"Химия (базовый уровень)", Габриелян О.С., Остороумов И.Г., Сладков С.А.
Газообразные вещества не сохраняют собственные форму и объём, легко сжимаются и заполняют весь доступный сосуд. Их свойства объясняются большим расстоянием между частицами и хаотическим движением молекул. Для расчётов используют молярный объём, закон Авогадро, газовые законы и уравнение Менделеева—Клапейрона. Эти знания позволяют находить объём, давление, температуру, количество и молярную массу газа.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Газообразное состояние вещества — состояние, при котором частицы расположены далеко друг от друга, свободно движутся, а вещество не сохраняет форму и объём. Поэтому газ принимает форму сосуда и заполняет всё доступное пространство. В задачах объём обозначают V, давление — p, температуру — T.
Идеальный газ — модель газа, в которой размерами и взаимодействием частиц пренебрегают, кроме столкновений. Она не описывает реальное вещество во всех деталях, но хорошо подходит для большинства школьных расчётов. Благодаря этой модели связь между p, V, T и количеством вещества выражается простой формулой.
Молярный объём газа — объём, занимаемый одним молем газа при заданных температуре и давлении. Его обозначают Vₘ и находят из отношения Vₘ = V/n. Величина не является постоянной вообще: она меняется при изменении температуры или давления.
Закон Авогадро утверждает: при одинаковых температуре и давлении равные объёмы разных газов содержат одинаковое число молекул. Поэтому при одних и тех же условиях объёмы газов пропорциональны их количеству вещества. Закон помогает переходить от объёма газа к числу молекул или молей.
Газы легко сжимаются и расширяются, потому что расстояния между их частицами значительно превышают размеры самих частиц. При сжатии в основном уменьшаются промежутки между молекулами, а не сами молекулы. При снятии внешнего давления частицы снова расходятся и занимают больший объём.
Газ не сохраняет форму и объём из-за хаотического движения частиц. Каждая молекула движется в разных направлениях и сталкивается с другими частицами и стенками сосуда. В результате газ постепенно распределяется по всему доступному пространству, независимо от его формы.
Давление создаётся столкновениями молекул со стенками сосуда. Во время удара частица передаёт стенке импульс, то есть изменяет её механическое состояние. Миллиарды таких ударов за короткое время создают наблюдаемое давление, которое измеряют в паскалях.
Давление зависит от температуры, объёма и количества вещества, потому что эти величины меняют число и силу столкновений. При нагревании частицы движутся быстрее и сильнее ударяются о стенки. При уменьшении объёма столкновения происходят чаще, а добавление газа увеличивает общее число частиц и ударов.
Все эти зависимости объединяет уравнение Менделеева—Клапейрона: pV = nRT. Если зафиксировать две величины, из него получаются частные газовые законы: при постоянной температуре pV = const, при постоянном давлении V/T = const, при постоянном объёме p/T = const. Для неизменного количества газа также используют объединённую запись p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.
| Свойство или закон | Формулировка или формула | Условия применения | Практический вывод |
|---|---|---|---|
| Отсутствие собственной формы и объёма | Газ принимает форму сосуда и заполняет его объём | Свободное движение частиц | Газ распределяется по всему доступному пространству |
| Сжимаемость | Объём можно уменьшить внешним давлением | Расстояния между частицами велики | Газ удобно хранить в баллонах |
| Маленькая плотность | ρ = m/V; обычно плотность газа мала | При обычных температурах и давлениях | Газ занимает большой объём при небольшой массе |
| Давление газа | Результат ударов частиц о стенки | Газ находится в сосуде | Давление меняется при изменении p, V, T и n |
| Закон Бойля—Мариотта | pV = const | T и n постоянны | При уменьшении объёма давление возрастает |
| Закон Гей-Люссака | V/T = const | p и n постоянны | При нагревании газ расширяется |
| Закон Шарля | p/T = const | V и n постоянны | При нагревании в закрытом жёстком сосуде давление растёт |
| Закон Авогадро | Равные объёмы содержат равное число молекул | T и p одинаковы | V пропорционален количеству вещества |
| Уравнение Менделеева—Клапейрона | pV = nRT | Для идеального газа | Можно связать четыре основные характеристики газа |
| Молярный объём при нормальных условиях | Vₘ = 22,4 л/моль | 0 °C и 101,3 кПа | V = nVₘ |
Сначала определите, какие величины постоянны, а какие изменяются, и только потом выбирайте закон. Если одновременно меняются давление, объём и температура, удобнее использовать объединённый газовый закон. При неизвестном количестве вещества применяйте уравнение pV = nRT.
В таблице температура указана как абсолютная: в формулах нужно использовать кельвины. Давление и объём можно брать в любых согласованных единицах, если это соответствует выбранному значению газовой постоянной.
Условие: определить объём 2 моль кислорода при нормальных условиях. При этих условиях один моль любого идеального газа занимает 22,4 л. Значит, достаточно использовать молярный объём, не вычисляя массу кислорода.
Ответ: объём кислорода равен 44,8 л.
Условие: относительная плотность газа по водороду равна 16. Относительная плотность показывает, во сколько раз молярная масса исследуемого газа больше молярной массы газа сравнения. Для водорода M(H₂) = 2 г/моль.
Ответ: молярная масса газа равна 32 г/моль.
Условие: требуется найти объём данной массы газа после изменения температуры и давления. Масса постоянна, значит, постоянно и количество вещества. Для такого случая сравнивают два состояния газа, а температуру предварительно переводят в кельвины.
Ответ: объём после изменения условий рассчитывают по формуле V₂ = p₁V₁T₂/(T₁p₂), подставляя давления в одинаковых единицах.
Температуру подставляют в градусах Цельсия вместо кельвинов. Так происходит, когда забывают, что газовые законы используют абсолютную шкалу. Проверьте себя: перед расчётом должно быть T = t + 273.
Число 22,4 л/моль применяют при любых условиях. Его запоминают как универсальную константу, хотя оно относится только к нормальным условиям. Сверяйте температуру и давление в условии с условиями для молярного объёма.
Путают массу, количество вещества и молярную массу. Причина ошибки — похожие обозначения и неправильный выбор формулы. Проверьте единицы: n измеряется в молях, m — в граммах, M — в г/моль, а n = m/M.
Считают, что давление определяется только количеством газа. На самом деле на него также влияют температура и объём, поскольку они меняют скорость и частоту столкновений. Перед решением перечислите все изменяющиеся величины.
Для изучения газов нужны представления о строении вещества, хаотическом движении частиц, относительной атомной и молекулярной массе, количестве вещества и моле. Эти знания позволяют переводить массу и объём в количество частиц.
Тема используется в расчётах по уравнениям химических реакций с газами и при определении состава неизвестных веществ. Далее она помогает понимать растворы, химическое равновесие, скорость реакций и промышленные газовые процессы.
Почему газ можно сжать, а жидкость — значительно труднее?
В газе расстояния между частицами намного больше размеров самих частиц, поэтому при сжатии можно значительно уменьшить промежутки между ними. В жидкости частицы расположены близко, и свободного пространства гораздо меньше.
Почему давление газа увеличивается при нагревании закрытого сосуда?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще, сильнее ударяются о стенки сосуда. Если объём и количество газа не меняются, это приводит к росту давления.
Можно ли использовать значение 22,4 л/моль при комнатной температуре?
Нет, 22,4 л/моль — молярный объём идеального газа при нормальных условиях: 0 °C и примерно 101,3 кПа. При комнатной температуре объём одного моля газа немного больше, поэтому нужно учитывать заданные условия.
Чем идеальный газ отличается от реального?
Идеальный газ — упрощённая модель: размеры частиц и их взаимодействие не учитывают, кроме столкновений. У реального газа частицы имеют собственный объём и притягиваются или отталкиваются, особенно при высоком давлении и низкой температуре.
Как выбрать формулу для расчёта объёма газа в конкретной задаче?
Если известны количество вещества и условия, используют V = nVₘ или уравнение Менделеева—Клапейрона. При сравнении начального и конечного состояний применяют p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂, если количество газа постоянно. Температуру во всех газовых формулах выражают в кельвинах.
§ 8. Газообразные вещества
