288K时,容积为20 dm^3的氧气钢瓶上压力表的读数为10.13 MPa,氧气被使用一段时间后,压力表的读数降为2.55 MPa,试计算使用掉氧气的质量。设近似可以使用理想气体的状态方程。已知M(O_2)=32 gcdot mol^-1。
288K时,容积为$$20 dm^3$$的氧气钢瓶上压力表的读数为$$10.13 MPa$$,氧气被使用一段时间后,压力表的读数降为$$2.55 MPa$$,试计算使用掉氧气的质量。设近似可以使用理想气体的状态方程。已知$$M(O_2)=32 g\cdot mol^{-1}$$。
题目解答
答案
由理想气体状态方程可知$$PV=nRT$$,设刚开始钢瓶中
氧气物质的量为$$n_1$$,所以$$n_1=\frac{P_1V}{RT}=84.61mol$$。
则后来钢瓶中氧气物质的量$$n_2=\frac{P_2V}{RT}=21.30mol$$
所以用去氧气的质量$$m=M(n_1-n_2)=2025.92g$$
解析
考查要点:本题主要考查理想气体状态方程的应用,涉及气体物质的量与压强、体积、温度的关系,以及质量与物质的量的转换。
解题核心思路:
- 理想气体状态方程:$PV = nRT$,其中$P$为压强,$V$为体积,$n$为物质的量,$R$为气体常数,$T$为温度。
- 关键假设:题目中压力表读数视为绝对压强,温度不变,体积不变。
- 质量计算:通过初始和使用后的物质的量之差,结合摩尔质量$M$,计算使用掉的氧气质量。
破题关键点:
- 单位统一:压强需转换为帕斯卡(Pa),体积转换为立方米(m³)。
- 公式变形:利用$P_1V = n_1RT$和$P_2V = n_2RT$,求出$n_1$和$n_2$的差值。
步骤1:确定已知量与公式
- 初始压强$P_1 = 10.13 \, \text{MPa} = 10.13 \times 10^6 \, \text{Pa}$
- 使用后压强$P_2 = 2.55 \, \text{MPa} = 2.55 \times 10^6 \, \text{Pa}$
- 体积$V = 20 \, \text{dm}^3 = 0.02 \, \text{m}^3$
- 温度$T = 288 \, \text{K}$
- 气体常数$R = 8.314 \, \text{J/(mol·K)}$
- 氧气摩尔质量$M = 32 \, \text{g/mol}$
步骤2:计算初始物质的量$n_1$
根据理想气体方程:
$n_1 = \frac{P_1 V}{R T} = \frac{10.13 \times 10^6 \times 0.02}{8.314 \times 288} \approx 84.61 \, \text{mol}$
步骤3:计算使用后的物质的量$n_2$
同理:
$n_2 = \frac{P_2 V}{R T} = \frac{2.55 \times 10^6 \times 0.02}{8.314 \times 288} \approx 21.30 \, \text{mol}$
步骤4:计算使用掉的氧气质量
使用掉的物质的量:
$\Delta n = n_1 - n_2 = 84.61 - 21.30 = 63.31 \, \text{mol}$
对应的质量:
$m = M \cdot \Delta n = 32 \times 63.31 \approx 2025.92 \, \text{g}$