Comment mesurer la densité des gaz?

Pour trouver une densité de gaz donnée, divisez la masse molaire du gaz par le volume molaire (22,4 L/mol dans ce cas).

La densité est définie comme la quantité de masse présente dans un volume donné. Pour les solides et les liquides, il s'agit d'une mesure assez simple. Cependant, les gaz sont extrêmement sensibles à la température et à la pression (plus que les solides ou les liquides), ce qui peut faire changer leur densité assez rapidement. Si vous déterminez la densité expérimentalement, vous devrez tenir compte de cette sensibilité à la température et à la pression. Si vous avez l'intention de trouver la densité théorique d'un gaz, vous devrez utiliser la loi des gaz parfaits pour tenir compte de toutes les variables.

Méthode 1 sur 3: déterminer la densité du gaz expérimentalement

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Remplissez un ballon. Un ballon est conçu pour être gonflé au gaz, ce qui en fait le récipient idéal pour stocker une quantité fixe de gaz. Vous pouvez remplir le ballon d'air à l'aide d'une pompe, ou vous pouvez choisir un autre type de gaz comme l'hélium ou l'azote. Une fois le ballon rempli, attachez l'extrémité pour qu'aucun gaz ne s'échappe.
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Immerger complètement le ballon dans un récipient transparent. Ensuite, plongez le ballon dans un récipient d'eau. Le ballon fera monter le niveau de l'eau. Marquez la nouvelle hauteur d'eau et retirez le ballon.
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Mesurez la quantité d'eau déplacée. Utilisez un instrument de mesure (par exemple, une tasse ou un bécher) pour mesurer la quantité d'eau nécessaire pour remplir le récipient jusqu'à la marque (sans le ballon dans l'eau). Versez lentement. Si vous versez trop, vous devrez recommencer. Le volume du ballon est égal au volume d'eau que vous ajoutez. Enregistrez cette valeur pour une utilisation ultérieure en tant que V.
- Vous pouvez gagner du temps en immergeant le ballon dans un grand bécher ou un autre récipient pré-mesuré. Ensuite, vous pouvez ignorer l'ajout d'eau et soustraire simplement le volume d'eau du volume d'eau et de ballon.
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Peser le ballon rempli de gaz. Vous pouvez peser le ballon à l'aide d'une balance sensible. Les balances électriques sont généralement les meilleures pour cette application. Enregistrez le poids du ballon rempli de gaz pour une utilisation ultérieure en m _Go.
- Si vous remplissez le ballon avec un gaz plus léger que l'air, vous devrez peser la prise avant et après avoir rempli le ballon pour déterminer la quantité de gaz utilisée.
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Trouvez la masse du ballon vide. Percez un trou dans le ballon. Cela permettra au gaz de s'échapper. Pesez à nouveau le ballon et notez le poids du ballon vide en tant que m _B.
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Faites les calculs. Maintenant que vous avez suffisamment de données, vous pouvez calculer la densité du gaz à l'intérieur du ballon. Soustraire le poids du ballon vide, m _B, du poids du ballon plein, m _GB. Cela vous donnera la masse du gaz seul, m _G. Divisez la masse du gaz, m _G, par le volume, V, du gaz pour trouver la densité du gaz, D _G.
- m _Go - m _B = m _G
  - Par exemple, si le ballon plein avait une masse de 1 kg et le ballon vide avait une masse de 0,5 kg, la masse du gaz (m _G) serait trouvée par: 1 kg - 0,5 kg = 0, 5kg.
- m _G / V = D _G
  - Par exemple, si le ballon a déplacé 1 L d'eau, la densité pourrait être trouvée en divisant la masse par ce volume: 500 g / 1 L = 500g/L

En connaissant le ratio de vos gaz, vous pouvez trouver la masse molaire de votre mélange.

Méthode 2 sur 3: trouver la densité théorique d'un gaz

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Comprendre la loi des gaz parfaits. Il faut savoir que la loi des gaz parfaits est un outil théorique qui régit le comportement des gaz dans des conditions spécifiques. Vous pouvez le résumer dans l'équation PV=nRT. Cela signifie simplement que la pression (P) multipliée par le volume (V) est égale au nombre de moles (n) fois la constante de gaz parfait (R) fois la température absolue (T) pour un gaz parfait.
- Une mole (n) est égale à 6 022*10^23 molécules de gaz.
- La constante des gaz parfaits (R) est de 0,0821 L·atm/mol·K.
- La température absolue est mesurée en Kelvins (K).
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Supposons une température et une pression standard. La température et la pression standard, ou STP, sont définies comme 273 K (0°C) (0°C) et 1 atmosphère standard (1,0 bar). En supposant que STP vous permet de calculer le volume de 1 mole de n'importe quel gaz à 22414 litres. Connaître ce volume sera impératif pour trouver la densité de votre gaz.
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Trouvez la masse molaire du gaz. Étant donné que vous utilisez STP et que vous supposez une mole de gaz, la recherche de la masse molaire sera facile. Ajoutez la masse molaire de tous les atomes individuels qui composent votre gaz pour trouver la masse molaire du gaz. Les masses atomiques peuvent être trouvées sur le tableau périodique.
- Par exemple, trouver la masse molaire du gaz H ₂ O reviendrait à additionner les masses de 2 hydrogènes et 1 oxygène. La masse molaire résultante serait de 18 g/mol (1 g/mol + 1 g/mol + 16 g/mol).
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Calculer la densité du gaz. Bien que le volume et les moles de gaz soient fixes dans ces calculs, la masse molaire est différente pour chaque gaz. Cela signifie que la densité sera également différente pour chaque gaz. Pour trouver une densité de gaz donnée, divisez la masse molaire du gaz par le volume molaire (22,4 L/mol dans ce cas).
- Par exemple, si vous cherchiez la densité de la vapeur d'eau, vous diviseriez 18 g/mol par 22,4 L/mol pour donner 0,804 g/L. Soit: 18 g/mol / 22,4 L/mol = 0,804 g/L.

La masse molaire est différente pour chaque gaz — Bien que le volume et les moles de gaz soient fixes dans ces calculs, la masse molaire est différente pour chaque gaz.

Méthode 3 sur 3: trouver la densité théorique d'un mélange gazeux

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Connaître la décomposition fractionnelle du mélange gazeux. Si vous avez mélangé deux gaz ou plus, vous aurez besoin de savoir quelle quantité de chaque gaz est présente. Ceci est fait sur une base de pourcentage. Cela vous permet de connaître les ratios du mélange quelle que soit la quantité de gaz présente dans l'ensemble.
- Par exemple, si vous aviez un mélange de 75% de CO ₂ (dioxyde de carbone) et de 25% de H ₂ O (eau), ces rapports ne changeraient pas, que vous ayez 1 L ou 1000 L de gaz.
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Trouvez la masse d'une mole. En connaissant le ratio de vos gaz, vous pouvez trouver la masse molaire de votre mélange. Vous devrez trouver la masse molaire de chaque gaz et la multiplier par sa composition en pourcentage dans le mélange. Ensuite, ajoutez tous les produits ensemble pour trouver la masse molaire du mélange gazeux.
- Par exemple, vous devriez trouver la masse molaire du CO ₂ (44 g/mol) et la multiplier par 0,75. Ensuite, vous devriez trouver la masse molaire de H ₂ O (18 g/mol) et la multiplier par 0,25. Lorsque vous ajoutez ces produits ensemble, 33 g/mol + 4,5 g/mol, vous obtenez la masse molaire de votre mélange. Dans ce cas, la masse molaire est de 37,5 g/mol.
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Divisez par le volume. Une fois la masse molaire établie pour votre mélange, trouver la densité du gaz est un simple calcul. Divisez la masse molaire par le volume standard (22,4 L/mol). N'oubliez pas que vous supposez STP et 1 mole de gaz.
- Par exemple, la densité d'un mélange de 75% de dioxyde de carbone et 25% d'eau serait de $37,5g/mol/22,4l/mol=1,67g/l$ .
- Vous devez appliquer la formule de la loi des gaz parfaits pour vos calculs si le gaz n'est pas à STP (PV=nRT).

Trouver la densité du gaz est un simple calcul — Une fois la masse molaire établie pour votre mélange, trouver la densité du gaz est un simple calcul.

Conseils

Revérifiez tous les calculs avant de passer au suivant.
Rappelez-vous que les calculs théoriques font des hypothèses strictes sur les conditions du gaz.
Vous n'avez besoin de mémoriser qu'une seule formule: PV=nRT. Vous pouvez utiliser une variante de la même formule pour trouver d'autres propriétés. Par exemple, pour trouver le volume, utilisez V = nRT/P.

Mises en garde

Avec un équipement de base, la mesure de la densité du gaz est susceptible d'avoir une erreur significative. Ceci est acceptable pour les applications académiques, mais doit être pris en compte pour les applications qui nécessitent des résultats plus précis (par exemple les applications industrielles).

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