REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Samankaltaiset tiedostot
KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Erilaisia entalpian muutoksia

Reaktiosarjat

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Luku 13 KAASUSEOKSET

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Erilaisia entalpian muutoksia

PULLEAT JA VALTAVAT VAAHTOKARKIT

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

TKK, TTY, LTY, OY, TY, VY, ÅA / Insinööriosastot Valintakuulustelujen kemian koe

Teddy 1. välikoe kevät 2008

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

Lämpötila, lämpö energiana

PULLEAT VAAHTOKARKIT

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

Pituuden lämpötilalaajeneminen ja -kutistuminen

Leena Ylivuori ja Tarja Ihalin/ DFCL3/ LAB/ raportti/ webbiversio/ 8. kokonaisuus. 8. Lämpöoppi 1. : Tilanyhtälö

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Lämpötila ja lämpöenergia

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Joensuun yliopisto Kemian valintakoe/

Osio 1. Laskutehtävät

0, mol 8,3145 (273,15 37)K mol K. Heliumkaasun paine saadaan kaasujen tilanyhtälöstä pv = nrt. K mol kpa

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos


Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

TUNTEMATON KAASU. TARINA 1 Lue etukäteen argonin käyttötarkoituksista Jenni Västinsalon kandidaattitutkielmasta sivut Saa lukea myös kokonaan!

Yhdisteiden nimeäminen

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

KOTITEKOINEN PALOSAMMUTIN (OSA 1)

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Seoksen pitoisuuslaskuja

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN VALINTAKOE

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Lasku- ja huolimattomuusvirheet - ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

( ) ( ) on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen vaikutusala). Sijoittamalla numeroarvot saadaan vapaaksi matkaksi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

Transkriptio:

Kaasut REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Kaasu on yksi aineen olomuodosta. Kaasujen käyttäytymistä kokeellisesti tutkimalla on päädytty yksinkertaiseen malliin, ns. ideaalikaasuun. Määritelmä: Ideaalikaasu on yksinkertainen malli, joka kuvaa reaalikaasua. Kerrataan lyhyesti muutama fysiikan käsite ja kaasulait (4.- ja 2.-kurssit). Määritelmiä: Kimmoisa törmäys: Liikemäärä p = mv ja liike-energia E kin = 1 2 mv2 säilyvät. Kimmoton törmäys: Liikemäärä p säilyy, mutta liike-energia E kin ei säily. Täysin kimmoton törmäys: Kappaleet takertuvat toisiinsa. Liikemäärä p säilyy, mutta liike-energia E kin ei säily. Kaasulait: Boylen laki: Vakiolämpötilassa kaasun paine ja tilavuus ovat kääntäen verrannolliset, eli pv=vakio. Puhutaan isotermisestä tilanmuutoksesta. Charlesin laki: Vakiotilavuudessa kaasun paine on suoraan verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan (Kelvin-asteet), eli p =vakio. Puhutaan isokoorisesta T tilanmuutoksesta. Gay-Lussacin laki: Vakiopaineessa kaasusysteemin tilavuus on suoraan verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan (Kelvin-asteet), eli V T =vakio. Puhutaan isobaarisesta tilanmuutoksesta. 1

Aineen olomuodoista juuri kaasu on helpommin tutkittavissa fysikaalisin ja kemiallisin keinoin. Palautetaan mieleen tärkeät suureet, paine, tilavuus ja lämpötila. 1. Kaasun paine, p Aiheutuu molekyylien törmäyksistä astian seinämiin. Paine on voima jaettuna pinta-alalla, siis p = F. Yksikköjä ovat A Pascal Pa, bar ja atm. Normaali ilmanpaine on 101,325 kpa. 2. Kaasun tilavuus, V Kaasu täyttää aina koko astian, eli käytettävän tilan ja kaasun tilavuus on sama kuin astian tilavuus. 3. Kaasun lämpötila, T Kaikissa kaasulaskuissa käytetään absoluuttista lämpötila-asteikkoa, eli yksikkönä on Kelvin, K. Kaasulaskuissa käteviä yksikkömuunnoksia: 1 atm = 101,325 kpa = 1,01325 bar T K = t + 273,15 T = t K 273,15 Tarkastellaan näiden suureiden vaikutuksia kaasuun lyhyesti kuvien avulla. Tarkempi tarkastelu ja kuvaajien piirto p, V-koordinaatistoon fysiikan kursseilla! Sama ainemäärä n, T=vakio. Kun V pienenee, niin paine eli törmäykset seinämiin kasvaa. Havaitaan Boyle V 1 p V, T=vakio. Jos toisessa on suurempi p, on oltava suurempi ainemäärä n. (enemmän törmäyksiä). Siis havaitaan p n 2

Sama paine ja lämpötila eli p, T=vakio. Jos toisen astian V suurempi, on siellä oltava myös suurempi n. Siis havaitaan verrannollisuus V n V, n=vakio. Jos toisessa on suurempi T, sen rakenneosilla enemmän energiaa eli liikkuvat nopeammin enemmän törmäyksiä aikayksikköä kohden suurempi p. Siis havaitaan Charles p T Italialainen fyysikko Amadeo Avogadro tutki, miten eri kaasut käyttäytyvät, kun niillä on sama paine ja lämpötila. Hän esitti vuonna 1811 koetulostensa perusteella hypoteesinsa, tunnetaan nykyisin Avogadron lakina. Avogadron laki: Kaikki samoissa lämpötiloissa ja paineissa olevat kaasut sisältävät yhtä suurissa tilavuuksissa yhtä monta molekyyliä (=yhtä suuren ainemäärän). Siis V 1 = n 1, kun p ja T pysyvät vakiona. V 2 n 2 Heliumia Happea Metaania 3

Yhdistämällä eri kaasulait saadaan ns. kaasujen yleinen tilanyhtälö (erittäin käyttökelpoinen pitää osata!) pv = nrt, missä R on verrannollisuuskerroin, kutsutaan mooliseksi kaasuvakioksi. Huomaa, että R riippuu mitä paineen yksikköä käyttää. Nämä löytyvät MAOL:sta. J bar l R = 8,3145 = 0,083145 mol K mol K Muista 1 J = 1 N m = 1 Pa m 2 m = 1 Pa m 3. Kaasulaskuissa ja tarkasteluissa käytetään hyvin usein NTP-olosuhteita eli normaalitilaa (Normal pressure and temperature), jolloin normaalilämpötila on T 0 = 273,15 K ja normaalipaine p 0 = 1 atm = 101,325 kpa, lyhenne atm tulee sanasta atmosphere=ilmakehä, joka on yhtä suuri kuin keskimääräinen ilmanpaine merenpinnan tasolla Pariisin leveysasteella, sopimus v. 1954. Näissä olosuhteissa yhden kaasumoolin tilavuus eli kaasun moolitilavuus V m on vakio V m = V n = 22,41 l mol, V = V m n Laske tämä itsenäisesti kotona! 4

Esimerkki 1: Lämpötilan vaikutus veden olomuotoon ja tilavuuteen. Kuvassa on 1 mooli vettä kiinteänä, nesteenä ja kaasuna. Voit kokeilla miten paine vaikuttaa veden kiehumiseen Ota ruisku ja laita hieman vettä. Vedä mäntä ulospäin ja saat alipaineen. Miksi vesi alkaa kuplia eli kiehua? Esimerkki 2: 3,45 kuutiometrin kokoiseen typpisäiliöön imettiin vakuumipumpulla tyhjiö. Säiliön loppupaineeksi mitattiin 6,67 10 7 Pa ja lämpötilaksi 22. Laske säiliöön jääneen typpikaasun ainemäärä. Ratkaisu: Kaasujen yleisestä tilanyhtälöstä pv = nrt ratkaistaan ainemäärä n. Saadaan n = pv RT = 6,67 10 7 Pa 3,45 m 3 = 9,3770 J 10 10 mol 8,3145 mol K 273,15 + 22 K Esimerkki 3 (kaasun moolimassa): 62,6 mg erästä kaasumaista hiilivetyä on suljettu 34,9 cm 3 :n suuruiseen astiaan. Hiilivedyn paine on 102,9 kpa ja lämpötila on 100. a) Laske hiilivedyn moolimassa b) Polttoanalyysin perusteella hiilivedyssä on 88,82 m-% hiiltä ja 11,18 m-% vetyä. Mikä on yhdisteen molekyylikaava? c) Yhdisteen reaktio bromin Br 2 kanssa osoitti, että siinä on kaksi kaksoissidosta. Piirrä hiilivedyn viivakaava. 5

Ratkaisu: a) Kaasujen yleinen tilanyhtälö pv = nrt ja ainemäärän määritelmän n = m avulla voidaan laskea kaasun moolimassa M: M pv = nrt pv = m mrt RT M = M pv J 0,0626 g 8,3145 273,15 + 22 K M = mol K 102,9 kpa 0,000 0349 m 3 = 54,06 g mol b) Yhdisteen empiirinen kaava C 2 H 3 x : hiilen massa, m C = 0,8882 62,6 mg = 55,60132 mg ja vastaavasti vedyn massa, m H = 0,1118 62,6 mg = 6,99868 mg. Näin ollen ainemääriksi saadaan, n C = 0,05560132 g = 4,6 10 3 mol ja n H = 0,00699868 g = 6,9 12,01 g/mol 1,008 g/mol 10 3 mol. Siis, hiilen ja vedyn suhteiksi saadaan = 4,6 10 3 = 0,667 2. n H 6,9 10 3 3 Koska yhden C 2 H 3 yksikön moolimassa on 2 12,01 + 3 1,008 = 27,044, niin kerroin x:ksi tulee 54,06 27,044 = 1,9989 2. Molekyylikaavaksi tulee C 2 H 3 2 = C 4 H 6. c) Kyseinen hiilivety on 1,3-butadieeni. n C Esimerkki 4: Pekka ajoi Ferrarillaan koulusta kotiin. Matkalla kului 7,5 litraa bensiiniä (tiheys 0,71 kg/l). Oletetaan, että bensiini on oktaanin ja iso-oktaanin seosta, molekyylikaava C 8 H 18, ja se palaa täydellisesti. Laske matkan aikana muodostuneen hiilidioksidin ja vesihöyryn yhteistilavuus, kun palamiskaasujen lämpötila on 450 ja paine on 202 kpa. Ratkaisu: Suureet ja arvot: p = 202 kpa = 2,02 bar, R = 0,083145 bar dm3, mol K T = 450 + 273,15 K = 723,15 K, V C 8 H 18 = 7,5 l, ρ C 8 H 18 = 0,71 kg/l ja M C 8 H 18 = 114,224 g/mol. Bensiinin täydellistä palamista kuvaava tasapainotettu reaktioyhtälö on 2 C 8 H 18 g + 25 O 2 g 16 CO 2 g + 18 H 2 O g. Kuluneen bensiinin massa saadaan tiheyden ja tilavuuden kautta ρ = m V, eli m C 8 H 18 = ρ C 8 H 18 V C 8 H 18 = 0,71 kg/l 7,5 l = 5325 g, joten ainemääräksi tulee n C 8 H 18 = m C 8H 18 5 325 g = = 46,62 mol. M C 8 H 18 114,224 g/mol 6

Tasapainotetun reaktioyhtälön mukaan n CO 2 = 16 n C 8 H 18 2, n H 2 O = 18 n C 8 H 18 2, josta saadaan n CO 2 = 8 n C 8 H 18, n H 2 O = 9 n C 8 H 18, Eli n kaasut = n CO 2 + n H 2 O = 8 n C 8 H 18 + 9 n C 8 H 18 = 17 n C 8 H 18 = 17 46,62 mol = 792,5 mol. Kaasujen yleistä tilanyhtälöä hyödyntäen saadaan kaasujen tilavuudeksi V kaasut = nrt bar dm 792,5 mol R = 0,083145 3 = mol K 723,15 K p 2,02 bar = 23 590 dm 3 = 24 m 3. Kaasuseoksen kokonaispaine on osapaineiden summa, Daltonin laki. 7