§ 18. Відносна густина газу

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яка відмінність між густиною та відносною густиною газу?

Густина газу ($\rho$) показує масу в одиниці об’єму і має розмірність (наприклад, $\text{г/л}$, $\text{г/см}^3$). Відносна густина ($D$) — безрозмірна величина: вона вказує, у скільки разів один газ важчий за інший за однакових температури й тиску.

Як установити, легший чи важчий газ за повітря?

Порівняйте молярну масу газу ($M$) із середньою молярною масою повітря — $29 \text{ г/моль}$. Газ із більшою молярною масою важчий за повітря, із меншою — легший.

Як використовують відносну густину газу в розв’язуванні задач?

Її застосовують для знаходження молярної маси невідомого газу: $M(B) = D_A(B) \cdot M(A)$. Також вона допомагає вибрати спосіб збирання газу витісненням повітря (отвором пробірки догори чи донизу).

Чи можна за допомогою аналогічних обчислень з’ясувати, у скільки разів алюміній легший за свинець, а гліцерин важчий за етиловий спирт? Відповідь аргументуйте.

Ні. Закон Авогадро діє лише для газів. У рівних об’ємах твердих речовин або рідин кількість частинок різна. Тому їх порівнюють за звичайною густиною ($\rho$), а не за молярною масою ($M$).

Обчисліть відносну густину вуглекислого газу за гелієм.

Молярна маса $CO_2$ — $44 \text{ г/моль}$, $He$ — $4 \text{ г/моль}$. Розрахунок:
$$D_{He}(CO_2) = \dfrac{44}{4} = 11$$

ДОСЛІДЖУЄМО ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

Доведіть, що водень і метан легші від повітря.

Молярна маса повітря — $29 \text{ г/моль}$. Молярна маса водню ($H_2$) — $2 \text{ г/моль}$, метану ($CH_4$) — $16 \text{ г/моль}$. Оскільки $2 < 29$ і $16 < 29$, обидва гази легші за повітря.

На малюнку — п’ять кульок з газами ($He$, $HCl$, $Ar$, $NH_3$, $SO_2$). Якщо газ легший за повітря, зобразіть у зошиті кульку з газом, яка рухається вгору, а якщо газ важчий за повітря, зобразіть кульку, що рухається вниз.

Вгору рухатимуться кульки з легшими за повітря газами: гелієм ($He$, $M=4$) та амоніаком ($NH_3$, $M=17$). Вниз опустяться важчі за повітря гази: хлороводень ($HCl$, $M=36,5$), аргон ($Ar$, $M=40$) і сірчистий газ ($SO_2$, $M=64$).

Чому кисень, який важчий від повітря, не накопичується біля земної поверхні, а легший від повітря азот не піднімається вгору?

Гази не утворюють шарів завдяки дифузії та постійному перемішуванню повітря вітрами й конвекцією. Це робить склад нижніх шарів атмосфери однорідним.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про відносну густину газу, її обчислення та використання.

Відносна густина — безрозмірна величина, що вказує, у скільки разів один газ важчий за інший за однакових умов. Формула:
$$D_A(B) = \dfrac{M(B)}{M(A)}$$
Показник потрібен для вибору способу збирання газів та розпізнавання невідомих речовин.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Запитання: Чи зміниться напрямок руху кульки з амоніаком, якщо перенести її з повітря у вуглекислий газ?
Відповідь: Ні, вона рухатиметься вгору.
Пояснення: Молярна маса амоніаку ($17 \text{ г/моль}$) менша і за повітря ($29$), і за $CO_2$ ($44$). У вуглекислому газі виштовхувальна сила лише зросте.

ПЕРЕВІР СЕБЕ

189. Порівняйте величини «відносна густина» і «густина».

Густина ($\rho$) — це відношення маси до об’єму з конкретними одиницями вимірювання ($\text{г/л}$). Відносна густина ($D$) — безрозмірне відношення мас рівних об’ємів двох газів або їхніх молярних мас.

190. Обчисліть відносну густину за воднем газів із такими формулами: $He$, $Ne$, $CH_4$, $NH_3$, $N_2$, $CO$, $SiH_4$, $SO_2$. (Усно.)

Відносна густина за воднем ($D_{H_2} = M/2$):

• Гелій ($He$): $4/2 = 2$
• Неон ($Ne$): $20/2 = 10$
• Метан ($CH_4$): $16/2 = 8$
• Амоніак ($NH_3$): $17/2 = 8,5$
• Азот ($N_2$): $28/2 = 14$
• Чадний газ ($CO$): $28/2 = 14$
• Силан ($SiH_4$): $32/2 = 16$
• Сірчистий газ ($SO_2$): $64/2 = 32$

ПОМІРКУЙМО

191. Чому відносну густину газу наводять, не вказуючи умови — тиск і температуру?

Зміна тиску чи температури однаково впливає на густину й молярний об’єм обох газів, тому їхнє співвідношення завжди залишається сталим.

192. Відносна густина за воднем газоподібної простої речовини становить 24. Яка хімічна формула цієї речовини?

Розрахунок молярної маси:
$$M = 24 \cdot 2 = 48 \text{ г/моль}$$
Це відповідає озону ($O_3$, $16 \cdot 3 = 48$).
Відповідь: $O_3$.

193. Укажіть напрямок переміщення в повітрі: а) газу хлору $Cl_2$, який використовували в хімічних атаках у Першій світовій війні; б) газу амоніаку $NH_3$ в разі аварії на хімічному заводі.

а) Хлор ($Cl_2$, $M=71$) важчий за повітря ($M=29$), тому опускатиметься в низини.
б) Амоніак ($NH_3$, $M=17$) легший за повітря, тому підніматиметься.

АНАЛІЗУЙМО

194. Один зі способів збирання газу в хімічному досліді — витиснення ним повітря з посудини. Оберіть варіант розміщення пробірки (мал. 49), у яку збиратимете: а) вуглекислий газ; б) водень; в) метан $CH_4$.

а) $CO_2$ важчий за повітря — збирають отвором догори.
б) $H_2$ легший за повітря — отвором донизу.
в) $CH_4$ легший за повітря — отвором донизу.

ПОЯСНЮЙМО

195. Чому відносна густина суміші газу етилену $C_2H_4$ з чадним газом $CO$ не залежить від її кількісного складу?

Етилен ($C_2H_4$) і чадний газ ($CO$) мають однакову молярну масу — $28 \text{ г/моль}$. Тому середня молярна маса їхньої суміші завжди дорівнює $28 \text{ г/моль}$, незалежно від пропорцій.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

196. Обчисліть густину повітря за нормальних умов.

Густина дорівнює відношенню молярної маси до молярного об’єму:
$$\rho = \dfrac{29}{22,4} \approx 1,29 \text{ г/л}$$

197. Відносна густина газу А за повітрям становить 1,59. Обчисліть відносну молекулярну масу цього газу.

Дано:
$D_{\text{пов}}(A) = 1,59$
$M(\text{повітря}) = 29 \text{ г/моль}$

Знайти:
$M(A) – ?$

Розв’язання:
$M(A) = 1,59 \cdot 29 \approx 46,1 \text{ г/моль}$.
Отже, $M_r(A) \approx 46,1$.

Відповідь: 46,1.

198. Є газ, який легший за повітря в 1,7 раза. Важчий чи легший він за метан $CH_4$ й у скільки разів?

Дано:
$M(\text{пов})/M(X) = 1,7$
$M(CH_4) = 16 \text{ г/моль}$

Знайти:
$M(X) : M(CH_4) – ?$

Розв’язання:
Молярна маса газу $X$: $M(X) = 29 / 1,7 \approx 17,06 \text{ г/моль}$.
Відношення до метану: $17,06 / 16 \approx 1,07$.

Відповідь: газ важчий за метан у 1,07 раза.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

199. Маса газу Х об’ємом 2 л становить 3,75 г, а маса такого самого об’ємом газу Y — 2,32 г. Обчисліть густину газу Х, а також його відносну густину за газом Y.

Дано:
$V = 2 \text{ л}$
$m(X) = 3,75 \text{ г}$
$m(Y) = 2,32 \text{ г}$

Знайти:
$\rho(X) – ?$
$D_Y(X) – ?$

Розв’язання:
$\rho(X) = 3,75 / 2 = 1,875 \text{ г/л}$.
$\rho(Y) = 2,32 / 2 = 1,16 \text{ г/л}$.
$D_Y(X) = 1,875 / 1,16 \approx 1,62$.

Відповідь: 1,875 г/л; 1,62.

200. Газ об’ємом 1 л за нормальних умов має масу 1,96 г. Обчисліть відносну густину цього газу за азотом.

Дано:
$V = 1 \text{ л}$
$m = 1,96 \text{ г}$
$V_M = 22,4 \text{ л/моль}$
$M(N_2) = 28 \text{ г/моль}$

Знайти:
$D_{N_2} – ?$

Розв’язання:
Кількість речовини: $n = 1 / 22,4 \approx 0,0446 \text{ моль}$.
Молярна маса: $M = 1,96 / 0,0446 \approx 44 \text{ г/моль}$.
Відносна густина: $D_{N_2} = 44 / 28 \approx 1,57$.

Відповідь: 1,57.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

201. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Відносна густина газу — relative gas density
• Густина — density
• Молярна маса — molar mass
• Середня молярна маса повітря — average molar mass of air
• Нормальні умови — standard conditions (STP)

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

202. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Приклад заповненої таблиці: