分压计算器(道尔顿分压定律)

根据混合气体的总压和各组分的摩尔分数(或摩尔数),利用道尔顿分压定律 P_i = x_i × P_total 计算各组分的分压。

分压计算与道尔顿分压定律是什么

分压计算,是指在多种气体混合而成的混合气体中,求出各成分气体各自单独所施加的压力(分压)。依英国化学家约翰・道尔顿所提出的道尔顿分压定律,混合气体的总压等于所有成分分压之和,而各成分的分压则以该成分的摩尔分率乘以总压表示(P_i = x_i × P_total)。从空气这类身边的混合气体,到潜水用的呼吸气体,想知道各成分压力的场合并不少见。

本工具只需输入总压与各成分的比例,便会依道尔顿分压定律自动计算各成分的分压。比例的输入可选摩尔分率或摩尔数,即使摩尔分率的合计偏离1,也会在保持比例的前提下正规化后计算,因此无须为细微的尾数调整烦恼。计算全部在浏览器内完成,所输入的数值不会传送至外部。

分压计算的使用方式

  1. 选择输入方式 已知摩尔分率时选择「以摩尔分率输入」,已知各成分物质量(摩尔数)时选择「以摩尔数输入」。
  2. 输入总压 输入混合气体整体的压力(P_total)。单位请统一为 atm、kPa、Torr 等您希望结果所用的单位。
  3. 输入各成分的数值 逐一输入各成分的摩尔分率或摩尔数。成分可用「新增成分」按钮在2〜5种之间增减。
  4. 确认各成分的分压 输入的同时便会显示各成分的摩尔分率与分压。若「分压合计(验算)」与总压一致,即可确认计算无误。

用好本工具的小技巧

  • 在摩尔数模式下,只需输入各组分的摩尔数,摩尔分数会自动计算,且总和必定为1。
  • 在摩尔分数模式下,即使各分数之和不等于1,系统也会按比例自动归一化,因此些许输入误差不影响使用。
  • 组分数量可在2〜5个之间自由增减。不妨以空气的主要成分(氮气、氧气、氩气、二氧化碳)为例试算一下。
  • 如果只想研究单一气体的压强、体积、温度与物质的量之间的关系,可以使用姊妹工具"理想气体状态方程计算器(PV=nRT)"。

分压计算有用的场合

由空气组成求氧分压

可由氮、氧、氩、二氧化碳的摩尔分率与气压(总压),一次确认各自的分压。适合在讨论高地与高山症、氧分压成为话题时的事前调查。

水肺潜水的呼吸气体管理

可由水深造成的总压变化,以及高氧混合气等混合气体的摩尔分率,试算氧分压与氮分压,作为思考氧中毒与减压症风险时的参考。

确认化学实验中混合气体的压力分担

在将多种气体封入同一容器的实验中,可由所投入的物质量(摩尔数)事先估算各成分分担多少压力。

与气体状态方程的组合

若想先求单一成分的压力、体积、温度、物质量的关系,亦可先以姊妹工具气体状态方程计算机(PV=nRT)求出各成分的摩尔数,再以本工具换算为分压。

与饱和水蒸气压的比较

处理潮湿气体时,确认水蒸气的分压是否未超过以饱和水蒸气压计算机求得之值,即可作为是否发生结露或过饱和的判断参考。

与分压相关的术语

分压
指假设混合气体中某一成分气体单独占据该容器时所呈现的压力。依道尔顿分压定律,以成分的摩尔分率乘以总压求得(P_i = x_i × P_total)。
摩尔分率
指某成分气体的物质量相对于混合气体整体物质量(摩尔数)的比例。取0〜1之值,所有成分的摩尔分率合计必为1。
道尔顿分压定律
指混合气体的总压等于各成分气体分压单纯相加之值的定律。1801年由英国化学家约翰・道尔顿提出。
总压
指多种气体混合而成的混合气体整体对容器壁所施加的压力。与各成分分压全部相加之值一致。
排水集气法
指将所产生的气体导入盛满水的容器中,藉排出水来收集气体的实验手法。所收集的气体会混入水蒸气,故欲求准确的气体分压,须自总压减去水蒸气的分压(饱和水蒸气压)。
理想气体
指假设可忽略分子间作用力与分子本身体积的假想气体。道尔顿分压定律与气体状态方程(PV=nRT)皆是以此理想气体的行为为前提的关系式。

常见问题

该定律指出,在混合气体中,每种气体的表现如同它单独占据整个容器一样,混合气体的总压等于各组分分压之和。每种组分的分压等于其摩尔分数乘以总压(P_i = x_i × P_total)。

摩尔分数是指某一组分气体的物质的量占混合气体总物质的量的比例。所有组分的摩尔分数之和必定为1。例如空气中氮气的摩尔分数约为0.78(78%)。

人体对氧气的吸收效率取决于氧气的分压,而不仅仅是其百分比浓度。在高海拔地区,总气压下降,即使氧气浓度仍为21%,氧分压也会降低,从而引发缺氧症状。相反,在深水潜水时总压升高,氧分压会过高,从而带来氧中毒的风险。

本工具在输入的摩尔分数之和与1相差较大时,会按比例自动归一化后再计算。如果总和已经接近1,则直接使用输入值进行计算。
工具君

闲话 ― 分压概念关乎生死的场合

道尔顿分压定律由以原子论闻名的英国化学家约翰·道尔顿于1801年提出。道尔顿本对气象学抱有浓厚兴趣,在研究大气中水蒸气及其他气体的行为时发现,即使多种气体混合在一起,每种气体仍各自独立地表现,混合气体的总压不过是各组分分压的简单之和。

我们呼吸的空气本身就是一种混合气体:氮气约占78%、氧气约占21%、氩气约占0.93%、二氧化碳约占0.04%。若地表附近气压为1个大气压,氧气的分压约为0.21个大气压——正是这一分压值,而非单纯的百分比,决定了氧气被血液吸收的效率。

分压的概念在医学和运动科学中同样不可或缺。高原反应是随着海拔升高、总气压下降、氧分压随之降低而引发的;而水肺潜水则相反,随着水深增加总压升高,氮气的分压随之上升,更容易溶入血液,这正是减压病(潜水病)的根本原因。正确理解分压,绝不只是化学计算问题,更直接关系到人身安全。