IChO 1976 · Theory problem 6
Gas thermometer
Temperature in a larger room should be measured by means of a gaseous thermometer. A glass tube with the internal volume of 80 cm³ was for this purpose filled with nitrogen at a temperature of 20 °C and a pressure of 101.325 kPa. The tube was then slowly and steadily moved throughout the room. Due to the thermal expansion the gas at the higher temperature escapes from the tube and is captured above the liquid whose vapour pressure is negligible. The total volume of the gas escaped from the tube was 35 cm³ at a temperature of 20 °C and a pressure of 101.325 kPa.
Problems:
6.1 How many moles of nitrogen were used to fill the glass tube?
6.2 How many moles of nitrogen escaped from the tube at the higher temperature?
6.3 Calculate the average temperature in the room under investigation if the thermal expansion of the glass tube is assumed to be negligible.
6.4 Does anything change if instead of pure nitrogen, a mixture containing 50 volume % of nitrogen and 50 volume % of hydrogen is used?
Official English text of the problem.
Answers
- 6.1 Initially, \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) of nitrogen, \(\ce{N2}\),
N#N. - 6.2 Escaped nitrogen: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 The inferred room temperature is approximately \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\).
- 6.4 The inferred temperature and total mole amounts are unchanged for an ideal, nonreacting mixture. For a mixture that remains well mixed, nitrogen and hydrogen, \(\ce{H2}\),
[H][H], each contribute \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) initially and \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\) to the escaped gas.
Solution
Treat the gases as ideal and take their pressure during expansion to remain equal to the stated atmospheric pressure. Use
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
with the reference temperature
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
The initial volume of nitrogen is
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
Therefore,
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Thus,
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
The escaped gas is measured at the same reference temperature and pressure. Since the collecting liquid has negligible vapour pressure, no vapour-pressure correction is required.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Hence,
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
The amount remaining in the tube is
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Because both measured volumes refer to the same temperature and pressure,
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
The glass tube retains its volume of \(80\ \mathrm{cm^3}\). Applying the ideal gas law to its initial and heated states gives
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
Consequently,
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
Converting to Celsius,
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
Thus the intended thermometer result is
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
For an ideal mixture of nitrogen, \(\ce{N2}\), N#N, and hydrogen, \(\ce{H2}\), [H][H],
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
At a common temperature and pressure, volume fractions equal mole fractions. The specified mixture therefore has
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
The ideal gas law depends on the total amount of gas, irrespective of its molecular identity. Thus the initial total amount, escaped total amount, and inferred temperature remain unchanged.
The amount of nitrogen itself is halved. Assuming the escaping gas has the same composition as the well-mixed gas in the tube, each constituent has
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
and
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1976 · Theorieaufgabe 6
Gasthermometer
Die Temperatur in einem größeren Raum soll mit einem Gasthermometer gemessen werden. Dazu wurde ein Glasrohr mit einem Innenvolumen von 80 cm³ bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 101.325 kPa mit Stickstoff gefüllt. Anschließend wurde das Rohr langsam und gleichmäßig durch den gesamten Raum bewegt. Aufgrund der Wärmeausdehnung entweicht das Gas bei der höheren Temperatur aus dem Rohr und wird über einer Flüssigkeit aufgefangen, deren Dampfdruck vernachlässigbar ist. Das Gesamtvolumen des aus dem Rohr entwichenen Gases betrug bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 101.325 kPa 35 cm³.
Aufgaben:
6.1 Mit wie vielen Mol Stickstoff wurde das Glasrohr gefüllt?
6.2 Wie viele Mol Stickstoff entwichen bei der höheren Temperatur aus dem Rohr?
6.3 Berechnen Sie die mittlere Temperatur im untersuchten Raum unter der Annahme, dass die Wärmeausdehnung des Glasrohrs vernachlässigbar ist.
6.4 Ändert sich etwas, wenn anstelle von reinem Stickstoff ein Gemisch aus 50 Volumen-% Stickstoff und 50 Volumen-% Wasserstoff verwendet wird?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 6.1 Zu Beginn: \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) Stickstoff, \(\ce{N2}\),
N#N. - 6.2 Entwichener Stickstoff: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 Die ermittelte Raumtemperatur beträgt ungefähr \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\).
- 6.4 Die ermittelte Temperatur und die Gesamtstoffmengen bleiben für ein ideales, nicht reagierendes Gemisch unverändert. Bei einem Gemisch, das gut durchmischt bleibt, tragen Stickstoff und Wasserstoff, \(\ce{H2}\),
[H][H], jeweils zu Beginn \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) und zum entwichenen Gas \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\) bei.
Lösung
Die Gase werden als ideal betrachtet, und es wird angenommen, dass ihr Druck während der Ausdehnung gleich dem angegebenen Atmosphärendruck bleibt. Es gilt
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
mit der Bezugstemperatur
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
Das anfängliche Stickstoffvolumen beträgt
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
Daher gilt
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Somit ergibt sich
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
Das entwichene Gas wird bei derselben Bezugstemperatur und demselben Druck gemessen. Da der Dampfdruck der zum Auffangen verwendeten Flüssigkeit vernachlässigbar ist, ist keine Dampfdruckkorrektur erforderlich.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Daraus folgt
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
Die im Rohr verbleibende Stoffmenge beträgt
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Da sich beide gemessenen Volumina auf dieselbe Temperatur und denselben Druck beziehen, gilt
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
Das Glasrohr behält sein Volumen von \(80\ \mathrm{cm^3}\) bei. Die Anwendung der idealen Gasgleichung auf den Anfangszustand und den erwärmten Zustand ergibt
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
Folglich gilt
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
Die Umrechnung in Grad Celsius ergibt
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
Damit lautet das vorgesehene Messergebnis des Thermometers
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
Für ein ideales Gemisch aus Stickstoff, \(\ce{N2}\), N#N, und Wasserstoff, \(\ce{H2}\), [H][H], gilt
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sind die Volumenanteile gleich den Stoffmengenanteilen. Das angegebene Gemisch hat daher die Stoffmengenanteile
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
Die ideale Gasgleichung hängt von der Gesamtstoffmenge des Gases ab, unabhängig von der Art seiner Moleküle. Somit bleiben die anfängliche Gesamtstoffmenge, die entwichene Gesamtstoffmenge und die ermittelte Temperatur unverändert.
Die Stoffmenge des Stickstoffs selbst halbiert sich. Unter der Annahme, dass das entweichende Gas dieselbe Zusammensetzung wie das gut durchmischte Gas im Rohr hat, gilt für jede Komponente
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
und
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1976 · Teori sorusu 6
Gaz termometresi
Büyükçe bir odanın sıcaklığı bir gaz termometresi yardımıyla ölçülecektir. Bu amaçla iç hacmi 80 cm³ olan bir cam tüp, 20 °C sıcaklıkta ve 101.325 kPa basınçta azotla doldurulmuştur. Ardından tüp, odanın her yerinde yavaşça ve düzenli bir şekilde gezdirilmiştir. Isıl genleşme nedeniyle, daha yüksek sıcaklıktaki gaz tüpten çıkar ve buhar basıncı ihmal edilebilir olan bir sıvının üzerinde toplanır. Tüpten çıkan gazın toplam hacmi, 20 °C sıcaklıkta ve 101.325 kPa basınçta 35 cm³ olarak ölçülmüştür.
Sorular:
6.1 Cam tüpü doldurmak için kaç mol azot kullanılmıştır?
6.2 Daha yüksek sıcaklıkta tüpten kaç mol azot çıkmıştır?
6.3 Cam tüpün ısıl genleşmesinin ihmal edilebilir olduğu varsayımıyla, incelenen odanın ortalama sıcaklığını hesaplayınız.
6.4 Saf azot yerine hacimce %50 azot ve hacimce %50 hidrojen içeren bir karışım kullanılırsa herhangi bir şey değişir mi?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 6.1 Başlangıçta \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) azot, \(\ce{N2}\),
N#N. - 6.2 Tüpten çıkan azot: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 Hesaplanan oda sıcaklığı yaklaşık olarak \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\) olur.
- 6.4 İdeal ve tepkimeye girmeyen bir karışım için hesaplanan sıcaklık ve toplam mol miktarları değişmez. Homojenliğini koruyan bir karışımda azot ve hidrojenin, \(\ce{H2}\),
[H][H], her biri başlangıçta \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\), tüpten çıkan gazda ise \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\) bulunur.
Çözüm
Gazları ideal kabul ediniz ve genleşme sırasında basınçlarının belirtilen atmosfer basıncına eşit kaldığını varsayınız. Aşağıdaki bağıntıyı ve sabiti kullanınız:
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
Referans sıcaklığı ise şöyledir:
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
Azotun başlangıç hacmi şöyledir:
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
Dolayısıyla,
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Böylece,
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
Tüpten çıkan gaz, aynı referans sıcaklığı ve basıncında ölçülür. Gazın üzerinde toplandığı sıvının buhar basıncı ihmal edilebilir olduğundan, buhar basıncı düzeltmesi gerekmez.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Buradan,
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
Tüpte kalan gaz miktarı şöyledir:
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Ölçülen her iki hacim de aynı sıcaklık ve basınca ait olduğundan,
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
Cam tüpün hacmi \(80\ \mathrm{cm^3}\) olarak kalır. Başlangıçtaki ve ısıtılmış durumdaki gaza ideal gaz yasası uygulandığında şu eşitlik elde edilir:
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
Buna göre,
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
Celsius derecesine dönüştürüldüğünde,
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
Böylece termometre ölçümünden elde edilmesi amaçlanan sonuç şöyledir:
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
Azot, \(\ce{N2}\), N#N, ve hidrojenin, \(\ce{H2}\), [H][H], ideal bir karışımı için,
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
Aynı sıcaklık ve basınçta hacim kesirleri mol kesirlerine eşittir. Dolayısıyla belirtilen karışım için,
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
İdeal gaz yasası, gazın hangi moleküllerden oluştuğuna bakılmaksızın toplam gaz miktarına bağlıdır. Bu nedenle başlangıçtaki toplam miktar, tüpten çıkan toplam miktar ve hesaplanan sıcaklık değişmez.
Azotun kendi miktarı ise yarıya iner. Tüpten çıkan gazın, tüpteki homojen gaz karışımıyla aynı bileşime sahip olduğu varsayılırsa, her bir bileşen için şu miktarlar elde edilir:
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
ve
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1976 · Problema teórico 6
Termómetro de gas
Se desea medir la temperatura de una habitación grande mediante un termómetro de gas. Para ello, se llenó un tubo de vidrio de 80 cm³ de volumen interno con nitrógeno a una temperatura de 20 °C y una presión de 101.325 kPa. A continuación, se desplazó el tubo lenta y uniformemente por toda la habitación. Debido a la dilatación térmica, el gas a mayor temperatura sale del tubo y se recoge sobre un líquido cuya presión de vapor es despreciable. El volumen total del gas que salió del tubo fue de 35 cm³ a una temperatura de 20 °C y una presión de 101.325 kPa.
Preguntas:
6.1 ¿Cuántos moles de nitrógeno se utilizaron para llenar el tubo de vidrio?
6.2 ¿Cuántos moles de nitrógeno salieron del tubo a la temperatura más alta?
6.3 Calcule la temperatura media de la habitación estudiada suponiendo que la dilatación térmica del tubo de vidrio es despreciable.
6.4 ¿Cambia algo si, en lugar de nitrógeno puro, se utiliza una mezcla que contiene un 50 % en volumen de nitrógeno y un 50 % en volumen de hidrógeno?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 6.1 Inicialmente, \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) de nitrógeno, \(\ce{N2}\),
N#N. - 6.2 Nitrógeno que salió del tubo: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 La temperatura deducida de la habitación es aproximadamente \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\).
- 6.4 La temperatura deducida y las cantidades totales de moles no cambian para una mezcla ideal en la que no se producen reacciones. Para una mezcla que se mantiene homogénea, el nitrógeno y el hidrógeno, \(\ce{H2}\),
[H][H], aportan cada uno \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) inicialmente y \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\) al gas que salió del tubo.
Solución
Se consideran los gases ideales y se supone que su presión durante la expansión permanece igual a la presión atmosférica indicada. Se utiliza
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
con la temperatura de referencia
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
El volumen inicial de nitrógeno es
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
Por tanto,
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Así,
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
El gas que salió del tubo se mide a la misma temperatura y presión de referencia. Como la presión de vapor del líquido sobre el que se recoge el gas es despreciable, no es necesario aplicar ninguna corrección por la presión de vapor.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
La cantidad que queda en el tubo es
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Como ambos volúmenes medidos corresponden a la misma temperatura y presión,
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
El tubo de vidrio conserva su volumen de \(80\ \mathrm{cm^3}\). Al aplicar la ley de los gases ideales a su estado inicial y a su estado tras el calentamiento, se obtiene
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
En consecuencia,
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
Al convertir a grados Celsius,
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
Así, el resultado buscado de la medición con el termómetro es
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
Para una mezcla ideal de nitrógeno, \(\ce{N2}\), N#N, e hidrógeno, \(\ce{H2}\), [H][H],
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
A la misma temperatura y presión, las fracciones en volumen son iguales a las fracciones molares. Por tanto, la mezcla especificada tiene
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
La ley de los gases ideales depende de la cantidad total de gas, independientemente de su identidad molecular. Por tanto, la cantidad total inicial, la cantidad total que salió del tubo y la temperatura deducida no cambian.
La cantidad de nitrógeno propiamente dicha se reduce a la mitad. Suponiendo que el gas que sale tiene la misma composición que el gas homogéneamente mezclado en el tubo, a cada componente le corresponden
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
y
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1976 · 理论题 6
气体温度计
需要用气体温度计测量一个较大房间内的温度。为此,在温度为 20 °C、压力为 101.325 kPa 的条件下,向一根内部容积为 80 cm³ 的玻璃管中充入氮气。随后,将玻璃管缓慢、平稳地移动,遍及整个房间。由于热膨胀,温度升高后的气体从管中逸出,并收集在一种蒸气压可忽略不计的液体上方。从管中逸出的气体在温度为 20 °C、压力为 101.325 kPa 时的总体积为 35 cm³。
问题:
6.1 充满玻璃管所用的氮气有多少摩尔?
6.2 温度升高后,从管中逸出的氮气有多少摩尔?
6.3 假设玻璃管的热膨胀可以忽略不计,计算所测房间内的平均温度。
6.4 如果不用纯氮气,而使用含有体积分数为 50% 的氮气和体积分数为 50% 的氢气的混合气体,结果是否会发生变化?
题目译自官方英文原文。
答案
- 6.1 初始时,氮气(\(\ce{N2}\),
N#N)的物质的量为 \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\)。 - 6.2 逸出氮气的物质的量:\(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\)。
- 6.3 推算出的室温约为 \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\)。
- 6.4 对于不发生反应的理想混合气体,推算出的温度和总物质的量均不变。若混合气体始终混合均匀,则氮气和氢气(\(\ce{H2}\),
[H][H])各自的初始物质的量均为 \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\),各自在逸出气体中的物质的量均为 \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\)。
解答
将这些气体视为理想气体,并认为它们在膨胀过程中的压力始终等于题目给定的大气压。使用
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
其中参考温度为
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
氮气的初始体积为
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
因此,
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
由此得
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
逸出气体的体积是在相同的参考温度和压力下测量的。由于收集气体所用液体的蒸气压可忽略不计,因此不需要进行蒸气压校正。
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
管中剩余气体的物质的量为
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
由于两个测得的体积均对应相同的温度和压力,
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
玻璃管的容积保持为 \(80\ \mathrm{cm^3}\)。将理想气体状态方程应用于管内气体的初始状态和受热后的状态,得到
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
因此,
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
换算为摄氏温度,
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
因此,按题意得到的温度计测量结果为
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
对于氮气(\(\ce{N2}\),N#N)和氢气(\(\ce{H2}\),[H][H])组成的理想混合气体,
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
在相同的温度和压力下,体积分数等于摩尔分数。因此,题目给定的混合气体满足
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
理想气体状态方程取决于气体的总物质的量,与其分子的种类无关。因此,初始总物质的量、逸出气体的总物质的量以及推算出的温度均保持不变。
氮气本身的物质的量减半。假设逸出气体的组成与管内混合均匀的气体相同,则每种组分均有
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
以及
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1976 · Теоретическая задача 6
Газовый термометр
Температуру в большом помещении необходимо измерить с помощью газового термометра. Для этого стеклянную трубку внутренним объёмом 80 см³ заполнили азотом при температуре 20 °C и давлении 101.325 кПа. Затем трубку медленно и равномерно перемещали по всему помещению. Вследствие теплового расширения газ при более высокой температуре выходит из трубки и собирается над жидкостью, давлением паров которой можно пренебречь. Общий объём газа, вышедшего из трубки, составил 35 см³ при температуре 20 °C и давлении 101.325 кПа.
Вопросы:
6.1 Сколько молей азота было использовано для заполнения стеклянной трубки?
6.2 Сколько молей азота вышло из трубки при более высокой температуре?
6.3 Рассчитайте среднюю температуру в исследуемом помещении, считая тепловое расширение стеклянной трубки пренебрежимо малым.
6.4 Изменится ли что-либо, если вместо чистого азота использовать смесь, содержащую 50 объёмных % азота и 50 объёмных % водорода?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 6.1 Первоначально: \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) азота, \(\ce{N2}\),
N#N. - 6.2 Вышедший азот: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 Рассчитанная температура помещения составляет приблизительно \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\).
- 6.4 Для идеальной смеси, компоненты которой не вступают в химическую реакцию, рассчитанная температура и общее количество вещества не изменяются. Если смесь остаётся однородной, количество вещества каждого из компонентов — азота и водорода, \(\ce{H2}\),
[H][H], — первоначально составляет \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\), а в вышедшем газе — \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\).
Решение
Будем считать газы идеальными, а их давление при расширении — постоянным и равным указанному атмосферному давлению. Используем
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
при исходной температуре
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
Начальный объём азота равен
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
Следовательно,
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
Объём вышедшего газа измеряют при тех же исходных температуре и давлении. Поскольку давлением паров жидкости, над которой собирают газ, можно пренебречь, поправка на давление паров не требуется.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Отсюда
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
Количество вещества газа, оставшегося в трубке, равно
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Поскольку оба измеренных объёма относятся к одним и тем же температуре и давлению,
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
Объём стеклянной трубки остаётся равным \(80\ \mathrm{cm^3}\). Применяя уравнение состояния идеального газа к начальному состоянию газа и его состоянию после нагревания, получаем
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
Следовательно,
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
Переводя в градусы Цельсия, получаем
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
Таким образом, предполагаемый результат измерения этим термометром составляет
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
Для идеальной смеси азота, \(\ce{N2}\), N#N, и водорода, \(\ce{H2}\), [H][H],
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
При одинаковых температуре и давлении объёмные доли равны мольным долям. Поэтому для указанной смеси
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
Уравнение состояния идеального газа зависит от общего количества вещества газа независимо от природы его молекул. Поэтому начальное общее количество вещества, общее количество вещества вышедшего газа и рассчитанная температура остаются неизменными.
Количество вещества самого азота уменьшается вдвое. Если предположить, что состав выходящего газа совпадает с составом однородной газовой смеси в трубке, то для каждого компонента
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
и
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1976 · مسألة نظرية 6
المحرار الغازي
يُراد قياس درجة الحرارة في غرفة كبيرة باستخدام محرار غازي. ولهذا الغرض، مُلئ أنبوب زجاجي حجمه الداخلي 80 cm³ بالنيتروجين عند درجة حرارة 20 °C وضغط 101.325 kPa. ثم حُرّك الأنبوب ببطء وبانتظام في جميع أنحاء الغرفة. وبسبب التمدد الحراري، يخرج الغاز من الأنبوب عند درجة الحرارة الأعلى ويُجمع فوق سائل ضغط بخاره مهمل. وكان الحجم الكلي للغاز الذي خرج من الأنبوب 35 cm³ عند درجة حرارة 20 °C وضغط 101.325 kPa.
المطلوب:
6.1 كم عدد مولات النيتروجين التي استُخدمت لملء الأنبوب الزجاجي؟
6.2 كم عدد مولات النيتروجين التي خرجت من الأنبوب عند درجة الحرارة الأعلى؟
6.3 احسب متوسط درجة الحرارة في الغرفة قيد الدراسة، بافتراض أن التمدد الحراري للأنبوب الزجاجي مهمل.
6.4 هل يتغير شيء إذا استُخدم، بدلًا من النيتروجين النقي، خليط يحتوي على 50 % حجميًا من النيتروجين و50 % حجميًا من الهيدروجين؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 6.1 في البداية، \(3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) من النيتروجين، \(\ce{N2}\)،
N#N. - 6.2 النيتروجين الذي خرج: \(1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\).
- 6.3 درجة حرارة الغرفة المستنتجة هي تقريبًا \(\boxed{521\ \mathrm{K}=248\ ^\circ\mathrm{C}}\).
- 6.4 لا تتغير درجة الحرارة المستنتجة ولا أعداد المولات الكلية عند استخدام خليط مثالي غير متفاعل. وبالنسبة إلى خليط يظل متجانسًا، يسهم كل من النيتروجين والهيدروجين، \(\ce{H2}\)،
[H][H]، بمقدار \(1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) في البداية وبمقدار \(7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}\) في الغاز الذي خرج.
الحل
نعتبر الغازات مثالية، ونفترض أن ضغطها أثناء التمدد يظل مساويًا للضغط الجوي المذكور. نستخدم
\[ pV=nRT, \qquad R=8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \]
مع درجة الحرارة المرجعية
\[ T_0=20+273.15=293.15\ \mathrm{K}. \]
6.1
الحجم الابتدائي للنيتروجين هو
\[ V_0=80\ \mathrm{cm^3}=0.080\ \mathrm{L}. \]
وعليه،
\[ n_0=\frac{pV_0}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.080\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =3.3259\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
إذن،
\[ \boxed{n_0\approx3.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.2
يُقاس الغاز الذي خرج عند درجة الحرارة والضغط المرجعيين نفسيهما. ولأن ضغط بخار سائل التجميع مهمل، فلا يلزم إجراء أي تصحيح لضغط البخار.
\[ n_{\mathrm{escaped}} =\frac{pV_{\mathrm{escaped}}}{RT_0} =\frac{(101.325\ \mathrm{kPa})(0.035\ \mathrm{L})} {(8.314\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}})(293.15\ \mathrm{K})} =1.4551\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{n_{\mathrm{escaped}}\approx1.46\times10^{-3}\ \mathrm{mol}}. \]
6.3
كمية المادة المتبقية في الأنبوب هي
\[ n_{\mathrm{remaining}} =n_0-n_{\mathrm{escaped}} =1.8708\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
ولأن كلا الحجمين المقاسين يعود إلى درجة الحرارة والضغط نفسيهما،
\[ \frac{n_{\mathrm{remaining}}}{n_0} =\frac{80-35}{80} =\frac{45}{80}. \]
يحتفظ الأنبوب الزجاجي بحجمه البالغ \(80\ \mathrm{cm^3}\). وبتطبيق قانون الغاز المثالي على حالته الابتدائية وحالته بعد التسخين نحصل على
\[ pV_0=n_0RT_0=n_{\mathrm{remaining}}RT. \]
وبالتالي،
\[ T=T_0\frac{n_0}{n_{\mathrm{remaining}}} =293.15\ \mathrm{K}\times\frac{80}{45} =521.16\ \mathrm{K}. \]
وبالتحويل إلى الدرجة المئوية،
\[ t=(521.16-273.15)\ ^\circ\mathrm{C} =248.01\ ^\circ\mathrm{C}. \]
إذن، النتيجة المقصودة لقياس المحرار هي
\[ \boxed{T\approx521\ \mathrm{K},\qquad t\approx248\ ^\circ\mathrm{C}}. \]
6.4
بالنسبة إلى خليط مثالي من النيتروجين، \(\ce{N2}\)، N#N، والهيدروجين، \(\ce{H2}\)، [H][H]،
\[ pV=\left(n_{\ce{N2}}+n_{\ce{H2}}\right)RT. \]
عند درجة حرارة وضغط مشتركين، تساوي الكسور الحجمية الكسور المولية. ولذلك، يكون للخليط المحدد
\[ x_{\ce{N2}}=x_{\ce{H2}}=0.50. \]
يعتمد قانون الغاز المثالي على كمية المادة الكلية للغاز، بصرف النظر عن هوية جزيئاته. لذا تظل كمية المادة الكلية الابتدائية، وكمية المادة الكلية التي خرجت، ودرجة الحرارة المستنتجة دون تغيير.
أما كمية مادة النيتروجين نفسه فتنخفض إلى النصف. وبافتراض أن الغاز الخارج له التركيب نفسه الذي للغاز المتجانس في الأنبوب، فإن لكل مكوّن
\[ n_{i,0}=\frac{n_0}{2} \approx1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
و
\[ n_{i,\mathrm{escaped}} =\frac{n_{\mathrm{escaped}}}{2} \approx7.28\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.