Относительная плотность газа другому газу. Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях

Одной из важнейших физических свойств газообразных веществ является значение их плотности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Плотность - это скалярная физическая величина, которая определяется как отношение массы тела к занимаемому им объему.

Данную величину обычно обозначают греческой буквой r или латинскими D и d . Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м 3 , а в СГС - г/см 3 . Плотность газа - справочная величина, её обычно измеряют при н. у.

Зачастую, применительно к газам используют понятие «относительная плотность». Данная величина представляет собой отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму.

Например, при нормальных условиях масса диокисда углерода в объеме 1 л равна 1,98 г, а масса водорода в том же объеме и при тех же условиях - 0,09 г, откуда плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.

Относительная плотность газа

Обозначим относительную плотность газа m 1 / m 2 буквой D. Тогда

Следовательно, молярная масса газа равна его плотности по отношению у другому газа, умноженной на молярную массу второго газа.

Часто плотности различных газов определяют по отношению к водороду, как самому легкому из всех газов. Поскольку молярная масса водорода равна 2,0158 г/моль, то в этом случае уравнение для расчета молярных масс принимает вид:

или, если округлить молярную массу водорода до 2:

Вычисляя, например, по этому уравнению молярную массу диоксида углерода, плотность которого по водороду, как указано выше равна 22, находим:

M(CO 2) = 2 × 22 = 44 г/моль.

Плотность газа в лабораторных условиях самостоятельно можно определить следующим образом: необходимо взять стеклянную колбу с краном и взвесить её на аналитических весах. Первоначальный вес - вес колбы, из которой откачали весь воздух, конечный - вес колбы, наполненной до конкретного давления исследуемым газом. Разность полученных масс следует разделить на объем колбы. Вычисленное значение и есть плотность газа в данных условиях.

p 1 /p N ×V 1 /m×m/V N = T 1 /T N ;

т.к. m/V 1 = r 1 и m/V N = r N , получаем, что

r N = r 1 ×p N /p 1 ×T 1 /T N .

В таблице ниже приведены значения плотностей некоторых газов.

Таблица 1. Плотность газов при нормальных условиях.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Относительная плотность газа по водороду - 27. Массовая доля элемента водорода в нем - 18,5%, а элемента бора - 81,5%. Определите формулу газа.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов водорода в молекуле через «х», число атомов бора через «у». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов водорода и бора (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(B) = 11; Ar(H) = 1. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y = ω(H)/Ar(H) : ω (B)/Ar(B); x:y = 18,5/1: 81,5/11; x:y = 18,5: 7,41 = 2,5: 1 = 5: 2. Значит простейшая формула соединения водорода и бора имеет вид H 5 B 2 . Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по водороду: M gas = M(H 2) × D H2 (gas) ; M gas = 2 × 27 = 54 г/моль. Чтобы найти истинную формулу соединения водорода и бора найдем отношение полученных молярных масс: M gas / M(H 5 B 2) = 54 / 27 = 2. M(H 5 B 2) = 5 ×Ar(H) + 2 × Ar(B) = 5 ×1 + 2 × 11 = 5 + 22 = 27 г/моль. Это означает, что все индексы в формуле H 5 B 2 следует умножить на 2. Таким образом формула вещества будет иметь вид H 10 B 4 .
Ответ	Формула газа - H 10 B 4

ПРИМЕР 2

Задание	Вычислите относительную плотность по воздуху углекислого газа CO 2 .
Решение	Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа. Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (CO 2) = M r (CO 2) / M r (air); D air (CO 2) = 44 / 29 = 1,52. M r (CO 2) = A r (C) + 2 ×A r (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44.
Ответ	Относительная плотность по воздуху углекислого газа равна 1,52.

Инструкция

Для того чтобы справиться с задачей, необходимо использовать формулы на относительной плотности:

Сначала найдите относительную молекулярную массу аммиака, которую можно рассчитать по таблице Д.И. Менделеева.

Ar (N) = 14, Ar (H) = 3 х 1 = 3, отсюда
Mr (NH3) = 14 + 3 = 17

Подставьте полученные данные в формулу на определение относительной плотности по воздуху:
D (воздух) = Mr (аммиака)/ Mr (воздуха);
D (воздух) = Mr (аммиака)/ 29;
D (воздух) = 17/ 29 = 0, 59.

Пример № 2. Вычислите относительную плотность аммиака по водороду.

Подставьте данные в формулу на определение относительной плотности по водороду:
D (водород) = Mr (аммиака)/ Mr (водорода);
D (водород) = Mr (аммиака)/ 2;
D (водород) = 17/ 2 = 8, 5.

Водород (от латинского «Hydrogenium» - «порождающий воду») – первый элемент таблицы Менделеева. Широко распространен, существует в виде трех изотопов – протия, дейтерия и трития. Водород представляет собою легкий бесцветный газ (в 14,5 раз легче воздуха). В смеси с воздухом и кислородом весьма взрывоопасен. Используется в химической, пищевой промышленности, а также в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по возможности использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей. Плотность водорода (как и любого другого газа) можно определить разными способами.

Инструкция

Во-первых, исходя из универсального определения плотности – количество вещества в единице объема. В том случае, если находится в герметичном сосуде, плотность газа определяется элементарно, по формуле (М1 – М2)/V, где М1 – общая масса сосуда с газом, М2 – масса пустого сосуда, а V – внутренний объем сосуда.

Если же требуется определить плотность водорода , имея такие исходные данные, как , тут на помощь приходит универсальное уравнение состояния идеального газа, или уравнение Менделеева – Клапейрона: PV = (mRT)/M.
P – давление газа
V – его объем
R – универсальная газовая постоянная
Т – температура газа в Кельвина
M – молярная масса газа
m – фактическая масса газа.

Идеальным газом считается такая математическая газа, в которой потенциальной энергией молекул по сравнению с их кинетической энергией можно пренебречь. В модели идеального газа между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, а соударения частиц с другими частицами или стенками сосуда, абсолютно упруги.

Разумеется, ни водород, ни другой газ не является идеальным, но эта модель позволяет вычисления с достаточно высокой точностью при , близких к атмосферному давлению и комнатной температуре. Например, дана задача: найти плотность водорода при давлении 6 и температуре 20 градусов по Цельсию.

Сначала переведите все исходные величины в систему СИ (6 атмосфер = 607950 Па, 20 градусов Ц=293 градуса К). Затем напишите уравнение Менделеева-Клапейрона PV = (mRT)/M. Преобразуйте его в виде: P = (mRT)/MV. Поскольку m/V есть плотность (отношение массы вещества к его объему), то получаете: плотность водорода = PM/RT, причем все необходимые данные для решения у нас есть. Вы знаеете величину давления (607950), температуру (293), универсальную газовую постоянную (8,31), молярную массу водорода (0,002).

Подставив эти данные в формулу, вы получите: плотность водорода при заданных условиях давления и температуры равна 0,499 кг/кубический метр, или примерно 0,5.

Источники:

• как найти плотность водорода

Плотность - это одна из характеристик вещества, такая же, как масса, объем, температура, площадь. Она равна отношению массы к объему. Основная задача - научиться вычислять эту величину и знать, от чего она зависит.

Инструкция

Плотность - это численное отношение массы к объему вещества. Если вы хотите определить плотность вещества, а вам известны его масса и объем, нахождение плотности не составит вам труда. Самый простой способ найти плотность в данном случае - это p = m/V. Она в кг/м^3 в системе СИ. Однако далеко не всегда даны эти два значения, поэтому следует знать несколько способов, с помощью которых можно вычислить плотность.

Плотность имеет разные значения в зависимости от вида вещества. Кроме того, плотность меняется и от степени солености и температуры. При уменьшении температуры плотность возрастает, а при понижении степени солености понижается и плотность. Например, плотность Красного моря по-прежнему считается высокой, а в Балтийском море она уже меньше. Все вы замечали, что если в воду подлить , оно всплывает . Все это происходит из-за того, что имеет более низкую плотность, нежели вода. Металлы и каменные вещества, наоборот тонут, так как их плотность выше. На основании плотности тел возникла об их плавании.

Благодаря теории плавания тел , по которой можно найти плотность тела, воды, объем всего тела и объем его погруженной части. Эта формула имеет вид:Vпогруж. части / V тела = p тела / p жидк.Отсюда следует, что плотность тела можно найти следующим образом:р тела = V погруж. части * р жидк / V тела.Это условие выполняется исходя из табличных данных и заданных объемов V погруж. части и V тела.

Видео по теме

Совет 4: Как вычислить относительную молекулярную массу вещества

Относительная молекулярная масса – это безразмерная величина, показывающая во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Соответственно, масса атома углерода равна 12 единиц. Определить относительную молекулярную массу химического соединения можно, сложив массы атомов, из которых состоит молекула вещества.

Вам понадобится

• - ручка;
• - бумага для записей;
• - калькулятор;
• - таблица Менделеева.

Инструкция

Найдите в таблице Менделеева ячейки элементов, из которых состоит данная молекула. Значения относительных атомных масс (Ar) для каждого вещества указаны в левом нижнем углу ячейки. Перепишите их, округлив до целого числа: Ar(H) – 1; Ar(P) – 31; Ar(O) – 16.

Определите относительную молекулярную массу соединения (Mr). Для этого умножьте атомную массу каждого элемента на количество атомов в . Затем сложите получившиеся значения. Для ортофосфорной кислоты: Mr(н3ро4) = 3*1 + 1*31 + 4*16 = 98.

Относительная молекулярная масса численно совпадает с молярной массой вещества. В некоторых задачах используется эта связь. Пример: газ при температуре 200 К и давлении 0,2 MПа имеет плотность 5,3 кг/мз. Определить его относительную молекулярную массу.

Используйте уравнение Менделеева-Клайперона для идеального газа: PV = mRT/M, где V – объем газа, м3; m – масса данного объела газа, кг; M – молярная масса газа, кг/моль; R – универсальная газовая постоянная. R=8.314472 м2кг с-2 К-1 Моль-1; T – газа, К; P - абсолютное давление, Па. Выразите из этой зависимости молярную массу: М = mRT/(PV).

Как известно, плотности: p = m/V, кг/м3. Подставьте ее в выражение: М = рRT/P. Определите молярную массу газа: М = 5,3*8,31*200/(2*10^5) = 0,044 кг/моль. Относительная молекулярная масса газа: Mr = 44. Вы можете предположить, что это углекислый газ: Mr(CO2) = 12 + 16*2 = 44.

Источники:

• вычислите относительные молекулярные массы

В химических лабораториях и при проведения химических опытов в домашних условиях часто бывает необходимо определить относительную плотность того или иного вещества. Относительная плотность представляет собой отношение плотности конкретного вещества к плотности другого при определенных условиях либо к плотности эталонного вещества, за которое принимается дистиллированная вода. Относительная плотность выражается отвлеченным числом.

Вам понадобится

• - таблицы и справочники;
• - ареометр, пикнометр или специальные весы.

Инструкция

Относительную плотность веществ по отношению к плотности дистиллированной воды определяйте по формуле: d=p/p0, где d – искомая относительная плотность, p – плотность исследуемого вещества, p0 – плотность эталонного вещества. Последний параметр табличный и определен довольно точно: при 20оС вода имеет плотность 998,203 кг/куб.м, а максимальной плотности она достигает при 4оС – 999,973 кг/куб.м. Перед вычислениями не забывайте, что р и р0 должны быть выражены в одинаковых единицах измерения.

Кроме того, относительную плотность вещества можно узнать в физических и химических справочниках. Числовое значение относительной плотности всегда равно относительному удельному весу того же вещества в одних и тех же условиях. Вывод: пользуйтесь таблицами относительных удельных весов так же, как если бы это были таблицы относительной плотности.

Определяя относительную плотность, всегда учитывайте температуру исследуемого и эталонного вещества. Дело в том, что плотность веществ уменьшается при и увеличивается при охлаждении. Если температура исследуемого вещества отличается эталона, внесите поправку. Ее вычислите как среднее изменение относительной плотности на 1оС. Нужные данные ищите по номограммам температурных поправок.

Для быстрого вычисления относительной плотности жидкостей на практике используйте ареометр. Для измерения относительной и сухих веществ используйте пикнометры и специальные весы. Классический ареометр представляет собой стеклянную трубку, расширяющуюся в нижней части. На нижнем конце трубки имеется резервуар или специальным веществом. На верхней части трубки нанесены деления, показывающие числовое значение относительной плотности исследуемого вещества. Многие ареометры дополнительно оснащают термометрами для измерений температуры исследуемого вещества.

Закон Авогадро

Отдаленность молекул газообразного вещества друг от друга зависит от внешних условий: давления и температуры. При одинаковых внешних условиях промежутки между молекулами различных газов одинаковы. Закон Авогадро, открытый в 1811 году, гласит: в равных объемах разных газов при одинаковых внешних условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Т.е. если V1=V2, T1=T2 и P1=P2, то N1=N2, где V – объем, T – температура, P – давление, N – число молекул газа (индекс «1» у одного газа, «2» – у другого).

Первое следствие из закона Авогадро, молярный объем

В первом следствии из закона Авогадро утверждается, что одинаковое число молекул любых газов при одних и тех же условиях занимает одинаковый объем: V1=V2 при N1=N2, T1=T2 и P1=P2. Объем одного моля всякого газа (молярный объем) – постоянная величина. Напомним, что в 1 моле содержится Авогадрово число частиц – 6,02х10^23 молекул.

Таким образом, молярный объем газа зависит только от давления и температуры. Обычно рассматривают газы при нормальном давлении и нормальной температуре: 273 К (0 градусов Цельсия) и 1 атм (760 мм рт. ст., 101325 Па). При таких нормальных условиях, обозначаемых «н.у.», молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль. Зная эту величину, можно рассчитать объем любой заданной массы и любого заданного количества газа.

Второе следствие из закона Авогадро, относительные плотности газов

Для расчета относительных плотностей газов применяется второе следствие из закона Авогадро. По определению, плотность вещества – это отношение его массы к его объему: ρ=m/V. Для 1 моля вещества масса равна молярной массе M, а объем – молярному объему V(M). Отсюда плотность газа составляет ρ=M(газа)/V(M).

Пусть имеются два газа – X и Y. Их плотности и молярные массы – ρ(X), ρ(Y), M(X), M(Y), связанные между собой соотношениями: ρ(X)=M(X)/V(M), ρ(Y)=M(Y)/V(M). Относительной плотностью газа X по газу Y, обозначаемой как Dy(X) называется отношение плотностей этих газов ρ(X)/ρ(Y): Dy(X)=ρ(X)/ρ(Y)=M(X)xV(M)/V(M)xM(Y)=M(X)/M(Y). Молярные объемы сокращаются, и из этого можно сделать вывод, что относительная плотность газа X по газу Y равна отношению их молярных или относительных молекулярных масс (численно они равны).

Плотности газов нередко определяют по отношению к водороду, самому легкому из всех газов, молярная масса которого – 2 г/моль. Т.е. если в задаче сказано, что неизвестный газ X имеет плотность по водороду, скажем, 15 (относительная плотность – безразмерная величина!), то найти его молярную массу не составит труда: M(X)=15xM(H2)=15x2=30 г/моль. Часто указывают также относительную плотность газа по воздуху. Здесь необходимо знать, что средняя относительная молекулярная масса воздуха равна 29, и умножать уже надо не на 2, а на 29.

Плотностью принято называть такую физическую величину, которая определяет отношение массы предмета, вещества или жидкости к занимаемому ими объему в пространстве. Поговорим о том, что такое плотность, чем различается плотность тела и вещества и как (с помощью какой формулы) найти плотность в физике.

Виды плотности

Следует уточнить, что плотность может быть подразделена на несколько видов.

В зависимости от исследуемого объекта:

• Плотность тела - для однородных тел - это прямое отношение массы тела к его объему, занимаемому в пространстве.
• Плотность вещества - это плотность тел, состоящих из этого вещества. Плотность веществ постоянна. Существуют специальные таблицы, где обозначена плотность разных веществ. Например, плотность алюминия равна 2,7 * 103 кг/м 3 . Зная плотность алюминия и массу тела, которое из него сделано, мы можем вычислить объем этого тела. Либо, зная что тело состоит из алюминия и зная объем этого тела, мы можем с легкостью вычислить его массу. Как найти эти величины, мы рассмотрим чуть позже, когда выведем формулу для вычисления плотности.
• Если тело состоит из нескольких веществ, то для определения его плотности необходимо вычислить плотность его деталей для каждого вещества в отдельности. Такая плотность называется средней плотностью тела.

В зависимости от пористости вещества, из которого состоит тело:

• Истинная плотность - это та плотность, которая вычисляется без учета пустот в теле.
• Удельная плотность - или кажущаяся плотность - это та, которая вычислена с учетом пустот тела, состоящего из пористого или рассыпчатого вещества.

Итак, как найти плотность?

Формула для вычисления плотности

Формула, помогающая найти плотность тела, выглядит следующим образом:

• p = m / V, где p - плотность вещества, m - масса тела, V - объем тела в пространстве.

Если мы вычисляем плотность того или иного газа, то формула будет выглядеть так:

• p = M / V m p - плотность газа, M - молярная масса газа, V m - молярный объем, который при нормальных условиях равен 22,4 л/моль.

Пример: масса вещества 15 кг, занимает оно 5 литров. Какова плотность вещества?

Решение: подставляем значения в формулу

• р = 15 / 5 = 3 (кг/л)

Ответ: плотность вещества 3 кг/л

Единицы измерения плотности

Кроме знаний о том, как найти плотность тела и вещества, необходимо знать и единицы измерения плотности.

• Для твердых тел - кг/м 3 , г/см 3
• Для жидкостей - 1 гр/л или 10 3 кг/м 3
• Для газов - 1 гр/л или 10 3 кг/м 3

Подробнее о единицах измерения плотности можно прочитать в нашей статье.

Как найти плотность в домашних условиях

Для того чтобы найти плотность тела или вещества в домашних условиях, вам понадобятся:

1. Весы;
2. Сантиметр, если тело твердое;
3. Сосуд, если вы хотите измерить плотность жидкости.

Чтобы найти плотность тела в домашних условиях, нужно измерить его объем с помощью сантиметра или сосуда, а затем поставить тело на весы. Если вы измеряете плотность жидкости, то не забудьте вычесть перед расчетами массу сосуда, в который вы налили жидкость. Плотность газов в домашних условиях вычислить гораздо сложнее, мы рекомендуем воспользоваться готовыми таблицами, в которых уже обозначены плотности различных газов.

ρ = m (газа) / V (газа)

D поУ (Х) = М(Х) / М(У)

Поэтому:
D по возд. = М (газа Х) / 29

Динамическая и кинематическая вязкость газа.

Вязкость газов (явление внутреннего трения) - это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями.
Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс.
Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяетсязаконом Ньютона :

Градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.
Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
- динамическая вязкость.
, где
- плотность газа,
- средняя арифметическая скорость молекул,
- средняя длина свободного пробега молекул.

Кинематический коэффициент вязкости.

Критические параметры газа: Ткр, Ркр.

Критической называется такая температура, выше которой, при любом давлении, газ не может быть переведен в жидкое состояние. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим. Приведенные параметры газа. Приведенными параметрами называют безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, температура, плотность, удельный объем) больше или меньше критических:

Скважинная добыча и подземное хранение газа.

Плотность газа: абсолютная и относительная.

Плотность газа является одной из его важнейших характеристик. Говоря о плотности газа, обычно имеют в виду его плотность при нормальных условиях (т. е. при температуре и давлении). 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.

Абсолютная плотность газа - это масса 1 л газа при нормальных условиях. Обычно для газов её измеряют в г/л.

ρ = m (газа) / V (газа)

Если взять 1 моль газа, то тогда:

а молярную массу газа можно найти, умножая плотность на молярный объём.

Относительная плотность D - это величина, которая показывает, во сколько раз газ Х тяжелее газа У. Её рассчитывают как отношение молярных масс газов Х и У:

D поУ (Х) = М(Х) / М(У)

Часто для расчетов используют относительные плотности газов по водороду и по воздуху.

Относительная плотность газа Х по водороду:

D по H2 = M (газа Х) / M (H2) = M (газа Х) / 2

Воздух - это смесь газов, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу.

Её величина принята за 29 г/моль (исходя из примерного усреднённого состава).
Поэтому:
D по возд. = М (газа Х) / 29

Плотность газа В(рв, г/л) определяют взвешиванием (mв) небольшой стеклянной колбочки известного объема с газом (рис. 274,а) или газового пикнометра (см. рис. 77), применяя формулу

где V- объем колбочки (5 - 20 мл) или пикнометра.

Колбочку взвешивают дважды: сначала вакуумированную, а затем наполненную исследуемым газом. По разности значений 2-х полученных масс узнают массу газа mв, г. При заполнении колбочки газом измеряют его давление, а при взвешивании - температуру окружающей среды, которую принимают за температуру газа в колбочке. Найденные значения р и Т газа дают возможность вычислить плотность газа при нормальных условиях (0 °С; около 0,1 МПа).

Для уменьшения поправки на потерю массы колбочки с газом в воздухе при ее взвешивании в качестве тары на Другом плече коромысла весов располагают запаянную колбочку точно, такого же объема.

Рис. 274. Приборы для определения плотности газа: колбочка (а) и жидкостной (б) и ртутный (в) эффуэиометры

Поверхность этой колбочки обрабатывают (очищают) каждый раз точно так же, как и взвешиваемой с газом.

В процессе вакуумирования колбочку немного нагревают, оставляя подключенной к вакуумной системе в течение нескольких часов, поскольку остатки воздуха и влаги удаляются с трудом. У вакуумированной колбочки может измениться объем из-за сжатия стенок атмосферным давлением. Погрешность определения плотности легких газов от такого сжатия может достигать 1%. В отдельных случаях для газа определяют и относительную плотность dв, т. е. отношение плотности данного газа рв к плотности другого газа, выбранного в качестве стандартного р0, взятого при тех же температуре и давлении:

где Mв и Mо - соответственно молярные массы исследуемого газа В и стандартного, например воздуха или водорода, г/моль.

Для водорода M0 = 2,016 г/моль, поэтому

Из этого соотношения можно определить молярную массу газа, если принять его за идеальный.

Быстрым методом определения плотности газа является метод измерения продолжительности его истечения из малого отверстия под давлением, которая пропорциональна скорости истечения.

где τв и τo ~ время истечения газа В и воздуха соответственно.

Измерение плотности газа этим методом проводят при полоши эффузиометра (рис. 274,6) - широкого цилиндра б высоки около 400 мм, внутри которого находится сосуд 5 с основанием 7, снабженным отверстиями для входа и выхода жидкости. На сосуде 5 нанесены две метки М1 и М2 для отсчета объема газа, время истечения которого наблюдают. Кран 3 служит для впуска газа, а кран 2 - для выпуска через капилляр 1. Термометром 4 контролируют температуру газа.

Определение плотности газа по скорости его истечения выполняют следующим образом. Наполняют цилиндр б жидкостью, в которой газ почти нерастворим, чтобы был заполнен и сосуд 5 выше метки М2. Затем через кран 3 жидкость выдавливают из сосуда 5 исследуемым газом ниже метки М1, причем вся жидкость должна остаться в цилиндре. После этого, закрыв кран 3, открывают кран 2 и дают выйти излишку газа через капилляр 1. Как только жидкость достигнет метки М1 включают секундомер. Жидкость, вытесняя газ, постепенно поднимается до метки М2. В момент касания мениска жидкости метки М2 секундомер выключают. Опыт повторяют 2-3 раза. Аналогичные операции проводят и с воздухом, тщательно промыв им сосуд 5 от остатков исследуемого газа. Разные наблюдения длительности истечения газа не должны различаться более чем на 0,2 - 0,3 с.

Если для исследуемого газа нельзя подобрать жидкость, в которой он был бы малорастворим, применяют ртутный эффузионетр (рис. 274,в). Он состоит из стеклянного сосуда 4 с трехходовым краном 1 и уравнительного сосуда 5, наполненного ртутью. Сосуд 4 находится в стеклянном сосуде 3, выполняющем функции термостата. Через кран 1 в сосуд 4 вводят газ, вытесняя ртуть ниже метки М1. Выпускают исследуемый газ или воздух через капилляр 2, подняв уравнительный сосуд 5. Более чувствительными приборами для определения плотности газов являются газовый ареометр Штока (рис. 275,а) и газовые весы

Шток Альфред (1876-1946) - немецкий химик-неорганик и аналитик.

В ареометре Штока один конец кварцевой трубки раздут в тонкостенный шар 1 диаметром 30 - 35 мм, наполненный воздухом, а другой оттянут в волосок 7. Внутрь трубки плотно сдавлен небольшой железный стержень 3.

Рис. 275. Ареометр Штока (а) и схема установки (б)

Острием Отрубка с шаром опирается на кварцевую или агатовую опору. Трубка с шаром помешены в кварцевый сосуд 5 с пришлифованной круглой пробкой. Вне сосуда расположен соленоид 6 с железным сердечником. При помощи тока различной силы, протекающего через соленоид, выравнивают положение коромысла с шаром так, чтобы волосок 7 указывал точно на индикатор нуля 8. За положением волоска наблюдают при помощи зрительной трубы или микроскопа.

Ареометр Штока приваривают к трубке 2 для устранения каких-либо вибраций.

Шар с трубкой находятся в равновесии при данной плотности окружающего их газа. Если в сосуде 5 один газ заменить на другой при постоянном давлении, то равновесие нарушится из-за изменения плотности газа. Для его восстановления необходимо либо притянуть стержень 3 электромагнитом 6 вниз при понижении плотности газа, либо дать ему подняться вверх при увеличении плотности. Сила тока, протекающего через соленоид, при достижении равновесия прямо пропорциональна изменению плотности.

Прибор градуируют по газам известной плотности. Точность ареометра Штока 0,01 - 0,1%, чувствительность порядка ДО"7 г, диапазон измерений от 0 до 4 г/л.

Установка с ареометром Штока. Ареометр Штока / (рис-275,6) присоединяют к вакуумной системе так, что он висит на трубке 2 как на пружине. Колено 3 трубки 2 погружено в сосуд Дьюара 4 с охлаждающей смесью, позволяющей поддерживать температуру не выше -80 o C для конденсации пара ртути, если для создания вакуума в ареометре использует диффузионный ртутный насос. Кран 5 соединяет ареометр с колбой, содержащей иесследуемый газ. Ловушка защищает диффузионный насос от воздействием исследуемого газа, а приспособление 7 служит для точной регулировки давления. Вся система через трубку соединена с диффузионным насосом.

Объем газа измеряют при помощи калиброванных газовых береток (см. рис. 84) с термостатируемой водяной рубашкой. Во избежание поправок на капиллярные явления газовую 3 и компенсационную 5 бюретки подбирают одинакового диаметра и располагают в термостатируемой рубашке 4 рядом (рис. 276). В качестве запирающих жидкостей применяют ртуть, глицерин и другие жидкости, плохо растворяющие исследуемый газ.

Оперируют этим прибором следующим образом. Сначала заполняют бюретки жидкостью до уровня выше крана 2, поднимая сосуд б. Затем газовую бюретку соединяют с источником газа и вводят его, опуская сосуд б, после чего кран 2 закрывают. Для уравнивания давления газа, находящегося в бюретке 3, с атмосферным давлением сосуд б подносят вплотную к бюретке и устанавливают на такой высоте, чтобы мениски ртути в компенсационной 5 и газовой 3 бюретках были на одном уровне. Поскольку компенсационная бюретка сообщается с атмосферой (ее верхний конец открыт), при таком положении менисков давление газа в газовой бюретке будет равно атмосферному.

Одновременно измеряют атмосферное давление по барометру и температуру воды в рубашке 4 при помощи термометра 7.

Найденный объем газа приводят к нормальным условиям (0 °С; 0,1 МПа), используя уравнение для идеального газа:

V0 и V - приведенный к нормальным условиям объем (л) газа и измерен-иЬ1й объем газа при температуре t (°С) соответственно; р - атмосферное давление в момент измерения объема газа, торр.

Если газ содержит пары воды или находился перед измерением объема в сосуде над водой или водным раствором, то его Oбъем приводят к нормальным условиям с учетом давления пара воды p1 при температуре опыта (см. табл. 37):

Уравнения применяют в том случае, если атмосферное давление при измерении объема газа было сравнительно близко к 760 торр. Давление реального газа всегда меньше, чем у идеального, из-за взаимодействия молекул. Поэтому в найденное значение объема газа вводят поправку на неидеальность газа, взятую из специальных справочников.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина»

А.Н. Тимашев, Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГАЗА

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Технология эксплуатации газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений» для студентов специальностей:

РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ

Под редакцией профессора А.И. Ермолаева

Москва 2012

Определение плотности газа.

Методические указания к проведению лабораторных работ/ А.Н. Тимашев,

Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012.

Изложены способы лабораторного определения плотности газа. В основу положен действующий ГОСТ 17310 – 2002.

Методические указания предназначены для студентов нефтегазовых вузов специальностей: РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ.

Издание подготовлено на кафедре разработки и эксплуатации газовых и га-

зоконденсатных месторождений.

Печатается по решению учебно-методической комиссии факультета разра-

ботки нефтяных и газовых месторождений.

	Введение……………………………………………………………….
	Основные определения……………………………………………….
	Плотность природного газа при атмосферном давлении…………..
	Относительная плотность газа……………………………………….
	Плотность природного газа при давлениях и температурах……….
	Лабораторные методы определения плотности природного газа….
	Пикнометрический метод……………………………………………
	Расчетные формулы…………………………………………………..
	Порядок определения плотности……………………………………
	Расчет плотности газа…………………………………………………
	Определение плотности газа методом истечения…………………..
	Вывод соотношений для определения плотности исследуемого га-
	за………………………………………………………………………..
2.2.2. Порядок проведения работы………………………………………….
2.2.3. Обработка результатов измерений…………………………………..
	Контрольные вопросы………………………………………………..
	Литература…………………………………………………………….
	Приложение А…………………………………………………………
	Приложение Б………………………………………………………….
	Приложение В…………………………………………………………

Введение

Физические свойства природных газов и углеводородных конденсатов ис-

пользуются как на стадии проектирования разработки и обустройства месторож-

дений природных газов, так и при анализе и контроле разработки месторождения,

работы системы сбора и подготовки продукции газовых и газоконденсатных скважин. Одним из главных физических свойств , подлежащих изучению, является плотность газа месторождений.

Поскольку состав газа месторождений природных газов является сложным,

состоящим из углеводородных (алканы, циклоалканы и арены) и неуглеводород-

ных компонентов (азот, гелий и др. редкоземельные газы, а также кислые компо-

ненты Н2 S и СО2), возникает необходимость лабораторного определения плотно-

сти газов.

В данном методическом указании рассмотрены расчетные способы опреде-

ления плотности газа по известному составу, а также два лабораторных метода определения плотности газа: пикнометрический и метод истечения через капил-

1. Основные определения

1.1. Плотность природного газа при атмосферном давлении

Плотность газа равна массе М, заключенной в единице объемаv вещест-

ва. Различают плотность газа при нормальных н Р 0,1013мПа,Т 273К и

	стандартных с Р 0,1013МПа,Т 293К									в условиях, а также при любых дав-
	лении Р и температуреТ Р,Т.									известной молекулярной массе
	плотность при нормальных условиях равна
	при стандартных условиях

Где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль; 22,41 и 24,04, м3 /кмоль – молярный объем газа соответственно при нормальных (0,1013 МПа, 273 К) и стандартных

(0,1013 МПа, 293 К) условиях.

Для природных газов, состоящих из углеводородных и неуглеводородных компонентов (кислых и инертных) кажущаяся молекулярная масса М к

определяется по формуле

				êã/ êì î ëü,

где М i – молекулярная масса i-го компонента кг/кмоль;n i –мольный процент i-го компонента в смеси;

к – число компонентов в смеси (природном газе).

Плотность природного газа см равна

							при 0,1 МПа и 293 К
							при 0,1 МПа и 293 К

i – плотность i-го компонента при 0,1 МПа и 293 К.

Данные по индивидуальным компонентам приведены в таблице 1.

Пересчет плотности при различных условиях температуры и давлении

0,1013 МПа (101,325 кПа) в приложении В.

1.2. Относительная плотность газа

В практике инженерных расчетов часто используется понятие относитель-

ная плотность, равная отношению плотности газа к плотности воздуха при одинаковых значениях давления и температуры. Обычно принимают в качестве эталонных нормальные или стандартные условия, при этом плотность воздуха со-

ответственно составляет в 0 1,293кг /м 3 ив 20 1,205кг /м 3 . Тогда относитель-

ная плотность природного газа равна

1.3. Плотность природного газа при давлениях и температурах

Плотность газа для условий в продуктивном пласте, стволе скважины, газо-

проводах и аппаратах при соответствующих давлениях и температурах определя-

ется по следующей формуле

где Р иТ давление и температура в месте расчета плотности газа; 293 К и 0,1013 МПа – стандартные условия при нахождениисм;

z ,z 0 – коэффициенты сверхсжимаемости газа соответственно приР иТ и стан-

дартных условиях (значение z 0 = 1).

Наиболее простым способом определения коэффициента сверхсжимаемости z является графический метод. Зависимость z от приведенных параметров пред-

ставлена на рис. 1.

Для однокомпонентного газа (чистого газа) приведенные параметры опре-

деляются по формулам

	и Т c – критические параметры газа.
Для многокомпонентных (природных) газов предварительно рассчитывают-
ся псевдокритические давления и температуры по зависимостям
	Т nскn iТ ci /100,
	и Т c – критические параметры i -го компонента газа.
Так как состав природного газа определяется до бутана С4 Н10											или гексана С6 Н14

включительно, а все остальные компоненты объединяются в остаток (псевдоком-

понент) С5+ или С7+ , в этом случае критические параметры определяются по фор-

При 100 М с 5 240и700d с 5 950,

М с 5 – молекулярная масса С5+ (С7+) кг/кМоль;

d c 5 – плотность псевдокомпонента С5+ (С7+), кг/м3 .

Зависимость между М с		находится по формуле Крэга

Таблица 1

Показатели компонентов природного газа

Показатели

Компоненты

Молекулярная масса,

М кг/кмоль

Плотность, кг/м3 0,1

Плотность, кг/м3 0,1

Относительная плот-

Критический объем,

дм3 /кмоль

Критическое давление,

Критическая темпера-

Критическая сжимае-

мость, zкр

Ацентрический фактор

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента сверхсжимаемости z от приведенных параметров Pпр и Тпр 2. Лабораторные методы определения плотности природного газа 2.1. Пикнометрический метод Пикнометрический метод установлен стандартом ГОСТ 17310-2002, в соот- ветствии с которым определяется плотность (относительная плотность) газов и газовых смесей. Сущность метода заключается во взвешивании стеклянного пикнометра объемом 100-200 см3 последовательно с осушенным воздухом и осушенным ис- следуемым газом при одинаковой температуре и давлении. Плотность сухого воздуха – величина эталонная. Зная внутренний объем пикнометра, можно определить плотность природного газа неизвестного состава (исследуемого газа). Для этого предварительно определяется внутренний объем пикнометра («водное число»), поочередно взвешивая пикнометр с осушенным воздухом и дистиллированной водой, плотности, которых известны. Затем взве- шивается пикнометр, заполненный исследуемым газом. Разность масс пикнометра с исследуемым газом и пикнометра с воздухом, поделенная на значение объема пикнометра («водное число») прибавляется к значению плотности сухого воздуха, что составляет в итоге плотность исследуемого газа. Вывод расчетных формул показан ниже. 2.1.1. Расчетные формулы Плотность природного газа пикнометрическим способом определяется на основе следующих соотношений: г – плотность газа в условиях проведения замеров, г/дм3 кг; вз – плотность воздуха в условиях проведения замеров, г/дм3 кг; Мг – масса газа в пикнометре, г; Мвз – масса воздуха в пикнометре, г;

Газа - сравнение относительной молекулярной или молярной массы одного газа с таким же показателем другого газа. Как правило, он определяется по отношению к самому легкому газу - водороду. Также часто газы сравнивают с воздухом.

Для того чтобы показать, какой газ выбирается для сравнения, перед символом относительной плотности исследуемого добавляют индекс, а само название записывают в скобках. Например, DH2(SO2). Это означает, что плотность была рассчитана по водороду. Читается это как «плотность оксида серы по водороду».

Чтобы рассчитать плотность газа по водороду, необходимо с помощью периодической таблицы определить молярные массы исследуемого газа и водорода. Если это хлор и водород, то показатели будут выглядеть так: M(Cl2) = 71 г/моль и M(H2) = 2 г/моль. Если плотность водорода разделить на плотность хлора (71:2), в результате получится 35,5. То есть хлор в 35,5 раз тяжелее, чем водород.

Относительная плотность газа от внешних условий никак не зависит. Это объясняется всеобщими законами состояния газов, которые сводятся к тому, что изменение температуры и давления не приводит к изменению их объема. При любых изменениях этих показателей измерения производятся совершенно одинаково.

Для определения плотности газа опытным путем понадобится колба, куда его можно будет поместить. Колбу с газом необходимо взвесить дважды: первый раз - откачав из нее весь воздух; второй - наполнив ее исследуемым газом. Также заранее необходимо измерить объем колбы.

Сначала нужно рассчитать разность масс и разделить ее на значение объема колбы. В результате получится плотность газа по заданным условиям. С помощью уравнения состояния можно высчитать нужный показатель при нормальных либо идеальных условиях.

Узнать плотность некоторых газов можно по сводной таблице, в которой есть готовые сведения. Если газ занесен в таблицу, то брать эту информацию можно без каких-либо дополнительных расчетов и использования формул. К примеру, плотность пара воды можно узнать по таблице свойств воды (Справочник Ривкина С.Л. и др.), ее электронному аналогу или с помощью программ типа WaterSteamPro и других.

Однако у разных жидкостей равновесие с паром наступает при различной плотности последнего. Это объясняется различием сил межмолекулярного взаимодействия. Чем выше оно, тем быстрее наступит равновесие (к примеру, ртуть). У летучих жидкостей (например, эфир) равновесие может наступить лишь при значительной плотности пара.

Плотность различных природных газов варьируется от 0,72 до 2,00 кг/м3 и выше, относительная - от 0,6 до 1,5 и выше. Самая высокая плотность у газов с наибольшим содержанием тяжелых углеводородов H2S, СО2 и N2, самая низкая - у сухих метановых.

Свойства определяются его составом, температурой, давлением и плотностью. Последний показатель определяется лабораторным путем. Он зависит от всех вышеназванных. Определить его плотность можно разными методами. Самый точный - взвешивание на точных весах в тонкостенном стеклянном баллоне.

Больше этого же показателя природных газов. В практике принимают это соотношение как 0,6:1. Статическое уменьшается быстрее по сравнению с газом. При давлении до 100 МПа плотность природного газа способна превышать 0,35 г/см3.

Установлено, что увеличение может сопровождаться увеличением температуры гидратообразования. Природный газ низкой плотности образовывает гидраты при более высокой температуре по сравнению с газами с повышенной плотностью.

В измерители плотности только начинают использоваться и остается еще много вопросов, которые связаны с особенностями их эксплуатации и проверки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газов. Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относится кислород (содержание кислорода в воздухе составляет около 21% по объему), азот (около 86%) и так называемые инертные газы (около 1%).

Содержание составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02 - 0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиака и т.д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.

Плотность воздуха представляет собой величину, равную массе газа атмосферы Земли, деленную на единицу объема. Она зависит от давления, температуры и влажности. Существует стандартная величина плотности воздуха - 1,225 кг/м 3 , соответствующая плотности сухого воздуха при температуре 15 o С и давлении 101330 Па.

Зная из опыта массу литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), можно вычислить тот молекулярный вес, который имел бы воздух, если бы он был индивидуальным газом. Так как грамм-молекула всякого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л, средний молекулярный вес воздуха равен

22,4 × 1,293 = 29.

Это число - 29 - следует запомнить: зная его, легко рассчитать плотность любого газа по отношению к воздуху.

Плотность жидкого воздуха

При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около (-190 o С). Состав его непостоянен, так как азот улетучивается легче кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).

В жидком воздухе легко переходят в твердое состояние этиловый спирт, диэтиловый эфир и многие газы. Если, например, пропускать через жидкий воздух диоксид углерода, то он превращается в белые хлопья, похожие по внешнему виду на снег. Ртуть, погруженная в жидкий воздух, становится твердой и ковкой.

Многие вещества, охлажденные жидким воздухом, резко изменяют свои свойства. Так, чинк и олово становятся настолько хрупкими, что легко превращаются в порошок, свинцовый колокольчик издает чистый звенящий звук, а замороженный резиновый мячик разбивается вдребезги, если уронить его на пол.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Определите во сколько раз тяжелее воздуха сероводород H 2 S.
Решение	Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа. Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (H 2 S) = M r (H 2 S) / M r (air); D air (H 2 S) = 34 / 29 = 1,17. M r (H 2 S) = 2 ×A r (H) + A r (S) = 2 × 1 + 32 = 2 + 32 = 34.
Ответ	Сероводород H 2 S тяжелее воздуха в 1,17 раз.