气体密度

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介绍

密度可以描述为物质在特定温度和压力下的单位体积质量。气体的密度也由其质量除以体积决定。此外，一旦知道气体的密度，就可以确定其摩尔质量。所有气体的密度都随温度和压力而变化。在这篇文章中，我们将学习如何计算气体的密度。

什么是气体密度？

气体对温度和压力的变化非常敏感，无论变化多么微小，因为它们是可压缩的，分子不断运动。气体分子之间弱的分子间相互作用是温度和压力微小变化影响气体密度的主要原因。

密度示例

虽然油和水不相溶是常识，但许多人可能不知道油因为密度的原因漂浮在水上。油和醋在厨房里也不相溶，你可能在沙拉酱瓶的顶部看到过一层油腻的涂层。此外，油的密度比醋低。油的密度小于水的实际应用是在海洋发生漏油事故时。

由于氦气的密度，充满氦气的气球可以漂浮在地面上，为聚会增添节日气氛。气球之所以漂浮是因为它的密度低于周围的空气。这一特性对于探空气球至关重要，它曾经在飞艇和飞船飞行中发挥着至关重要的作用。尽管氦是宇宙中第二丰富的元素，但由于其密度的原因，在地球上非常罕见。

对于航行在北极和南极圈的远洋船只来说，冰山带来了特殊的挑战。冰之所以漂浮是因为当温度下降时，水的密度会发生变化。此外，冰山是由冻结的淡水构成的，但周围的冷水是咸的。因为盐水的密度大于淡水，并且淡水是冻结的，所以冰山与盐水结合时会漂浮。冰山在海洋中的位置对这些船只来说是一个问题。

如何计算密度？

虽然质量和密度不一样，但密度较大的物质通常重量较重。这是因为它们是相关的。密度方程为：

$$\mathrm{\rho=\frac{m}{V}}$$

ρ是以立方米千克表示的密度，m是以千克表示的质量，V是以立方米表示的物体的体积。虽然为了方便也可以使用克每立方厘米，但千克每立方米是首选的测量单位。

密度的单位

密度通常是物质的一种可测量的特性，其数值会影响关键数据的计算。你会注意到，密度的定义使用了质量和体积这两个不同的单位。这意味着，像速度一样，总密度具有导出单位。密度通常以g/mL、g/cm³、g/L和kg/L单位表示。

密度的SI单位

SI导出单位表示密度。它由千克（SI中质量的基本单位）和米（长度的基本单位）生成。单位体积的质量称为密度。立方米是体积的SI导出单位。因此，密度的SI单位是$\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$

密度在现实生活中的应用

• 日常生活中到处都是相对密度或不同物质中不同密度的例子。

• 由于木材的密度小于水，因此木材通常漂浮在水上。岩石通常会下沉，因为它们的密度大于水。这个简单的例子证明了科学在日常生活中的价值。

• 一些岩石，如浮石，足够轻，可以漂浮，而一些常用的硬木，如乌木、桃花心木和铁木，则足够坚固，可以在水中下沉。从科学的角度来看，这并不重要。它是由木材和其他石头组成的。所有物质的相对密度都是重要的。

• 由于醋的密度较小，油会漂浮在醋上面。

理想气体密度公式

理想气体定律的修改版本用于估计密度，用密度和摩尔质量代替摩尔和体积。

理想气体定律的密度等式为：

$$\mathrm{PV=dRT}$$

它与原始理想气体定律使用相似的公式：

$$\mathrm{PV=nRT}$$

其中P是大气压(atm)

T是开尔文温度(K)

R是理想气体常数$\mathrm{0.0821\:\frac{atm(L)}{mol(K)}}$

与之前的公式完全相同，但M现在代表摩尔质量$\mathrm{(\frac{g}{mol})}$，d代表密度$\mathrm{(\frac{g}{L})}$

通过将方程更改为$\mathrm{\frac{PM}{RT}=d}$

atm、mol和K的单位将抵消，只剩下密度单位$\mathrm{\frac{g}{L}}$的值。

已解决的数值问题

问：确定40°C和730 mmHg下$\mathrm{SO_2}$气体的密度。

答：此处的$\mathrm{SO_2}$的分子量为64 g/mol。我们可以通过将其代入上述方程来确定解。

$$\mathrm{d= \frac{P(MW)}{RT}}$$

$$\mathrm{d=\frac{730×64}{62.4×313\:K}}$$

$$\mathrm{d=2.39\:g/L}$$

所以，$\mathrm{SO_2}$气体的密度为2.39 g/L。

结论

如你所知，物质的密度由其单位体积质量决定。给定气体的密度取决于其摩尔质量，即使所有气体每摩尔的体积相同。如果气体的摩尔质量比其摩尔质量小，则该气体的密度将较低。

常见问题

Q1。哪种气体密度最小？

答：在元素周期表中，所有元素中锇的密度最高，而氢的密度最低，并且是气体。空气是包括氢气、二氧化碳和氧气在内多种气体的混合物，比氢气重。

Q2。哪种气体最重？

答：实际上，氡是最重的气体，因为二价分子在其在地球大气层或地壳中的自然状态下不是氙。

Q3。笑气指的是什么？

答：为了帮助你放松，一氧化二氮（一种安全有效的镇静剂）与氧气混合，并通过一个小口罩吸入你的鼻子。你的牙医可能会建议使用一氧化二氮（也称为“笑气”）来帮助你在某些治疗过程中更舒适。

Q4。气球里含有什么气体？

答：美国飞行员使用氦气或氢气作为升力气体。与空气相比，这些气体的重量较轻。吸入气球气囊中的氦气或氢气为它们提供了第一次升力。

Q5。烟雾的重量比空气重吗？

答：烟雾比空气重，但由于它是热的，它通常会上升到表面。该管道允许烟雾在落到地面之前有足够的时间冷却，就像瀑布一样，而不是上升。