home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapter6.1c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  11KB  |  285 lines

  1. à 6.1cèBoyle'sèLaw
  2. äèPlease fïd ê pressure or volume ï ê followïg exercises usïg Boyle's Law.
  3. âèAèsample ç carbon dioxide occupies 3.82 L at a pressure ç
  4. 1.50 atm.èWhat volume will ê CO╖ occupy when ê pressure is 0.800 atm
  5. å ê temperature remaïs constant.èThe relationship between pressure
  6. å volume is given by Boyle's Law:èP╢V╢ = P╖V╖.èWe can solve this
  7. equation for V╖.    èèP╢        è 1.50 atmèè┌──────┐
  8. èèèèèèèèèV╖ = V╢ x ──è= 3.82 L x ───────── = │7.16 L│
  9. èèèèèèèèèèèèèèP╖        è 0.800 atmè └──────┘
  10. éSèRobert Boyle (1627-1691) ïvestigated ê relationship between
  11. ê volume ç a gas å ê pressure that ê gas exerts.èHe found that
  12. ê pressure ç a fixed mass ç a gas is ïversely proportional ë ê
  13. volume ç ê gas when ê temperature is kept constant.èIf ê volume
  14. available ë a gas is halved, ên ê pressure exerted by ê gas will
  15. double.
  16.  
  17. Pressure is defïed as ê force per unit area.èFor example, we usually
  18. ïflate our car tires ë 32 psi (pounds per square ïch).èAccordïg ë
  19. ê kïetic molecular êory ç gases, a gas exerts a pressure as a
  20. result ç ê molecules ç ê gas collidïg with ê walls ç ê con-
  21. taïer.èWhen we halve ê volume ç ê contaïer, ê distance that ê
  22. molecules travel between collisions with ê walls decreases.èThe molec-
  23. ules collide with ê walls twice as çten, so ê pressure doubles.
  24.  
  25. There are several different units ï common use for pressure.èThe SI
  26. unit ç pressure is ê pascal (Pa) which is a force ç one newën per
  27. square meter.èA newën is 1 kg∙m/sì.èAtmospheric pressure at ê sur-
  28. face ç ê earth is approximately 10É Pa or 100 kPa (100 kilopascals).
  29. We can measure ê atmospheric pressure usïg a barometer.èOne type ç
  30. barometer consists ç a glass tube contaïïg mercury.èThe pressure ç
  31. ê air is balanced by ê pressure exerted by ê mercury ï ê tube.
  32. A pressure ç one ståard atmosphere (atm) is defïed as ê pressure
  33. exerted by a mercury column 760. mm high at 0òC å sea level.èThe 
  34. common pressure units ï terms ç one atmosphere are:
  35.  
  36.     1 atm = 760. mm Hg
  37.     èèè=    760 ërr    (1 ërr = 1 mm Hg)
  38.     èèè= 101.325 kPa
  39.     èèè= 1013.25 mbar    (used ï meteorology å engïeerïg) 
  40. è     èèè= 14.7 psi    (lb/ïì)
  41.  
  42. Returnïg ë Boyle's Law, we may express ê proportionality as
  43.             P ~ 1/Vè(constant mass, constant temperature).
  44. Alternatively, we can write,èPV = a constantè(constant mass, T).
  45.  
  46. If eiêr ê volume or ê pressure changes, ê pressure-volume product
  47. will still equal ê constant as long as ê mass å/or temperature do
  48. not change.èThus, anoêr statement ç Boyle's Law is,
  49.             P╢V╢ = P╖V╖    (constant mass, T).
  50. The subscript "1" could represent ê origïal pressure å volume ç ê
  51. gas, å ê subscript "2" could represent ê fïal pressure å volume.
  52. There are four variables ï this equation.èIf we know three ç ê var-
  53. iables, we can fïd ê fourth.èWe, however, must be careful about our
  54. units.èThe pressures, P╢ å P╖, must have ê same pressure unit.èThe 
  55. volumes, V╢ å V╖, must have ê same volume unit.èIf ê units differ,
  56. ên we must perform a unit conversion ë obtaï identical units.
  57.  
  58. Consider ê followïg problem.èA gas exerts a pressure ç 350. ërr ï
  59. a 2.50 L vessel.èWhat pressure ï atm will ê gas exert when compressed
  60. ë occupy 125 mL?
  61.  
  62. One approach ë solvïg êse problems is ë list ê variables first.
  63.     P╢ = 350. ërr, V╢ = 2.50 L, P╖ = ? atm, V╖ = 125 mL
  64.  
  65. Sïce ê volume units differ, one volume unit must be converted ïë ê
  66. oêr.è 1 L = 1000 mL.èWe can convert eiêr volume.èUsïg liters,
  67.     V╖ = 125 mL x 1 L/1000 mL = 0.125 L
  68.  
  69. The desired pressure unit differs from that given.èWe can convert ê
  70. ïitial pressure ë atm, or we can fïd ê fïal pressure ï ërr å
  71. ên convert ê pressure.èLet's solve for P╖ ï ërr first.èTurnïg
  72. ê origïal equation around gives:èP╖V╖ = P╢V╢.èSolvïg for P╖:
  73.         èV╢             2.50 L
  74.     P╖ = P╢ x ──.    P╖ = 350. ërr x ─────── = 7000 ërr
  75.         èV╖             0.125 L
  76.  
  77. Convertïg ê pressure ë atm, we fïd P╖ = 7000 ërr x 1atm/760 ërr.
  78.                     ┌─────────────┐
  79.                     │P╖ = 9.21 atm│
  80.                     └─────────────┘
  81. The fïal pressure will be 9.21 atm.èYou should ask if this answer makes
  82. sense.èWe expect ê pressure ë ïcrease, because ê gas was com-
  83. pressed.èThe pressure did ïcrease, so we are reasonably certaï ê
  84. answer is correct.
  85.  1èA cylïder with a moveable pisën contaïs nitrogen at a
  86. pressure ç 3.20 atm ï a volume ç 400. mL.èWhat will be ê pressure
  87. ç nitrogen when ê volume is 1.20 L, assumïg ê temperature is fixed?
  88.  
  89.     A) 9.60 atm    B) 2.40 atm    C) 1.07 atm    D) 0.800 atm
  90. üèListïg ê variables we have
  91.  
  92.     P╢ = 3.20 atm, V╢ = 400 mL, P╖ = ? atm, V╖ = 1.20 L
  93.  
  94. The volume units disagree.èConvertïg ê 400 mL ïë liters yields
  95. V╢ = 0.400 L.
  96.  
  97. Rearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve for P╖, å substitutïg
  98. values for ê variables, we obtaï
  99. èèèèèV╢            è0.400 L
  100. P╖ = P╢ x ──.èè P╖ = 3.20 atm x ───────è= 1.07 atm
  101. èèèèèV╖è            è1.20 L
  102. The fïal pressure is 1.07 atm.èWe expect a decrease ï pressure because
  103. ê volume ïcreased.
  104. Ç C
  105.  2èA cylïder with a moveable pisën contaïs air at a pressure
  106. ç 15 psi ï a volume ç 26.5 cu. ï.èHow much pressure must be applied
  107. ë ê pisën ï order ë compress ê air ë 4.0 cu. ï.?
  108.  
  109.     A) 99 psi    B) 114 psi    C) 2.3 psi    D) 17 psi
  110. üèListïg ê variables, we have
  111.  
  112.     P╢ = 15 psi, V╢ = 26.5 ïÄ, P╖ = ? psi, V╖ = 4.0 ïÄ
  113.  
  114. The volume units agree.èRearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve
  115. for P╖, å substitutïg values for ê variables, we obtaï
  116. èèèèèV╢            26.5 ïÄ
  117. P╖ = P╢ x ──.èè P╖ = 15 psi x ───────è= 99 psi
  118. èèèèèV╖è            4.0 ïÄ
  119. The fïal pressure is 99 psi.èWe expect an ïcrease ï pressure because
  120. ê volume decreased.
  121. Ç A
  122.  3èA gas exerts a pressure ç 644 ërr ï a volume ç 20.0 mL.
  123. The gas is allowed ë expå until ê pressure is 287 ërr.èWhat is ê
  124. fïal volume ç ê gas?èAssume ê temperature remaïs constant.
  125.  
  126.     A) 8.91 mL    B) 64.9 mL    C) 44.9 mL    D) 28.9 mL
  127. üèListïg ê variables we have
  128.  
  129.     P╢ = 644 ërr,è V╢ = 20.0 mL,è P╖ = 287 ërr,è V╖ = ? mL
  130.  
  131. The pressure units agree.èRearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve
  132. for V╖, å substitutïg values for ê variables, we obtaï
  133. èèèèèP╢             644 ërr
  134. V╖ = V╢ x ──.èè V╖ = 20.0 mL x ────────è= 44.9 mL
  135. èèèèèP╖è             287 ërr
  136. The fïal volume is 44.9 mL.èWe expect an ïcrease ï volume because ê
  137. pressure decreased.
  138. Ç C
  139.  4èA gas occupies a 300. mL glass bulb at a pressure ç 740 ërr.
  140. This glass bulb is connected ë an empty 500. mL glass bulb via a closed
  141. sëpcock.èWhat will be ê fïal pressure ï ê system when ê sëp-
  142. cock is opened?
  143.  
  144.     A) 278 ërr    B) 463 ërr    C) 444 ërr    D) 1233 ërr
  145. üèListïg ê variables, we have
  146.  
  147. P╢ = 740 ërr,è V╢ = 300. mL,è P╖ = ? ërr,è V╖ = 800. mL
  148.  
  149. We must be careful about ê fïal volume ï this problem.èWhen ê
  150. sëpcock is opened ê gas will occupy both glass bulbs.èThe ëtal vol-
  151. ume ç ê system is 300 mL + 500 mL = 800 mL.
  152. Rearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve for P╖, å substitutïg
  153. values for ê variables, we obtaï
  154. èèèèèV╢            è300. mL
  155. P╖ = P╢ x ──.èè P╖ = 740 ërr x ───────è= 278 ërr
  156. èèèèèV╖è            è800. mL
  157. The fïal pressure is 278 ërr.èWe expect ê pressure ë decrease because 
  158. ê volume ïcreased.
  159. Ç A
  160.  5èA large compressed gas cylïder contaïs helium at a pressure
  161. ç 2400. psi.èThe volume ç ê cylïder is 49.8 L.èWhat volume would
  162. ê helium occupy at 14.7 psi (1 atm)?
  163.  
  164.     A) 230. Lèè B) 1.76x10æ Lèè C) 50.1 Lèè D) 8.13x10Ä L
  165. üèListïg ê variables, we have
  166.  
  167. P╢ = 2400 psi,è V╢ = 49.8 L,è P╖ = 14.7 psi,è V╖ = ? L
  168.  
  169. The pressure units agree.èRearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve
  170. for V╖, å substitutïg values for ê variables, we obtaï
  171. èèèèèP╢             2400 psi
  172. V╖ = V╢ x ──.èè V╖ = 49.8 L x ─────────è= 8.13x10Ä L
  173. èèèèèP╖è             14.7 psi
  174. The fïal volume is 8.13x10Ä L.èWe expect an ïcrease ï ê volume,
  175. because ê pressure decreased.
  176. Ç D
  177.  6èA gas occupies a glass bulb at a pressure ç 694 ërr.èThis
  178. glass bulb is connected ë an empty 435 mL glass bulb via a closed valve.
  179. After ê valve was opened, ê pressure dropped ë 212 ërr.èWhat is
  180. ê volume ç ê origïal glass bulb?è(Assume temperature is constant.)
  181.  
  182.     A) 133 mL    B) 235 mL    C) 191 mL    D) 102 mL
  183. üèListïg ê variables, we have
  184.  
  185. P╢ = 694 ërr,è V╢ = ?,è P╖ = 212 ërr,è V╖ = V╢ + 435 mL
  186.  
  187. We must be careful about ê fïal volume ï this problem.èWhen ê
  188. valve is opened, ê gas will occupy both glass bulbs.èThe ëtal volume
  189. ç ê system is V╢ + 435 mL.èInsertïg ê values ïë Boyle's Law,
  190. gives:        èP╢V╢ = P╖V╖,
  191.     (694 ërr)(V╢) = (212 ërr)(V╢ + 435 mL)
  192. The units ç ê volume will be "mL".
  193.         694∙V╢ = 212∙V╢ + (212)(435)
  194.         482∙V╢ = (212)(435)
  195.         èèèè (212 ërr)(435 mL)è ┌────────┐
  196. èèèèèèèèèèV╢ = ────────────────── = │ 191 mL │
  197.             èè(482 ërr)èèèè└────────┘
  198. Ç C
  199.  7èA cylïder with a moveable pisën contaïs argon at a pressure
  200. ç 672 ërr ï a volume ç 1.50 L.èThe gas is compressed ë 20.0 mL.
  201. What is ê fïal pressure ç ê argon ï atm?
  202.  
  203.     A) 50.4 atm    B) 0.872 atm    C) 11.8 atmèè D) 66.3 atm
  204. üèListïg ê variables, we have
  205. P╢ = 672 ërr,èè V╢ = 1.50 L,èè P╖ = ? atm,èè V╖ = 20.0 mL
  206. Neiêr ê pressure units nor ê volume units agree.èConvertïg ë
  207. atmospheres å liters, we obtaï:
  208. P╢ = 672 ërr(1 atm/760 ërr) = 0.884 atm
  209. V╢ = 1.50 L
  210. P╖ = ? atm
  211. V╖ = 20.0 mLx(1 L/1000 mL) = 0.0200 L
  212. Solvïg Boyle's Law for P╖ yields
  213. èèèèèV╢            èè1.50 L
  214. P╖ = P╢ x ──.èè P╖ = 0.884 atm x ────────è= 66.3 atm
  215. èèèèèV╖è            è 0.0200 L
  216. The fïal pressure is 66.3 atm.èWe expect an ïcrease ï pressure
  217. because ê gas was compressed ïë a smaller volume.
  218. Ç D
  219.  8èA gas exerts a pressure ç 1.66 atm ï a volume ç 2.00 L.
  220. The gas is allowed ë expå until ê pressure is 81.3 kPa.èWhat is ê
  221. fïal volume ç ê gas, assumïg ê temperature was constant?
  222. (1 atm = 101.3 kPa)
  223.             A) 6.13 L        B) 4.13 L
  224.  
  225.             C) 2.97 L        D) 3.07 L
  226. üèListïg ê variables, we have
  227.  
  228. P╢ = 1.66 atm,èè V╢ = 2.00 L,èè P╖ = 81.3 kPa,èè V╖ = ? L
  229.  
  230. The pressure units do not match.èOne choice is ë convert ê atm ïë 
  231. kPa.èè P╢ = (1.66 atm)(101.3 kPa/1 atm) = 168 kPa
  232. Rearrangïg Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖, ë solve for V╖, å substitutïg
  233. values for ê variables, we obtaï
  234. èèèèèP╢            168 kPa
  235. V╖ = V╢ x ──.èè V╖ = 2.00 L x ────────è= 4.13 L
  236. èèèèèP╖è            81.3 kPa
  237. The fïal volume is 4.13 L.èWe expect an ïcrease ï ê volume, because
  238. ê pressure decreased.
  239. Ç B
  240.  9èA balloon contaïs 477 mL ç hydrogen at an atmospheric
  241. pressure ç 748.7 mm Hg.èWhat volume will ê hydrogen occupy at
  242. 762.2 mm Hg, if ê temperature does not change?
  243.  
  244.     A) 486 mL    B) 469 mL
  245.  
  246.     C) 1196 mL    D) 473 mL
  247. üèListïg ê variables, we have
  248.  
  249. P╢ = 748.7 mm Hg,èè V╢ = 477 mL,èè P╖ = 762.7 mm Hg,è V╖ = ? mL
  250.  
  251. The pressure units agree, so we can rearrange Boyle's Law, P╢V╢ = P╖V╖,
  252. ë solve for V╖.èSubstitutïg values for ê variables, we obtaï
  253.  
  254. èèèèèP╢            748.7 mm Hg
  255. V╖ = V╢ x ──.èè V╖ = 477 mL x ───────────è= 469 mL
  256. èèèèèP╖è            762.2 mm Hg
  257.  
  258. The fïal volume is 469 mL.èWe expect ê volume ë decrease because ê
  259. atmospheric pressure ïcreased.
  260. Ç B
  261.  10èA sërage bulb contaïs nitrogen at an unknown pressure ï a
  262. volume ç 5.00 L.èThe nitrogen expås ë occupy 7.92 L at a pressure ç
  263. 65.4 kPa.èAssumïg ê temperature did not change, what was ê ïitial
  264. pressure ç ê nitrogen ï kPa?
  265.  
  266.     A) 103.6 kPa        B) 169 kPa
  267.     C) 141 kPa        D) 106.6 kPa
  268. üèListïg ê variables we have
  269.  
  270. P╢ = ? kPa,èè V╢ = 5.00 L,èè P╖ = 65.4 kPa,èè V╖ = 7.92 L
  271.  
  272. Solvïg Boyle's Law for P╢ yields
  273.  
  274. èèèèèV╖            è 7.92 L
  275. P╢ = P╖ x ──.èè P╢ = 65.4 kPa x ────────è= 103.6 kPa
  276. èèèèèV╢è            è 5.00 L
  277.  
  278. The ïitial pressure was 103.6 kPa.èWe expect an origïal pressure ë
  279. have been higher than ê fïal pressure, because ê gas expåed.
  280. Ç A
  281.  
  282.  
  283.  
  284.  
  285.