"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Газы не сохраняют собственные форму и объём: они распространяются по всему сосуду и легко сжимаются. Эти свойства связаны с хаотичным движением частиц и большими промежутками между ними. Зная объём газа при нормальных условиях, можно вычислить количество вещества, число молекул и массу. Закон Авогадро помогает сравнивать объёмы газов и находить их соотношение в химических реакциях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Газообразное состояние вещества — состояние, при котором вещество не сохраняет собственные форму и объём, а занимает весь объём сосуда. Частицы газа свободно перемещаются, поэтому он распространяется по доступному пространству. Это представление помогает объяснить, почему газ нельзя хранить без закрытого сосуда.
Нормальные условия — температура 0 °C и давление 101,3 кПа. Эти условия служат общей точкой отсчёта для школьных расчётов с газами. Если условия задачи отличаются, значение молярного объёма для нормальных условий применять напрямую нельзя.
Молярный объём газа Vm — объём, занимаемый одним молем газа. При нормальных условиях Vm = 22,4 л/моль. Эта величина позволяет перейти от измеренного объёма газа к количеству вещества, не пересчитывая молекулы по одной.
Закон Авогадро утверждает: равные объёмы разных газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Закон позволяет сопоставлять объёмы газов даже тогда, когда их молекулы имеют разный состав и массу. Благодаря ему можно находить объёмы реагентов и продуктов по уравнению реакции.
Частицы газа находятся далеко друг от друга по сравнению с их размерами и постоянно движутся в случайных направлениях. Они сталкиваются между собой и со стенками сосуда, но большую часть времени между столкновениями перемещаются свободно. Поэтому частицы постепенно распределяются по всему доступному пространству: газ не остаётся только в части сосуда, а заполняет его целиком. Большие промежутки между частицами также позволяют сблизить их при сжатии, отчего объём газа легко уменьшается.
При нормальных условиях один моль любого газа занимает 22,4 л, поэтому объём и количество вещества связаны формулой V = n·Vm. Здесь V — объём газа в литрах, n — количество вещества в молях, а Vm — молярный объём в л/моль. Чтобы найти объём, количество вещества умножают на молярный объём; чтобы найти количество вещества, объём делят на Vm. Такая связь действует при указанных условиях, поскольку при изменении температуры или давления меняется и объём, приходящийся на моль газа.
Молярный объём разных газов при одинаковых температуре и давлении одинаков не потому, что одинаковы их молекулы. Согласно закону Авогадро, одинаковые объёмы содержат одинаковое число молекул, а значит, при равных объёмах и одинаковых условиях в них приходится одинаковое число частиц на единицу объёма. Один моль любого вещества содержит одно и то же число молекул. Поэтому объём одного моля газа определяется условиями, а не тем, из каких атомов состоят молекулы.
Коэффициенты уравнения реакции задают соотношение числа молекул реагирующих веществ и продуктов. Для газов при одинаковых температуре и давлении такое же соотношение получается для объёмов: одинаковому числу молекул соответствует одинаковый объём. Например, в уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O коэффициенты показывают, что два объёма водорода реагируют с одним объёмом кислорода. Сравнивать таким образом можно объёмы газообразных веществ, если они измерены при одних и тех же температуре и давлении.
Расчёт начинают с проверки условий и единиц, затем выбирают формулу под искомую величину. При нормальных условиях количество вещества находят как n = V/Vm, число молекул — как N = n·NA, а массу — как m = n·M, где NA — постоянная Авогадро, M — молярная масса. Если объём дан в миллилитрах или кубических сантиметрах, его сначала переводят в литры: 1000 мл = 1 л и 1000 см³ = 1 л. Последовательный переход от объёма к молям, а затем к молекулам или массе помогает не смешивать разные физические величины.
| Величина или соотношение | Обозначение и формула | Единицы или условия применения |
|---|---|---|
| Количество вещества газа | n | моль |
| Объём газа | V | л; при вычислениях следите за переводом единиц |
| Молярный объём при нормальных условиях | Vm = 22,4 л/моль | 0 °C и 101,3 кПа |
| Связь объёма и количества вещества | V = n·Vm; n = V/Vm | Vm берут для соответствующих условий |
| Связь объёмов газов в реакции | V₁ : V₂ = коэффициенты | Газы при одинаковых температуре и давлении |
Сначала найдите в таблице нужную величину и проверьте, соответствуют ли условия задачи указанным. Для массы или числа молекул сначала определите количество вещества, а затем используйте подходящую формулу. Объём в миллилитрах перед подстановкой переведите в литры.
Задача 1. Найти количество вещества кислорода объёмом 11,2 л при нормальных условиях. Искомая величина — n, а объём уже дан в литрах, поэтому перевод единиц не требуется. При нормальных условиях используем Vm = 22,4 л/моль и формулу n = V/Vm.
Ответ: количество вещества кислорода равно 0,5 моль. Объём составляет половину молярного объёма, поэтому и количество вещества составляет половину моля.
Задача 2. Определить массу углекислого газа объёмом 5,6 л при нормальных условиях. Сразу находить массу по объёму нельзя: сначала объём переводим в количество вещества, а затем используем молярную массу CO₂. Молярная масса углекислого газа равна M(CO₂) = 12 + 2·16 = 44 г/моль.
Ответ: масса углекислого газа равна 11 г. Такой порядок действий удобен для любых подобных задач: объём — к количеству вещества, количество вещества — к массе.
Задача 3. Какой объём водорода при нормальных условиях потребуется для реакции с 4,0 л кислорода с образованием воды? Сначала нужно установить соотношение реагентов по сбалансированному уравнению, а затем применить его к объёмам. Уравнение реакции: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Ответ: потребуется 8,0 л водорода. Водяной пар в уравнении тоже газ, но в задаче требуется только объём водорода, необходимый для реакции с заданным кислородом.
Первая ошибка — использовать 22,4 л/моль при любых условиях. Так поступают, запомнив число, но забыв, что оно относится только к 0 °C и 101,3 кПа. Проверьте температуру и давление в условии: если они другие, нельзя автоматически подставлять молярный объём при нормальных условиях.
Вторая ошибка — подставлять миллилитры или кубические сантиметры в формулу, рассчитанную на объём в литрах. Это происходит, когда единицы не переводят перед вычислением, и результат отличается в тысячу раз. Проверьте единицы: 5600 мл нужно записать как 5,6 л, а 1 см³ равен 1 мл.
Третья ошибка — путать молярный объём и молярную массу. Названия похожи, но первая величина измеряется в л/моль, а вторая — в г/моль; путаница приводит к неверному выбору формулы. Перед подстановкой проверьте и обозначение, и единицу измерения каждой величины.
Четвёртая ошибка — сравнивать объёмы газов в реакции, не проверив температуру и давление. Соотношение объёмов как коэффициентов работает только при одинаковых условиях, хотя коэффициенты уравнения остаются теми же. Убедитесь, что все сравниваемые объёмы относятся к одной температуре и одному давлению.
Для расчётов с газами нужны понятия количества вещества, моля и молярной массы, а также умение составлять уравнения химических реакций. Эти знания помогают перейти от объёма газа к числу молей, массе или количеству молекул. Закон Авогадро применяется при расчётах по уравнениям реакций с газообразными веществами и при определении объёмов газообразных продуктов. Связь объёма с температурой и давлением станет основой для дальнейшего изучения газовых законов и уравнения состояния газа.
Почему разные газы занимают одинаковый объём, если в них содержится одинаковое число молекул?
При одинаковых температуре и давлении среднее расстояние между частицами определяется условиями, а не видом газа. Поэтому одинаковое число молекул разных газов занимает одинаковый объём.
Что называют нормальными условиями?
В школьных расчётах нормальными условиями называют температуру 0 °C и давление 101,3 кПа. Для этих условий молярный объём газа принимают равным 22,4 л/моль.
Всегда ли молярный объём газа равен 22,4 л/моль?
Нет, это значение относится только к нормальным условиям. При другой температуре или давлении молярный объём изменяется, поэтому использовать 22,4 л/моль без проверки условий нельзя.
Как по объёму газа найти его массу?
Если газ находится при нормальных условиях, сначала вычисляют количество вещества: n = V/Vm. Затем находят массу по формуле m = n·M, где M — молярная масса газа.
Почему объёмы газов в уравнении реакции относятся как коэффициенты?
По закону Авогадро одинаковые объёмы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Коэффициенты уравнения показывают соотношение числа молекул реагентов и продуктов, поэтому в тех же условиях они задают и соотношение объёмов газов.
§ 8. Газообразные вещества
