Прежде чем решать задачи, следует занть формулы и правила того, как найти объем газа. Следует вспомнить закон Авогадро. А сам объем газа можно вычислить при помощи нескольких формул, выбрав из них подходящую. При подборе необходимой формулы, большое значение имеют условия среды, в частности температура и давление.
Закон Авогадро
В нем говорится, что при одинаковом давлении и одинаковой температуре, в одних и тех же объемах разных газов, будет содержаться одинаковое число молекул. Количество молекул газа, содержащихся в одном моле, это есть число Авогадро. Из этого закона следует, что: 1 Кмоль (киломоль) идеального газа, причем любого, при одинаковом давлении и температуре (760 мм рт.ст. и t = 0*С) всегда занимает один объем = 22,4136 м3.
Как определить объем газа
- Формулу V=n*Vm чаще всего можно встретить в задачах. Здесь объем газа в литрах - V, Vm – объем газа молярный (л/моль), который при нормальных условиях = 22,4 л/моль, а n – количество вещества в молях. Когда в условиях нет количества вещества, но при этом есть масса вещества, тогда поступаем таким образом: n=m/M. Здесь М – г/моль (молярная масса вещества), а масса вещества в граммах - m. В таблице Менделеева она написана под каждым элементом, как его атомная масса. Сложим все массы и получим искомую.
- Итак, как рассчитать объем газа. Вот задача: в соляной кислоте растворить 10 г алюминия. Вопрос: сколько водорода может выделиться при н. у.? Уравнение реакции выглядит так: 2Al+6HCl(изб.)=2AlCl3+3H2. В самом начале находим алюминий (количество), вступивший в реакцию по формуле: n(Al)=m(Al)/M(Al). Массу алюминия (молярную) возьмем из таблицы Менделеева M(Al)=27г/моль. Подставим: n(Al)=10/27=0,37моль. Из химического уравнения видно, 3 моли водорода образовались при растворении 2-х молей алюминия. Следует рассчитать, а сколько же водорода выделится из 0,4 моли алюминия: n(H2)=3*0,37/2=0,56моль. Подставим данные в формулу и найдем объем этого газа. V=n*Vm=0,56*22,4=12,54л.
Молярный объем газа равен отношению объема газа к количеству вещества этого газа, т.е.
V m = V(X) / n(X),
где V m - молярный объем газа - постоянная величина для любого газа при данных условиях;
V(X) – объем газа Х;
n(X) – количество вещества газа Х.
Молярный объем газов при нормальных условиях (нормальном давлении р н = 101 325 Па ≈ 101,3 кПа и температуре Т н =273,15 К ≈ 273 К) составляет V m = 22,4 л/моль.
Законы идеальных газов
В расчетах, связанных с газами, часто приходится переходить от данных условий к нормальным или наоборот. При этом удобно пользоваться формулой, следующей из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
pV / Т = p н V н / Т н
Где p -давление; V - объем; Т- температура вшкале Кельвина; индекс «н» указывает на нормальные условия.
Объемная доля
Состав газовых смесей часто выражают при помощи объемной доли - отношения объема данного компонента к общему объему системы, т.е.
φ(Х) = V(X) / V
где φ(Х) - объемная доля компонента Х;
V(X) - объем компонента Х;
V - объем системы.
Объемная доля - безразмерная величина, её выражают в долях от единицы или в процентах.
Пример 1. Какой объем займет при температуре 20°С и давлении 250 кПа аммиак массой 51 г?
|
|
1. Определяем количество вещества аммиака: n(NH 3) = m(NH 3) / М(NH 3) = 51 / 17 = 3 моль. 2. Объем аммиака при нормальных условиях составляет: V(NH 3) = V m · n(NH 3) = 22,4 · 3 = 67,2 л. 3. Используя формулу (3), приводим объем аммиака к данным условиям (температура Т = (273 + 20) К = 293 К): V(NH 3) = p н V н (NH 3) / pТ н = 101,3 · 293 · 67,2 / 250 · 273 = 29,2 л. Ответ: V(NH 3) = 29,2 л. |
Пример 2. Определите объем, который займет при нормальных условиях газовая смесь, содержащая водород, массой 1,4 г и азот, массой 5,6 г.
|
|
1. Находим количества вещества водорода и азота: n(N 2) = m(N 2) / М(N 2) = 5,6 / 28 = 0,2 моль n(H 2) = m(H 2) / М(H 2) = 1,4 / 2 = 0,7 моль 2. Так как при нормальных условиях эти газы не взаимодействуют между собой, то объем газовой смеси будет равен сумме объемов газов, т.е. V(смеси) = V(N 2) + V(H 2) = V m · n(N 2) + V m · n(H2) = 22,4 · 0,2 + 22,4 · 0,7 = 20,16 л. Ответ: V(смеси) = 20,16 л. |
Закон объемных отношений
Как решить задачу с использованием «Закона объемных отношений»?
Закон объемных отношений: объемы газов, участвующих в реакции, относятся друг к другу как небольшие целые числа, равные коэффициентам в уравнении реакции.
Коэффициенты в уравнениях реакций показывают числа объемов реагирующих и образовавшихся газообразных веществ.
Пример. Вычислите объем воздуха, необходимый для сгорания 112 л ацетилена.
1. Составляем уравнение реакции:
2. На основании закона объемных отношений вычисляем объем кислорода:
112 / 2 = Х / 5, откуда Х = 112 · 5 / 2 = 280л
3. Определяем объм воздуха:
V(возд) = V(O 2) / φ(O 2)
V(возд) = 280 / 0,2 = 1400 л.
^ Молярная масса и молярный объем вещества. Молярная масса – масса моля вещества. Она рассчитывается через массу и количество вещества по формуле:Мв = К· Мr (1)
Где: К – коэффициент пропорциональности, равный 1г/моль.
В самом деле, для изотопа углерода 12 6 С Аr = 12, а молярная масса атомов (по определению понятия «моль») равна 12г/моль. Следовательно, численные значения двух масс совпадают, а значит, К = 1. Отсюда следует, что молярная масса вещества, выраженная в граммах на моль, имеет то же численное значение, что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Так, молярная масса атомарного водорода равна 1,008г/моль, молекулярного водорода – 2,016г/моль, молекулярного кислорода – 31,999г/моль.
Согласно закону Авогадро одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. С другой стороны, 1 моль любого вещества содержит (по определению) одинаковое число частиц. Отсюда следует, что при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.
Отношение объема, занимаемого веществом, к его к его количеству называется молярным объемом вещества. При нормальных условиях (101,325 кПа; 273 К) молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль (точнее, Vn = 22,4 л/моль). Это утверждение справедливо для такого газа, когда другими видами взаимодействия его молекул между собой, кроме их упругого столкновения, можно пренебречь. Такие газы называют идеальными. Для неидеальных газов, называемых реальными, молярные объемы различны и несколько отличаются от точного значения. Однако в большинстве случаев различие сказывается лишь в четвертой и последующих значащих цифрах.
Измерения объемов газа обычно проводят при условиях, отличных от нормальных. Для приведения объема газа к нормальным условиям можно пользоваться уравнением, объединяющим газовые законы Бойля – Мариотта и Гей – Люссака:
pV / T = p 0 V 0 / T 0
Где: V – объем газа при давлении p и температуре T;
V 0 – объем газа при нормальном давлении p 0 (101,325 кПа) и температуре T 0 (273,15 К).
Молярные массы газов можно вычислить также, пользуясь уравнением состояния идеального газа – уравнением Клапейрона – Менделеева:
pV = m B RT / M B ,
Где: p – давление газа, Па;
V – его объем, м 3 ;
M B - масса вещества, г;
M B – его молярная масса, г/моль;
Т – абсолютная температура, К;
R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж / (моль·К).
Если объем и давление газа выражены в других единицах измерения, то значение газовой постоянной в уравнении Клапейрона – Менделеева примет другое значение. Оно может быть рассчитано по формуле, вытекающей из объединенного закона газового состояния для моля вещества при нормальных условиях для одного моля газа:
R = (p 0 · V 0 / T 0)
Пример 1. Выразите в молях: а) 6,0210 21 молекул СО 2 ; б) 1,2010 24 атомов кислорода; в) 2,0010 23 молекул воды. Чему равна молярная масса указанных веществ?
Решение. Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определённого сорта, равное постоянной Авогадро. Отсюда, а) 6,0210 21 т.е. 0,01 моль; б) 1,2010 24 , т.е. 2 моль; в) 2,0010 23 , т.е. 1 / 3 моль. Масса моля вещества выражается в кг/моль или г/моль. Молярная масса вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.)
Так как молекулярные массы СО 2 и Н 2 О и атомная масса кислорода соответственно равны 44; 18 и 16а.е.м.,то их молярные массы равны: а) 44г/моль; б) 18г/моль; в)16г/моль.
Пример 2. Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты в граммах.
Решение. Моль любого вещества (см. пример 1) содержит постоянную Авогадро N A структурных единиц (в нашем примере молекул). Молярная масса H 2 SO 4 равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы 98/(6,02 10 23) = 1,63 10 -22 г.
Моля́рный объём - объём одного моля вещества, величина, получающаяся от деления молярной массы на плотность. Характеризует плотность упаковки молекул.
Значение N A = 6,022…×10 23 называется числом Авогадро в честь итальянского химика Амедео Авогадро. Это универсальная постоянная для мельчайших частиц любого вещества.
Именно такое количество молекул содержит 1 моль кислорода О 2 , такое же количество атомов в 1 моле железа (Fe), молекул в 1 моле воды H 2 O и т. д.
Согласно закону Авогадро, 1 моль идеального газа при нормальных условиях имеет один и тот же объём V m = 22,413 996(39) л . При нормальных условиях большинство газов близки к идеальным, поэтому вся справочная информация о молярном объёме химических элементов относится к их конденсированным фазам, если не оговорено обратно
Где m-масса,M-молярная масса, V- объем.
4. Закон Авогадро. Установлен итальянским физиком Авогадро в 1811 г. Одинаковые объемы любых газов, отобранные при одной температуре и одинаковом давлении, содержат одно и тоже число молекул.
Таким образом, можно сформулировать понятие количества вещества: 1 моль вещества содержит число частиц, равное 6,02*10 23 (называемое постоянной Авогадро)
Следствием этого закона является то, что 1 моль любого газа занимает при нормальных условиях (Р 0 =101,3кПа и Т 0 =298К) объём, равный 22,4л.
5. Закон Бойля-Мариотта
При постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится:
6. Закон Гей-Люссака
При постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально температуре:
V/T = const.
7. Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить объединенным законом Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, которым пользуются для приведения объемов газа от одних условий к другим:
P 0 , V 0 ,T 0 -давление объема и температуры при нормальных условиях: P 0 =760 мм рт. ст. или 101,3 кПа; T 0 =273 К (0 0 С)
8. Независимая оценка значения молекулярноймассы М может быть выполнена с использованием так называемого уравнения состояния идеального газа или уравнения Клапейрона-Менделеева :
pV=(m/M)*RT=vRT. (1.1)
где р - давление газа в замкнутой системе, V - объем системы, т - масса газа, Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная.
Отметим, что значение постоянной R может быть получено подстановкой величин, характеризующих один моль газа при н.у., в уравнение (1.1):
r = (р V)/(Т)=(101,325кПа 22.4 л)/(1 моль 273К)=8.31Дж/моль.К)
Примеры решения задач
Пример 1. Приведение объема газа к нормальным условиям.
Какой объем (н.у.) займут 0,4×10 -3 м 3 газа, находящиеся при 50 0 С и давлении 0,954×10 5 Па?
Решение. Для приведения объема газа к нормальным условиям пользуются общей формулой, объединяющей законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
pV/T = p 0 V 0 /T 0 .
Объем газа (н.у.) равен , где Т 0 = 273 К; р 0 = 1,013×10 5 Па; Т = 273 + 50 = 323 К;
М 3 = 0,32×10 -3 м 3 .
При (н.у.) газ занимает объем, равный 0,32×10 -3 м 3 .
Пример 2. Вычисление относительной плотности газа по его молекулярной массе.
Вычислите плотность этана С 2 Н 6 по водороду и воздуху.
Решение. Из закона Авогадро вытекает, что относительная плотность одного газа по другому равна отношению молекулярных масс (М ч ) этих газов, т.е. D=М 1 /М 2 . Если М 1 С2Н6 = 30, М 2 Н2 = 2, средняя молекулярная масса воздуха равна 29, то относительная плотность этана по водороду равна D Н2 = 30/2 =15.
Относительная плотность этана по воздуху: D возд = 30/29 = 1,03, т.е. этан в 15 раз тяжелее водорода и в 1,03 раза тяжелее воздуха.
Пример 3. Определение средней молекулярной массы смеси газов по относительной плотности.
Вычислите среднюю молекулярную массу смеси газов, состоящей из 80 % метана и 20 % кислорода (по объему), используя значения относительной плотности этих газов по водороду.
Решение. Часто вычисления производят по правилу смешения, которое заключается в том, что отношение объемов газов в двухкомпонентной газовой смеси обратно пропорционально разностям между плотностью смеси и плотностями газов, составляющих эту смесь. Обозначим относительную плотность газовой смеси по водороду через D Н2 . она будет больше плотности метана, но меньше плотности кислорода:
80D Н2 – 640 = 320 – 20D Н2 ; D Н2 = 9,6.
Плотность этой смеси газов по водороду равна 9,6. средняя молекулярная масса газовой смеси М Н2 = 2D Н2 = 9,6×2 = 19,2.
Пример 4. Вычисление молярной массы газа.
Масса0,327×10 -3 м 3 газа при 13 0 С и давлении 1,040×10 5 Па равна 0,828×10 -3 кг. Вычислите молярную массу газа.
Решение. Вычислить молярную массу газа можно, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:
где m – масса газа; М – молярная масса газа; R – молярная (универсальная) газовая постоянная, значение которой определяется принятыми единицами измерения.
Если давление измерять в Па, а объем в м 3 , то R =8,3144×10 3 Дж/(кмоль×К).
P1V1=P2V2, или, что то же самое, PV=const (закон Бойля-Мариотта). При постоянном давлении постоянным остается отношение объема к температуре: V/T=const (закон Гей-Люссака). Если же зафиксировать объем, то P/T=const (закон Шарля). Объединение этих трех законов дает универсальный закон, который гласит, что PV/T=const. Данное уравнение было установлено французским физиком Б. Клапейроном в 1834 году.
Значение постоянной определяется лишь количеством вещества газа . Д.И. Менделеев в 1874 году вывел уравнение для одного моля. Так он значение универсальной постоянной: R=8,314 Дж/(моль∙К). Итак, PV=RT. В случае произвольного количества газа ν PV=νRT. Само количество вещества можно найти из массы к молярной массе: ν=m/M.
Молярная масса численно равна относительной молекулярной. Последнюю можно найти из таблицы Менделеева, она указывается в ячейке элемента, как правило, . Молекулярная масса равна сумме молекулярных масс входящих в него элементов. В случае разновалентных атомов требуется на индекс. Напри мер, M(N2O)=14∙2+16=28+16=44 г/моль.
Нормальными условиями для газов при нято считать P0 =1 атм = 101, 325 кПа, температуру T0=273,15 К = 0°C. Теперь можно найти объем одного моля газа при нормальных условиях : Vm=RT/P0=8,314∙273,15/101,325=22,413 л/моль. Эта табличная величина является молярным объемом.
При нормальных условиях количество отношению объема газа к молярному объему: ν=V/Vm. При произвольных условиях надо использовать непосредственно уравнение Менделеева-Клапейрона: ν=PV/RT.
Таким образом, чтобы найти объем газа при нормальных условиях , надо количество вещества (число молей) этого газа умножить на молярный объем, равный 22,4 л/моль. Обратной операцией можно найти количество вещества из заданного объема.
Чтобы найти объем одного моля вещества в твердом или жидком состоянии, найдите его молярную массу и поделите на плотность. Один моль любого газа в нормальных условиях имеет объем 22,4 л. В том случае если условия изменяются, рассчитайте объем одного моля при помощи уравнения Клапейрона-Менделеева.
Вам понадобится
- периодическая таблица Менделеева, таблица плотности веществ, манометр и термометр.
Инструкция
Определение объема одного моля или твердого тела
Определите химическую формулу твердого тела или жидкости, которая изучается. Затем, с помощью периодической таблицы Менделеева найдите атомные массы элементов, которые входят в формулу. Если один в формулу несколько раз, умножьте его атомную массу на это число. Сложите атомные массы и получите молекулярную массу , из которого состоит твердое тело или жидкость. Она будет численно равна молярной массе, измеренной в граммах на моль.
По таблице плотности веществ найдите эту величину для материала изучаемого тела или жидкости. После этого поделите молярную массу на плотность данного вещества, измеренную в г/см³ V=M/ρ. В результате получите объем одного моля в см³. Если вещества осталась неизвестной, определить объем одного его моля будет невозможно.
