Analiza gazowa metody oparte na pomiarze objętości gazów, metody absorpcyjne, metody oparte na spalaniu gazów

Metoda oparta na pomiarze objętości gazów Obliczenia w analizach gazowych przeprowadza się w oparciu o prawa gazowe. Metoda ma zastosowanie w przypadku gdy produktem reakcji chemicznej jest substancja gazowa. Na podstawie równania reakcji chemicznej i zmierzonej objętości wydzielonego gazu oblicza się masę substancji, z której wydzielił się produkt gazowy. W obliczeniach stosuje się prawa Avogadro: masy równych objętości różnych gazów w warunkach tej samej temperatury i tego samego ciśnienia pozostają w prostym stosunku do mas molowych tych gazów,

Metoda oparta na pomiarze objętości gazów masa 22,414 dm3 dowolnego gazu w warunkach normalnych ich określa masę molową T = 273,15 K/ 0oC; p = 1013,25 hPa; 1 hPa = 100 Pa Objętości produktów gazowych zmierzone w warunkach odmiennych niż warunki normalne przelicza się na warunki normalne stosując równanie stanu gazu: p ∙ V = n ∙ R ∙ T, gdzie: p – ciśnienie, V – objętość, n – liczba moli gazu, T – temperatura w Kelwinach, R – stała gazowa: R = 83,1 hPa ∙ dm3 ∙ mol-1 ∙ K-1 lub 8,31 J ∙ K-1 ∙ mol-1 , J = 1m2 ∙ kg ∙ s-2, Pa = 1 m-1 ∙ kg ∙ s-2. Przy pomiarze objętości gazów zebranych pod wodą należy uwzględnić prężność pary wodnej.

Prężność(ciśnienie) pary wodnej nasyconej w powietrzu w funkcji temperatury t [oC] p [hPa] 50 123,3 6,11 45 95,77 - 5 4,21 40 72,73 - 10 2,68 35 56,20 - 15 1,90 30 42,41 - 20 1,25 25 31,66 - 25 0,80 20 23,27 - 30 0,50 15 17,05 - 35 0,309 10 12,28 - 40 0,185 5 8,72 - 45 0,108

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Z próbki 250 mg technicznego węglanu sodu pod wpływem kwasu chlorowodorowego zebrano nad wodą 34,2 cm3 CO2 w temp. 293,15 K i ciśnieniu 1015,25 hPa. Obliczyć procentową zawartość CO2 w próbce jeżeli prężność pary wodnej w/w temp. wynosi 23,27 hPa. Rozwiązanie: obliczenie prężności / ciśnienia suchego CO2: p0 = 1015,25 hPa – 23,27 hPa = 991,98 hPa obliczenie objętości CO2 w warunkach normalnych: gdzie p0, V0, T0 – w. normalne.

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.1.- rozwiązanie cd.: obliczenie masy CO2: Vmol/w.n = 22,414 dm3 = 22414 cm3, MCO2 = 44,01 g/mol 22414 cm3 CO2 ---------- 44,01 g 31,2 cm3 CO2 ----------- x ------------------------------------ x = 0,06126 g = 61,26 mg obliczenie % zwartości CO2 w technicznym Na2CO3 :

Przykładowe zadania z rozwiązaniem W wyniku przemian chemicznych próbki nawozu mineralnego o masie 500 mg zawierającego mocznik zebrano nad wodą 62,5 cm3 azotu w temp. 298,15 K i ciśnieniu 1012,25 hPa. Obliczyć procentową zawartość mocznika – CO(NH2)2 w próbce nawozu jeżeli prężność pary wodnej w/w temp. wynosi 31,66 hPa. Rozwiązanie: obliczenie prężności / ciśnienia suchego N2: p0 = 1012,25 hPa – 31,66 hPa = 980,59 hPa obliczenie objętości N2 w warunkach normalnych:

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.2.- rozwiązanie cd.: obliczenie masy N2: Vmol/w.n = 22,414 dm3 = 22414 cm3, MCO(NH2)2 = 60,02 g/mol, 1 mol CO(NH2)2  22414 cm3 N2 22414 cm3 N2 ---------- 60,02 g CO(NH2)2 55,42 cm3 N2 --------- x ------------------------------------ x = 0,1484 g = 148,4 mg obliczenie procentowej zwartości mocznika w nawozie:

Metody absorpcyjne Metody absorpcyjne mają zastosowanie do oznaczenia składników w mieszaninie gazów: mieszaninę gazów przy stałych wartościach temperatury i ciśnienia przepuszcza się przez szereg absorbentów, różnica objętości przed i po absorpcji określa objętość gazu zaabsorbowanego, metoda ma zastosowanie do oznaczenia CO2, CO, C, O2, węglowodorów nienasyconych, par benzenu, H2, Ważniejsze absorbenty: CO2 / 40 % roztwór KOH: CO2 + 2 KOH  K2CO3 + H2O, O2 / roztwór pirogalolu – 1,2,3 – trihydroksybenzen w obecności KOH, roztwór jest nietrwały w obecności tlenu ulega rozkładowi do CO2 i CH3COOH oraz inne związki,

Metody absorpcyjne / cd. Ważniejsze absorbenty cd: O2 / roztwór podsiarczynu sodu - ditionian(III) sodu w obecności KOH: 2 Na2S2O4 + 2H2O + O2  4 NaHSO3, CO / amoniakalny roztwór chlorku miedzi(I): Cu2Cl2 + 2 CO ↔ Cu2Cl2 ∙ 2 CO absorbent ma jednak wady, reakcja jest odwracalna, ponadto zachodzi uboczna reakcja redox: Cu2Cl2 ∙ 2 CO + 4 NH3 ↔ (NH4)2C2O4 + 2 NH4Cl + 2 Cu Pary benzenu, C2H4, C2H2 pochłania się w dymiącym kwasie siarkowym(VI) / oleum - H2S2O7 lub w wodzie bromowej – węglowodory ulegają reakcji bromowania a pary benzenu ulegają rozpuszczeniu, H2 / koloidalny roztwór palladu.

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Próbkę gazu koksowniczego - gaz otrzymany w procesie destylacji węgla kamiennego o objętości 1 dm3 przepuszczono przez płuczki z absorbentami w stałej temperaturze i stałym ciśnieniu oraz każdorazowo zmierzono objętości mieszaniny gazów po przejściu przez płuczki: płuczka z roztworem KOH / V = 981,5 cm3, H2S2O7 / V = 916,5 cm3, roztwór pirogalolu + KOH / V = 915,9 cm3, amoniakalny roztwór Cu2Cl2 / V = 840,9 cm3, koloidalny roztwór palladu / V = 815, cm3. Oblicz procentowy skład gazu (procent objętościowy).

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.1. – rozwiązanie: gazy nie pochłonięte po przejściu przez kolejne płuczki.

Metoda oparta na spalaniu gazów Metoda opiera się na spaleniu określonej objętości gazu lub mieszaniny gazów w nadmiarze tlenu. Temperaturę produktów reakcji spalania obniża się do temperatury wyjściowej i mierzy się objętości gazów. Następnie oznacza się objętość produktów spalania oraz nadmiar użytego tlenu. Na podstawie danych – objętości zużytego tlenu i powstałego produktu gazowego zależnych od ilości oraz charakteru spalanych składników można obliczyć procentowy udział składników w mieszaninie. Najczęściej produktami spalania jest CO2 i H2O, para wodna ulega skropleniu (VH2O = 0) – w fazie gazowej jej ilość odpowiada prężności pary wodnej w danej temp.

Metoda oparta na spalaniu gazów Kontrakcja – jest to różnica między objętością gazów przed spaleniem a ich objętością po spaleniu. Wielkość kontrakcji w odniesieniu do jednostki objętości spalonego gazu to współczynnik kontrakcji. Przykłady: 2 CO + O2  2 CO2 / 2VCO + 1VO2 – 2 VCO2 = 1V na 2 jednostki objętości CO współczynnik kontrakcji wynosi 1 a na 1 jednostkę CO współczynnik wnosi 0,5 2 C2H6 + 7 O2  4 CO2 + 6 H2O / 2VC2H6 + 7VO2 – 4VCO2 = = 5 na 2 jednostki objętości C2H6 współczynnik wnosi 5 a na 1 jednostkę C2H6 współczynnik wynosi 5/2.

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Mieszaninę tlenku azotu(II) i tlenku azotu(V) o objętości 500 cm3 zredukowano do wolnego azotu wodorem zużywając 1430 cm3 tego gazu. Oblicz procent objętościowy gazów w mieszaninie. Uwaga – w zad. 1, 2, 3 i 3 należy rozwiązać układ 2–ch równań zależnych w dwoma niewiadomymi. Rozwiązanie: 2 NO + 2 H2  N2 + 2 H2O / VNO : VH2 = 1 : 1 x + x N2O5 + 10 H2  N2 + 5 H2O / VN2O5 : VH2 = 1 : 5 y + 5 y x + y = 500 cm3, x + 5y = 1430cm3, x = 500 cm3 – y x=500cm3–232,5cm3 = 267,5cm3 NO 4 y = 930cm3 y = 232,5cm3 N2O5

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.1. – rozwiązanie cd.: obliczenie procentu objętościowego gazów:

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Mieszaninę propanu i butanu o objętości 250 cm3 spalono do CO2 oraz H2O w powietrzu atmosferycznym zużywając 5750 cm3 powietrza. Oblicz procent objętościowy gazów w mieszaninie. Rozwiązanie: zawartość tlenu w powietrzu atmosferycznym wynosi 20,95 % objętościowych, VO2 = 5750 cm3 ∙ 0,2095 = 1204,6 cm3, C3H8 + 5 O2  3 CO2 + 4 H2O / VC3H8 : VO2 = 1 : 5, x + 5 x 2 C4H10 + 9 O2  8 CO2 + 10 H2O / VC4H10 : VO2 = 1 : 4,5 , 2 y + 9 y

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.2. – rozwiązanie cd.: x + y = 250 cm3, 5 x + 4,5 y = 1204,6 cm3, x = 250 cm3 – y x = 250 cm3 – 90,8 cm3 = = 159,2 cm3 C3H8 0,5 y = 45,4 cm3 y = 90,8 cm3 C4H10 obliczenie procentu objętościowego gazów:

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Mieszaninę metanu i etanu o objętości 120 cm3 spalono do CO2 oraz H2O w tlenie. Oblicz procent objętościowy gazów w mieszaninie, jeżeli objętość produktu gazowego mierzona w tych samych warunkach wyniosła 170cm3. Rozwiązanie: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O / VCH4 : VCO2 = 1 : 1, x  x 2 C2H6 + 7 O2  4 CO2 + 6 H2O / VC2H6 : VCO2 = 1 : 2 , 2 y  4 y x + y = 120 cm3 x = 120 cm3 – y x = 120 cm3 – 50 cm3 = 70 cm3 CH4 x + 2 y = 170 cm3 y = 50 cm3 C2H6

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.3. – rozwiązanie cd.: obliczenie procentu objętościowego gazów:

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Mieszaninę metanu i CO oraz azotu o objętości 130 cm3 spalono zużywając 170 cm3 tlenu. Oblicz procent objętościowy gazów w mieszaninie, jeżeli objętość CO2 mierzona w tych samych warunkach wyniosła 100cm3. Rozwiązanie: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O / VCH4 : VO2 :VCO2 = 1 : 2 : 1, x + 2 x  x 2 CO + O2  2 CO2 / VCO : VO2 : VCO2 = 2 : 1 : 2 , 2 y + y  2 y N2 + O2  r. nie zachodzi, x + y = 100 cm3 x = 100 cm3 – y x = 100 cm3 – 30 cm3 = 70 cm3 CH4 2x + y = 170 cm3 y = 30 cm3 CO

Przykładowe zadania z rozwiązaniem Zad.4. – rozwiązanie cd.: VN2 = 130 cm3 – VCH4 – VCO = 130 cm3 – 70 cm3 – 30 cm3 = = 30 cm3 obliczenie procentu objętościowego gazów: