakademíu Bandaríkjanna, Konunglega breska vísindafélaginu, Frönsku vísindaakademíunni og Evrópsku vísindaakademíunni. Hún var áður prófessor við Háskólann í Colorado, en er nú við MIT og heldur áfram störfum sínum hjá NOAA.

Til að fá frekari upplýsingar, horfðu á þetta myndband um Susan Solomon.

Mynd 9.26 Rannsóknir Susan Solomon beinast að loftslagsbreytingum og hafa verið lykilatriði í að ákvarða orsök ósonholsins yfir Suðurskautslandinu. (heimild: National Oceanic and Atmospheric Administration)

Neðanmálsgreinar

„Tilvitnanir eftir Joseph-Louis Lagrange,“ síðast breytt í febrúar 2006, skoðað 10. febrúar 2015, http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Quotations/Lagrange.html ↩

Námsmarkmið