§ 39. Объёмные отношения газов при химических реакциях

Определения и обозначения

Объёмное отношение газов — отношение объёмов газообразных веществ, участвующих в реакции или образующихся в ней при одинаковых температуре и давлении. Например, запись 1 : 3 может означать, что на один объём одного газа приходится три объёма другого. Это отношение помогает понять, сколько газа потребуется или получится.

Закон объёмных отношений газов утверждает, что при одинаковых условиях объёмы реагирующих газов и газообразных продуктов относятся как небольшие целые числа. Эти числа можно получить из уравнения реакции. Закон нужен, чтобы связывать уравнение с измеряемыми объёмами газов.

Коэффициент в уравнении реакции — число перед формулой вещества, показывающее соотношение частиц, вступающих в реакцию или образующихся в ней. Для газов при одинаковой температуре и давлении это число показывает и соотношение объёмов. Поэтому перед расчётом коэффициенты нужно правильно расставить и уравнять реакцию.

Молярный объём газа — объём одного моля газа. При одинаковых температуре и давлении равные количества вещества любого газа занимают равные объёмы, поэтому объём связан с количеством вещества напрямую. Это объясняет, почему для разных газов можно сравнивать объёмы по коэффициентам уравнения.

Как это устроено

Закон объёмных отношений применяют, когда все сравниваемые газы находятся при одинаковой температуре и давлении. Причина в том, что объём газа зависит не только от количества частиц, но и от условий, в которых газ находится. Если условия различаются, один и тот же объём может соответствовать разным количествам вещества. Поэтому перед сравнением нужно убедиться, что температура и давление одинаковы.

При одинаковых температуре и давлении объём газа пропорционален количеству вещества: чем больше частиц газа, тем больший объём они занимают. Молярный объём показывает, какой объём приходится на один моль, то есть на определённое количество вещества. Для всех газов при тех же условиях этот объём одинаков. Значит, одинаковое увеличение количества вещества даёт одинаковое увеличение объёма.

Коэффициенты уравнения показывают, в каком отношении реагируют частицы веществ. Например, в уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O на две частицы водорода приходится одна частица кислорода. Такое же отношение относится к количествам вещества, а для газов при одинаковых условиях — и к объёмам. Поэтому коэффициенты позволяют перейти от записи реакции к расчёту объёмов.

Чтобы получить объёмное отношение, сначала уравняйте реакцию, а затем выпишите коэффициенты только перед газообразными веществами. Твёрдые вещества и жидкости в это отношение не включают: коэффициенты для них показывают соотношение частиц или количества вещества, но не объёмов газов. Например, в реакции C + O₂ → CO₂ углерод — твёрдый, а кислород и углекислый газ — газы. Их объёмное отношение равно 1 : 1.

Если известен объём одного газа, объём другого находят по отношению коэффициентов. Для этого составляют пропорцию: коэффициент первого газа относится к коэффициенту второго так же, как их объёмы. Расчёт верен, если условия одинаковы и реакция протекает полностью. Если одного реагента недостаточно, именно по нему определяют, сколько продукта может образоваться.

Связь коэффициентов уравнения реакции с объёмами газов

Сначала проверьте, что уравнение сбалансировано, затем найдите в нём газообразные вещества и прочитайте их коэффициенты. Строки о агрегатном состоянии и условиях напоминают, какие величины можно сравнивать. Если коэффициент у вещества не написан, он равен единице.

Разбор задач

Задача 1. Как соотносятся объёмы водорода и кислорода, необходимые для образования воды при одинаковых температуре и давлении? Уравнение: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

1. Найдём коэффициенты перед газообразными реагентами: перед H₂ стоит 2, перед O₂ — 1.
2. Вода в обычных условиях является жидкостью, поэтому в объёмное отношение газов её не включаем.
3. Запишем отношение объёмов водорода и кислорода по коэффициентам: 2 : 1.

Ответ: объёмы водорода и кислорода соотносятся как 2 : 1.

Задача 2. Для реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ дано 6 л азота. Найдём объём водорода, необходимый для реакции при одинаковых условиях.

1. Коэффициенты N₂ и H₂ равны 1 и 3, поэтому на один объём азота требуется три объёма водорода.
2. Составим пропорцию: 1 : 3 = 6 : x, где x — искомый объём водорода.
3. Тогда x = 6 × 3 = 18 л. Проверка: 18 л в три раза больше 6 л, как и требуют коэффициенты.

Ответ: для реакции требуется 18 л водорода.

Задача 3. Смешали 10 л азота и 24 л водорода. Определим, какой газ в избытке и сколько аммиака образуется по реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃.

1. На 10 л азота нужно 30 л водорода, поскольку объёмное отношение N₂ : H₂ равно 1 : 3.
2. Имеется только 24 л водорода, значит, водорода недостаточно, а азот находится в избытке. При этом 24 л H₂ реагируют с 8 л N₂, так как 24 : 3 = 8.
3. По отношению H₂ : NH₃ = 3 : 2 из 24 л водорода получится 24 × 2 ÷ 3 = 16 л аммиака.

Ответ: водород израсходуется полностью, азот будет в избытке, образуется 16 л аммиака.

Типичные ошибки

• Сравнивают объёмы при разных температуре или давлении. Можно забыть, что объём зависит от условий, и механически перенести коэффициенты на любые измерения. Проверьте в условии температуру и давление: для прямого применения закона они должны быть одинаковыми.
• Применяют коэффициенты к объёмам любых веществ. Коэффициенты относятся к частицам всех веществ, поэтому их ошибочно принимают за отношение любых объёмов. Перед расчётом отметьте агрегатное состояние: объёмное отношение по коэффициентам составляют для газов.
• Учитывают твёрдые вещества или жидкости как газы. Их коэффициенты есть в уравнении, и потому может показаться, что их объёмы тоже надо включить. Проверьте формулы веществ и оставьте в отношении только газообразные участники.
• Путают индекс с коэффициентом. Маленькая цифра в формуле показывает состав частицы, а не количество частиц в реакции. Для отношения объёмов используйте число перед формулой; если его нет, коэффициент равен единице.

Связь с другими темами

Чтобы пользоваться объёмными отношениями, нужно уметь составлять и уравнивать химические уравнения, а также понимать смысл коэффициентов. Понадобится и знание связи количества вещества с объёмом газа при одинаковых температуре и давлении. Эти знания соединяются в расчётах: уравнение задаёт пропорцию, а известный объём позволяет найти неизвестный. Тема пригодится, когда в условии задачи даны объёмы газообразных реагентов или продуктов.

Что запомнить

• Объёмные отношения газов сравнивают при одинаковых температуре и давлении.
• При одинаковых условиях объём газа пропорционален количеству вещества.
• Коэффициенты уравнения задают объёмное отношение газообразных участников реакции.
• В расчёте учитывают только газообразные вещества.
• Перед расчётами уравнение реакции должно быть уравнено.
• Объём одного газа по известному объёму другого находят по отношению коэффициентов.