"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Законы Гей-Люссака и Авогадро помогают сравнивать объёмы газов и связывать их с количеством молекул и вещества. Закон Гей-Люссака показывает соотношение объёмов газообразных реагентов и продуктов реакции. Закон Авогадро объясняет, почему равные объёмы разных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое число молекул. Эти правила нужны для расчётов по уравнениям реакций и определения объёма газа по его количеству.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон объёмных отношений газов, или закон Гей-Люссака, утверждает: при одинаковых температуре и давлении объёмы реагирующих газов и газообразных продуктов относятся как небольшие целые числа. Обычно эти числа совпадают с коэффициентами уравнения реакции, поэтому закон нужен для расчётов объёмов газов.
Закон Авогадро: в равных объёмах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Он помогает понять, почему объём газа можно связывать с количеством его вещества и сравнивать разные газы.
Молярный объём газа — объём, который занимает один моль газа при заданных температуре и давлении. Его обозначают Vₘ; при нормальных условиях он приблизительно равен 22,4 л/моль. Эта величина позволяет переходить от количества вещества к объёму: V = nVₘ.
Нормальные условия — температура 0 °C и давление 101,3 кПа. Для этих условий обычно используют молярный объём 22,4 л/моль. Обозначения: V — объём, n — количество вещества, Vₘ — молярный объём.
Объём газа зависит от температуры и давления. При нагревании частицы движутся быстрее и газ расширяется, а при повышении давления расстояния между частицами уменьшаются и газ сжимается. Поэтому два измеренных объёма нельзя справедливо сравнивать, если один газ был горячее или находился под другим давлением.
Закон Гей-Люссака связывает объёмы газов в реакции с коэффициентами уравнения. Например, запись 2H₂ + O₂ → 2H₂O означает, что при одинаковых условиях 2 объёма водорода реагируют с 1 объёмом кислорода. Образуется 2 объёма водяного пара, если продукт рассматривается в газообразном состоянии.
Причина действия закона Авогадро связана с тем, что при одинаковых температуре и давлении газ занимает объём в соответствии с числом его молекул. Поэтому в двух равных объёмах водорода и кислорода молекул будет поровну, хотя сами молекулы различаются. Массы этих объёмов могут быть разными, поскольку молекулы имеют разную массу.
Из закона Авогадро следует: одинаковое количество молекул газа соответствует одинаковому объёму при неизменных условиях. Один моль любого газа содержит одинаковое число частиц — постоянную Авогадро, поэтому один моль разных газов занимает одинаковый объём. Так появляется связь V = nVₘ, где объём пропорционален количеству вещества.
При нормальных условиях в расчётах принимают Vₘ ≈ 22,4 л/моль. Знак «приблизительно» нужен потому, что реальные газы немного отличаются от идеальной модели, а табличное значение округлено. Если температура или давление не нормальные, используют другое значение молярного объёма, указанное в условии или найденное по соответствующим данным.
| Что сравнивают | Закон Гей-Люссака | Закон Авогадро |
|---|---|---|
| Основное утверждение | Объёмы газов относятся как небольшие целые числа. | Равные объёмы газов содержат одинаковое число молекул. |
| Условия применимости | Одинаковые температура и давление; реагенты и продукты должны быть газами. | Одинаковые температура и давление; сравнивают объёмы газов. |
| Что можно определить | Объём одного газа по объёму другого и коэффициентам реакции. | Связь объёма с количеством вещества и молярным объёмом. |
| Пример применения | В реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O объёмы относятся как 2:1:2. | 0,5 моль газа при н. у. занимают 0,5 · 22,4 = 11,2 л. |
Сначала определите, что требуется найти: соотношение объёмов в реакции или объём по количеству вещества. Затем проверьте температуру и давление, а для закона Гей-Люссака — ещё и газообразное состояние веществ. Коэффициенты уравнения используйте как отношение объёмов только после уравнивания реакции.
Задача 1. Какой объём кислорода нужен для полного сгорания 2 л водорода по уравнению 2H₂ + O₂ → 2H₂O? Все объёмы измерены при одинаковых условиях. Нужно сопоставить объём водорода с коэффициентами веществ.
Ответ: для полного сгорания потребуется 1 л кислорода. Водяной пар в этой задаче имеет объём 2 л только при условии, что он остаётся газом и измеряется при тех же условиях.
Задача 2. Какой объём займут 0,5 моль азота при нормальных условиях? Известно, что при нормальных условиях молярный объём газа приблизительно равен 22,4 л/моль. Значит, применяем формулу прямой пропорциональности объёма и количества вещества.
Ответ: 0,5 моль азота занимают примерно 11,2 л. Единицы «моль» сокращаются, поэтому результат получается в литрах.
Задача 3. При реакции H₂ + Cl₂ → 2HCl получили 6 л хлороводорода. Нужно найти объёмы водорода и хлора при одинаковых температуре и давлении. Коэффициенты показывают отношение объёмов 1:1:2.
Ответ: водорода и хлора потребовалось по 3 л. Проверка: 3 + 3 условных объёма реагентов дают 6 л продукта согласно соотношению коэффициентов.
Сравнивать объёмы при разных условиях. Температура и давление изменяют объём газа, поэтому такой расчёт может дать неверный результат. Проверьте, указаны ли одинаковые условия измерения.
Распространять закон на любые вещества. Закон Гей-Люссака относится к объёмам газообразных реагентов и продуктов, а не к массам, жидкостям или твёрдым телам. Посмотрите, являются ли сравниваемые вещества газами.
Подменять объём числом молекул. Равные объёмы содержат одинаковое число молекул только при одинаковых температуре и давлении. Не делайте вывод о частицах, если условия не совпадают.
Использовать 22,4 л/моль всегда. Это значение относится приблизительно к нормальным условиям, а при других условиях молярный объём меняется. Сначала найдите температуру и давление в условии.
Для изучения законов нужно уметь составлять и уравнивать химические реакции. Коэффициенты показывают соотношение веществ, а для газов при одинаковых условиях — ещё и соотношение их объёмов. Также необходимо различать объём V и количество вещества n: первое измеряют, например, в литрах, второе — в молях.
Законы применяются в расчётах по уравнениям реакций с газами. Формула V = nVₘ позволяет переходить от количества вещества к объёму и обратно. Поэтому тема связывает химические уравнения, моль, молярный объём и расчёты состава реакции.
Почему объёмы газов нужно измерять при одинаковой температуре и давлении?
Температура и давление влияют на объём газа: при нагревании он расширяется, а при увеличении давления сжимается. Поэтому сравнение объёмов имеет смысл только при одинаковых условиях.
Как по уравнению реакции определить соотношение объёмов газов?
При одинаковых температуре и давлении объёмы газообразных веществ относятся так же, как коэффициенты перед ними в уравнении реакции. Например, в реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O объёмы водорода и кислорода относятся как 2:1.
Одинаково ли число молекул в равных объёмах разных газов?
Да, если объёмы измерены при одинаковых температуре и давлении. Это утверждает закон Авогадро.
Всегда ли молярный объём газа равен 22,4 л/моль?
Нет. Значение 22,4 л/моль относится приблизительно к нормальным условиям: 0 °C и 101,3 кПа. При другой температуре или давлении молярный объём изменяется.
Можно ли применять закон объёмных отношений к твёрдым и жидким веществам?
Нет, закон Гей-Люссака рассматривает объёмы реагирующих газов и газообразных продуктов. Для твёрдых и жидких веществ соотношение объёмов по коэффициентам реакции обычно не выполняется.
§ 26. Законы Гей-Люссака и Авогадро
