Закон Дальтона

До сих пор мы говорили о дав­лении какого-нибудь одного газа — кислорода, водорода и т. п. Но в природе и в технике мы очень часто имеем дело со смесью нескольких газов. Самый важный пример этого — воздух, яв­ляющийся смесью азота, кислорода, аргона, углекислого газа и других газов. От чего зависит давление сме­си газов?

Рисунок 3- Описание опыта с фосфором

Поместим в колбу кусок вещест­ва, химически связывающего кисло­род из воздуха (например, фосфор), и быстро закроем колбу пробкой с труб­кой. присоединенной к ртутному ма­нометру. Через некоторое время весь кислород воздуха соеди­нится с фосфором. Мы увидим, что манометр покажет меньшее давление, чем до удаления кислорода. Значит, присутствие кислорода в воздухе уве­личивает его давление.

Точное исследование давления смеси газов было впервые произведено английским химиком Джоном Дальтоном (1766—1844) в 1809 г. Давление, которое имел бы каждый из газов, составляющих смесь, если бы удалить остальные газы из объема, занимаемого смесью, называют парциальным давлением этого газа. Дальтон нашел, что давление смеси газов равно сумме парциальных давлений их (закон Дальтона). Заметим, что к сильно сжатым газам закон Дальтона неприменим, так же как и закон Бойля — Мариотта.

Как истолковать закон Дальтона с точки зрения молеку­лярной теории, скажу немного далее.

Плотности газов

Плотность газа является одной из важнейших характеристик его свойств. Говоря о плот­ности газа, обычно имеют в виду его плотность при нор­мальных условиях (т. е. при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.). Кроме того, часто пользуются относитель­ной плотностью газа, под которой подразумевают отноше­ние плотности данного газа к плотности воздуха при тех же условиях. Легко видеть, что относительная плотность газа не зависит от условий, в которых он находится, так как сог­ласно законам газового состояния объемы всех газов меняются при изменениях давления и температуры одинаково.

Таблица 3- Плотности некоторых газов

Определение плотности газа можно осуществить так. Взвесим колбу с краном дважды: один раз откачав из нее по возможности полностью воздух, другой раз наполнив колбу исследуемым газом до давления, которое должно быть известно. Разделив разность весов на объем колбы, который надо определить предварительно, найдем плотность газа при данных условиях. Затем, пользуясь уравнением состоя­ния газов, легко найдем плотность газа при нормальных условиях d_н. Действительно, положим в формуле (10) Р₂==Р_н, V₂=V_н, Т₂=Т_н и, умножив числитель и знаменатель

формулы на массу газа m, получим:

Отсюда, принимая во внимание, что и находим:

Результаты измерений плотности некоторых газов приве­дены в таблице выше.

Последние два столбца указывают на пропорциональ­ность между плотностью газа и его молекулярным весом (в случае гелия — атомным весом).

Закон Авогадро

Сравнивая числа предпоследнего столбца таблицы с молекулярными весами рассматривае­мых газов, легко заметить, что плотности газов при одина­ковых условиях пропорциональны их молекулярным весам. Из этого факта следует весьма существенный вывод. Так как молекулярные веса относятся как массы молекул, то

, где d – плотность газов, а m – массы их молекул.

массы их молекул. С другой стороны, массы газов М₁ и М₂, заключенных в одинаковых объемах V, относятся как плотности их:

(11)

обозначив числа молекул первого и второго газов, за­ключенных в объеме V, буквами N₁ и N₂, можем написать, что общая масса газа равна массе одной его молекулы, умно­женной на число молекул: М₁=т₁N₁ и М₂=т₂N₂ поэтому

Сопоставляя этот результат с формулой , найдем,

что N₁=N₂. Итак, при одинаковых, давлении и температуре равные объемы различных газов содержат одинаковые числа молекул.

Этот закон был открыт итальянским химиком Амедео Авогадро (1776—1856) на основании химических исследований. Он относится к газам, сжатым не очень сильно (напри­мер, к газам под атмосферным давлением). В случае сильно сжатых газов считать его справедливым нельзя.

Закон Авогадро означает, что давление газа при опреде­ленной температуре зависит только от числа молекул в еди­нице объёма газа, но не зависит от того, какие это молеку­лы тяжелые или легкие. Уяснив это, легко понять суть закона Дальтона. Согласно закону Бойля — Мариотта, если мы увеличиваем плотность газа, т. е. добавляем в определен­ный объем некоторое число молекул этого газа, мы увеличи­ваем давление газа. Но согласно закону Авогадро, такое же повышение давления должно быть получено, если мы вместо добавления молекул первого газа добавим такое же число молекул другого газа. Именно в этом и состоит закон Даль­тона, который утверждает, что можно увеличить давление газа, добавляя в тот же объем молекулы другого газа, и если число добавленных молекул то же, что и в первом случае, то получится то же самое увеличение давления. Ясно, что закон Дальтона является прямым следствием закона Авогадро[15].