氣體密度

---

介紹

密度可以描述為物質在特定溫度和壓力下的單位體積質量。氣體的密度也由其質量除以體積決定。此外，一旦知道氣體的密度，就可以確定其摩爾質量。所有氣體的密度都隨溫度和壓力而變化。在這篇文章中，我們將學習如何計算氣體的密度。

什麼是氣體密度？

氣體對溫度和壓力的變化非常敏感，無論變化多麼微小，因為它們是可壓縮的，分子不斷運動。氣體分子之間弱的分子間相互作用是溫度和壓力微小變化影響氣體密度的主要原因。

密度示例

雖然油和水不相溶是常識，但許多人可能不知道油因為密度的原因漂浮在水上。油和醋在廚房裡也不相溶，你可能在沙拉醬瓶的頂部看到過一層油膩的塗層。此外，油的密度比醋低。油的密度小於水的實際應用是在海洋發生漏油事故時。

由於氦氣的密度，充滿氦氣的氣球可以漂浮在地面上，為聚會增添節日氣氛。氣球之所以漂浮是因為它的密度低於周圍的空氣。這一特性對於探空氣球至關重要，它曾經在飛艇和飛船飛行中發揮著至關重要的作用。儘管氦是宇宙中第二豐富的元素，但由於其密度的原因，在地球上非常罕見。

對於航行在北極和南極圈的遠洋船隻來說，冰山帶來了特殊的挑戰。冰之所以漂浮是因為當溫度下降時，水的密度會發生變化。此外，冰山是由凍結的淡水構成的，但周圍的冷水是鹹的。因為鹽水的密度大於淡水，並且淡水是凍結的，所以冰山與鹽水結合時會漂浮。冰山在海洋中的位置對這些船隻來說是一個問題。

如何計算密度？

雖然質量和密度不一樣，但密度較大的物質通常重量較重。這是因為它們是相關的。密度方程為：

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

ρ是以立方米千克表示的密度，m是以千克表示的質量，V是以立方米表示的物體的體積。雖然為了方便也可以使用克每立方厘米，但千克每立方米是首選的測量單位。

密度的單位

密度通常是物質的一種可測量的特性，其數值會影響關鍵資料的計算。你會注意到，密度的定義使用了質量和體積這兩個不同的單位。這意味著，像速度一樣，總密度具有匯出單位。密度通常以g/mL、g/cm³、g/L和kg/L單位表示。

密度的SI單位

SI匯出單位表示密度。它由千克（SI中質量的基本單位）和米（長度的基本單位）生成。單位體積的質量稱為密度。立方米是體積的SI匯出單位。因此，密度的SI單位是$\mathrm{\frac{kg}{m^3}}$

密度在現實生活中的應用

• 日常生活中到處都是相對密度或不同物質中不同密度的例子。

• 由於木材的密度小於水，因此木材通常漂浮在水上。岩石通常會下沉，因為它們的密度大於水。這個簡單的例子證明了科學在日常生活中的價值。

• 一些岩石，如浮石，足夠輕，可以漂浮，而一些常用的硬木，如烏木、桃花心木和鐵木，則足夠堅固，可以在水中下沉。從科學的角度來看，這並不重要。它是由木材和其他石頭組成的。所有物質的相對密度都是重要的。

• 由於醋的密度較小，油會漂浮在醋上面。

理想氣體密度公式

理想氣體定律的修改版本用於估計密度，用密度和摩爾質量代替摩爾和體積。

理想氣體定律的密度等式為：

$$\mathrm{PV=dRT}$$

它與原始理想氣體定律使用相似的公式：

$$\mathrm{PV=nRT}$$

其中P是大氣壓(atm)

T是開爾文溫度(K)

R是理想氣體常數$\mathrm{0.0821\:\frac{atm(L)}{mol(K)}}$

與之前的公式完全相同，但M現在代表摩爾質量$\mathrm{(\frac{g}{mol})}$，d代表密度$\mathrm{(\frac{g}{L})}$

透過將方程更改為$\mathrm{\frac{PM}{RT}=d}$

atm、mol和K的單位將抵消，只剩下密度單位$\mathrm{\frac{g}{L}}$的值。

已解決的數值問題

問：確定40°C和730 mmHg下$\mathrm{SO_2}$氣體的密度。

答：此處的$\mathrm{SO_2}$的分子量為64 g/mol。我們可以透過將其代入上述方程來確定解。

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

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

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

所以，$\mathrm{SO_2}$氣體的密度為2.39 g/L。

結論

如你所知，物質的密度由其單位體積質量決定。給定氣體的密度取決於其摩爾質量，即使所有氣體每摩爾的體積相同。如果氣體的摩爾質量比其摩爾質量小，則該氣體的密度將較低。

常見問題

Q1。哪種氣體密度最小？

答：在元素週期表中，所有元素中鋨的密度最高，而氫的密度最低，並且是氣體。空氣是包括氫氣、二氧化碳和氧氣在內多種氣體的混合物，比氫氣重。

Q2。哪種氣體最重？

答：實際上，氡是最重的氣體，因為二價分子在其在地球大氣層或地殼中的自然狀態下不是氙。

Q3。笑氣指的是什麼？

答：為了幫助你放鬆，一氧化二氮（一種安全有效的鎮靜劑）與氧氣混合，並透過一個小口罩吸入你的鼻子。你的牙醫可能會建議使用一氧化二氮（也稱為“笑氣”）來幫助你在某些治療過程中更舒適。

Q4。氣球裡含有什麼氣體？

答：美國飛行員使用氦氣或氫氣作為升力氣體。與空氣相比，這些氣體的重量較輕。吸入氣球氣囊中的氦氣或氫氣為它們提供了第一次升力。

Q5。煙霧的重量比空氣重嗎？

答：煙霧比空氣重，但由於它是熱的，它通常會上升到表面。該管道允許煙霧在落到地面之前有足夠的時間冷卻，就像瀑布一樣，而不是上升。