"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Молярный объём показывает, какой объём занимает 1 моль вещества. Для газов при нормальных условиях он почти одинаков и равен 22,4 л/моль. Зная количество вещества, можно найти объём газа по формуле V = Vₘn, а по объёму — количество вещества: n = V/Vₘ. Понятие используют в расчётах по химическим уравнениям, если среди веществ есть газы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молярный объём — объём вещества количеством 1 моль. Его обозначают Vₘ и вычисляют по формуле Vₘ = V/n, где V — объём вещества, а n — количество вещества. Показатель нужен, чтобы связать макроскопический объём газа с числом молей.
Нормальные условия — температура 0 °C и давление 101,3 кПа. При этих условиях для газов используют табличное значение молярного объёма. Указание условий обязательно, потому что объём газа меняется при нагревании или сжатии.
Закон Авогадро утверждает: при одинаковых температуре и давлении равные количества газов занимают равные объёмы. Поэтому один моль водорода, кислорода или азота при одних и тех же условиях занимает одинаковый объём. Закон позволяет сравнивать газы, не учитывая их химический состав.
Молярный объём газа при нормальных условиях — это объём 1 моль любого газа, примерно равный 22,4 л/моль. Число 22,4 используют в задачах только вместе с указанием нормальных условий. В других условиях значение Vₘ может отличаться.
Молярный объём определяют как отношение объёма к количеству вещества, потому что нужно узнать, сколько объёма приходится на одну порцию в 1 моль. Если взять одинаковый газ в разных количествах, его общий объём изменится пропорционально количеству вещества. Деление V на n устраняет влияние размера порции и даёт объём одного моля.
Равные количества разных газов при одинаковых условиях занимают одинаковые объёмы из-за закона Авогадро. Объём газа определяется прежде всего расстояниями между его частицами и их движением, а не видом самих частиц. При одинаковой температуре и давлении эти условия одинаковы, поэтому одинаковое число молекул занимает одинаковое пространство.
При нормальных условиях 1 моль газа занимает примерно 22,4 л. Это значение получают из закона Авогадро и экспериментально установленного объёма, соответствующего одной молярной порции газа. Раз все газы при этих условиях имеют одинаковый объём на 1 моль, для расчётов можно использовать общее значение Vₘ = 22,4 л/моль.
Из определения Vₘ = V/n можно вывести две рабочие формулы. Если известно количество вещества, объём находят умножением: V = Vₘn; если известен объём, количество вещества находят делением: n = V/Vₘ. Выбор формулы зависит от того, какую величину требуется найти.
Число 22,4 л/моль нельзя переносить на любую температуру и давление, потому что газ расширяется при нагревании и сжимается при повышении давления. При изменении условий меняется объём, приходящийся на один моль. Поэтому перед расчётом проверяют, указаны ли нормальные условия, и только затем выбирают табличное значение.
В таблице сначала найдите величину, которую нужно вычислить, затем выберите формулу из третьего столбца. Единицы в условии должны соответствовать единицам молярного объёма. Если используется Vₘ = 22,4 л/моль, объём подставляют в литрах.
| Величина | Обозначение | Формула | Единицы измерения |
|---|---|---|---|
| Объём газа | V | V = Vₘn | л, дм³, мл, см³ |
| Количество вещества | n | n = V/Vₘ | моль |
| Молярный объём | Vₘ | Vₘ = V/n | л/моль, см³/моль |
| Объём газа при нормальных условиях | V | V = 22,4n | л |
| Количество вещества по известному объёму | n | n = V/22,4 | моль |
Известно количество вещества кислорода: n = 2 моль. Газ находится при нормальных условиях, поэтому берём Vₘ = 22,4 л/моль. Требуется найти объём, значит используем формулу V = Vₘn.
Ответ: 44,8 л кислорода. В этой задаче вид газа не повлиял на расчёт, потому что условия одинаковы для любого газа.
Дан объём азота V = 11,2 л, а молярный объём при нормальных условиях равен 22,4 л/моль. Искомая величина — количество вещества, поэтому объём нужно разделить на молярный объём. Единицы согласованы: литры делятся на литры на моль.
Ответ: в 11,2 л азота содержится 0,5 моль вещества. Это в два раза меньше объёма, который занимает 1 моль газа при тех же условиях.
В условии дана масса, а формула объёма требует количество вещества. Для кислорода O₂ молярная масса M = 32 г/моль, поэтому сначала найдём n = m/M. Затем используем V = Vₘn.
Ответ: 16 г кислорода занимают 11,2 л при нормальных условиях. Массу нельзя было сразу подставить в формулу V = Vₘn, потому что эта формула использует количество вещества.
Подстановка 22,4 л/моль без проверки условий. Это число относится только к 0 °C и 101,3 кПа, поэтому при другой температуре или давлении результат может быть неверным. Проверьте условие и подпишите, при каких условиях задан газ.
Путаница Vₘ и V. Vₘ — объём одного моля, а V — объём конкретной порции газа. Самопроверка проста: у Vₘ должны быть единицы л/моль, а у V — только л или другая единица объёма.
Использование массы вместо количества вещества. В формуле V = Vₘn буква n означает моли, а не граммы. Если дана масса, сначала вычислите n = m/M.
Несогласованные единицы объёма. Нельзя без перевода складывать или сравнивать миллилитры, кубические сантиметры и литры в одной формуле. Помните: 1 л = 1 дм³ = 1000 мл = 1000 см³ и заранее приведите все величины к одной системе.
До изучения молярного объёма нужно знать понятия количества вещества, моля и молярной массы. Особенно полезно уметь находить количество вещества по массе: n = m/M.
Тема основана на законе Авогадро и связана с относительной плотностью и составом газов. Эти знания помогают сравнивать газы и устанавливать их соотношения.
Молярный объём нужен при расчётах по уравнениям химических реакций, если реагенты или продукты являются газами. С его помощью объём газа переводят в количество вещества и обратно.
Почему у разных газов при нормальных условиях одинаковый молярный объём?
По закону Авогадро равные количества газов при одинаковых температуре и давлении занимают равные объёмы. Поэтому 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает примерно 22,4 л.
Можно ли использовать значение 22,4 л/моль при комнатной температуре?
Без уточнения условий — нельзя. Значение 22,4 л/моль относится к температуре 0 °C и давлению 101,3 кПа; при комнатной температуре молярный объём будет другим.
Чем молярный объём отличается от обычного объёма газа?
Обычный объём V относится к конкретной порции газа и зависит от количества вещества. Молярный объём Vₘ показывает объём, приходящийся на 1 моль, поэтому его находят как Vₘ = V/n.
Как выбрать формулу, если в условии даны масса и объём газа?
Сначала по массе находят количество вещества: n = m/M. Затем используют объём газа V = Vₘn или проверяют найденное количество по формуле n = V/Vₘ.
Нужно ли учитывать вид газа при расчёте его объёма по количеству вещества?
При одинаковых температуре и давлении вид газа учитывать не нужно: одинаковое количество любого газа занимает одинаковый объём. Для значения 22,4 л/моль необходимо, чтобы газ находился при нормальных условиях.
§ 38. Молярный объём
