Чему равен молярный. Нахождение молярного объема газов

Массу 1 моль вещества называют молярной. А как называют объём 1 моль вещества? Очевидно, что и его называют молярным объёмом.

Чему равен молярный объём воды? Когда мы отмеривали 1 моль воды, мы не взвешивали на весах 18 г воды - это неудобно. Мы пользовались мерной посудой: цилиндром или мензуркой, так как знали, что плотность воды равна 1 г/мл. Поэтому молярный объём воды равен 18 мл/моль. У жидкостей и твёрдых веществ молярный объём зависит от их плотности (рис. 52, а). Другое дело у газов (рис. 52, б).

Рис. 52.
Молярные объёмы (н. у.):
а - жидкостей и твёрдых веществ; б - газообразных веществ

Если взять 1 моль водорода Н 2 (2 г), 1 моль кислорода O 2 (32 г), 1 моль озона O 3 (48 г), 1 моль углекислого газа СO 2 (44 г) и даже 1 моль водяных паров Н 2 O (18 г) при одинаковых условиях, например нормальных (в химии принято называть нормальными условиями (н. у.) температуру 0 °С и давление 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа), то окажется, что 1 моль любого из газов займёт один и тот же объём, равный 22,4 л, и содержит одинаковое число молекул - 6 × 10 23 .

А если взять 44,8 л газа, то какое количество вещества его будет взято? Конечно же 2 моль, так как заданный объём вдвое больше молярного. Следовательно:

где V - объём газа. Отсюда

Молярный объём - это физическая величина, равная отношению объёма вещества к количеству вещества.

Молярный объём газообразных веществ выражается в л/моль. Vm - 22,4 л/моль. Объём одного киломоля называют киломолярным и измеряют в м 3 /кмоль (Vm = 22,4 м 3 /кмоль). Соответственно миллимолярныи объём равен 22,4 мл/ммоль.

Задача 1. Найдите массу 33,6 м 3 аммиака NH 3 (н. у.).

Задача 2. Найдите массу и объём (н. у.), который имеют 18 × 10 20 молекул сероводорода H 2 S.

При решении задачи обратим внимание на число молекул 18 × 10 20 . Так как 10 20 в 1000 раз меньше 10 23 , очевидно, расчёты следует вести с использованием ммоль, мл/ммоль и мг/ммоль.

Ключевые слова и словосочетания

1. Молярный, миллимолярный и киломолярный объёмы газов.
2. Молярный объём газов (при нормальных условиях) равен 22,4 л/моль.
3. Нормальные условия.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Найдите массу и число молекул при н. у. для: а) 11,2 л кислорода; б) 5,6 м 3 азота; в) 22,4 мл хлора.
2. Найдите объём, который при н. у. займут: а) 3 г водорода; б) 96 кг озона; в) 12 × 10 20 молекул азота.
3. Найдите плотности (массу 1 л) аргона, хлора, кислорода и озона при н. у. Сколько молекул каждого вещества будет содержаться в 1 л при тех же условиях?
4. Рассчитайте массу 5 л (н. у.): а) кислорода; б) озона; в) углекислого газа СO 2 .
5. Укажите, что тяжелее: а) 5 л сернистого газа (SO 2) или 5 л углекислого газа (СO 2); б) 2 л углекислого газа (СO 2) или 3 л угарного газа (СО).

Прежде чем решать задачи, следует занть формулы и правила того, как найти объем газа. Следует вспомнить закон Авогадро. А сам объем газа можно вычислить при помощи нескольких формул, выбрав из них подходящую. При подборе необходимой формулы, большое значение имеют условия среды, в частности температура и давление.

Закон Авогадро

В нем говорится, что при одинаковом давлении и одинаковой температуре, в одних и тех же объемах разных газов, будет содержаться одинаковое число молекул. Количество молекул газа, содержащихся в одном моле, это есть число Авогадро. Из этого закона следует, что: 1 Кмоль (киломоль) идеального газа, причем любого, при одинаковом давлении и температуре (760 мм рт.ст. и t = 0*С) всегда занимает один объем = 22,4136 м3.

Как определить объем газа

• Формулу V=n*Vm чаще всего можно встретить в задачах. Здесь объем газа в литрах - V, Vm – объем газа молярный (л/моль), который при нормальных условиях = 22,4 л/моль, а n – количество вещества в молях. Когда в условиях нет количества вещества, но при этом есть масса вещества, тогда поступаем таким образом: n=m/M. Здесь М – г/моль (молярная масса вещества), а масса вещества в граммах - m. В таблице Менделеева она написана под каждым элементом, как его атомная масса. Сложим все массы и получим искомую.
• Итак, как рассчитать объем газа. Вот задача: в соляной кислоте растворить 10 г алюминия. Вопрос: сколько водорода может выделиться при н. у.? Уравнение реакции выглядит так: 2Al+6HCl(изб.)=2AlCl3+3H2. В самом начале находим алюминий (количество), вступивший в реакцию по формуле: n(Al)=m(Al)/M(Al). Массу алюминия (молярную) возьмем из таблицы Менделеева M(Al)=27г/моль. Подставим: n(Al)=10/27=0,37моль. Из химического уравнения видно, 3 моли водорода образовались при растворении 2-х молей алюминия. Следует рассчитать, а сколько же водорода выделится из 0,4 моли алюминия: n(H2)=3*0,37/2=0,56моль. Подставим данные в формулу и найдем объем этого газа. V=n*Vm=0,56*22,4=12,54л.

Объем грамм-молекулы газа так же, как и масса грамм-молекулы, является производной единицей измерения и выражается отношением единиц объема-литров или миллилитров к молю. Поэтому размерность грамм-молекулярного объема равна л/моль или мл/моль. Так как объем газа зависит от температуры и давления, то грамм-молекулярный объем газа в зависимости от условий бывает разным, но так как грамм-молекулы всех веществ содержат одинаковое количество молекул, то грамм-молекулы всех веществ при одинаковых условиях занимают одинаковый объем. При нормальных условиях. = 22,4 л/моль, или 22 400 мл/моль. Пересчет грамм-молекулярного объема газа при нормальных условиях на объем при данных условиях произво-. дится по уравнению: J- т-тр из которого следует, что где Vo- грамм-молекулярный объем газа при нормальных условиях,Умоль- искомый грамм-молекулярный объем газа. Пример. Вычислить грамм-молекулярный объем газа при 720 мм рт. ст. и 87°С. Решение. Важнейшие вычисления, относящиеся к грамм-молекулярному объему газа а) Пересчет объема газа на количество молей и количества молей на объем газа. Пример 1. Вычислить, сколько молей содержится в 500 л газа при нормальных условиях. Решение. Пример 2. Вычислить объем 3 моль газа при 27*С 780 мм рт. ст. Решение. Вычисляем грамм-молекулярный объем газа при указанных условиях: V - ™ ** РП ст. - 22.А л/моль. 300 град = 94 п. --273 врад 780 мм рт."ап.--24"° Вычисляем объем 3 молы ГРАММ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ОБЪЕМ ГАЗА V = 24,0 л/моль 3 моль = 72 л б) Пересчет массы газа на его объем и объема газа на его массу. В первом случае сначала вычисляют число молей газа по его массе, а затем объем газа по найденному числу молей. Во втором случае сначала вычисляют число молей газа по его объему, а затем по найденному числу молей - массу газа. Пример 1, Вычислить, какой объем займут (при н. у.) 5,5 г двуокиси углерода СО* Решение. |icoe ■= 44 г/моль V = 22,4л/моль 0,125 моль 2,80 л Пример 2. Вычислить массу 800 мл (при н. у.) окиси углерода СО. Решение. |*со => 28 г/моль m « 28 г/лнмь 0,036 дид* =» 1,000 г Если масса газа выражается не в граммах, а в килограммах или тоннах, а объем его выражен не в литрах или миллилитрах, а в кубических метрах, то возможен двоякий подход к этим вычислениям: или высшие меры раздробить в низшие, или вестн расчет ае с молями, а с килограмм-молекулами или тонна -молекулами, используя следующие отношения: при нормальных условиях 1 килограмм-молекула-22 400 л/кмоль, 1 тонна-молекула - 22 400 м*/тмоль. Размерность: килограмм-молекула - кг/кмоль, тонна-молекула - т/тмоль. Пример 1. Вычислить объем 8,2 т кислорода. Решение. 1 тонна-молекула Оа » 32 т/тмоль. Находим количество тонна-молекул кислорода, содержащееся в 8,2 т кислорода: 32 т/тмоль ** 0,1 Вычисляем объем кислорода: Уо, = 22 400 м*/тмоль 0,1 т/моль = 2240 ж» Пример 2. Вычислить массу 1000 -к* аммиака (при н. у.). Решение. Вычисляем количество тонна-молекул в указанной количестве аммиака: "-штаг5JT-0.045 т/моЛ Вычисляем массу аммиака: 1 тонна-молекула NH, 17 т/моль тыв, = 17 т/моль 0,045 т/мол * 0,765 т Общий принцип вычислений, относящихся к газовым смесям, заключается в том, что вычисления, относящиеся к отдельным компонентам, производятся отдельно, а затем суммируются результаты. Пример 1. Вычислить, какой объем займет при нормальных условиях газовая смесь, состоящая из 140 г азота и 30 е водорода. Решение. Вычисляем число молей азота и водорода, содержащихся в смеси (№. «= 28 е/моль; цн, = 2 г/моль): 140 £ 30 в 28 г/моль W Всего 20 моль. ГРАММ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ОБЪЕМ ГАЗА Вычисляем объем смеси: Уеден в 22"4 AlnoAb 20 моль « 448 л Пример 2. Вычислить массу 114 смеси (при н. у.) окиси углерода и углекислого газа, объемный состав которой выражается отношением: /лсо: /исо,= 8:3. Решение. По указанному составу находим объемы каждого на газов методом пропорционального деления, после чего вычисляем соответствующее им число молей: т/ II л» 8 Q »» 11 J 8 Q Ксоe 8 + 3 8 * Va>"a & + & * VCQM grfc -0"36 ^- grfc " « 0,134 жас* Вычисляв! массу каждого из газов по найденному числу молей каждого из них. 1»со 28 г/моль; jico. = 44 г/моль moo » 28 е!моль 0,36 моль «Юг тсо. = 44 е/жам» - 0,134 «аи> - 5,9 г Сложением найденных масс каждого из компонентов находим массу смеси: т^щ = 10 г -f 5,9 г = 15,9 е Вычисление молекулярной массы газа по грамм-молекулярному объему Выше был рассмотрев метод вычисления молекулярной массы газа по относительной плотности. Сейчас мы рассмотрим метод вычисления молекулярной массы газа по грамм-молекулярному объему. При вычислении исходят из того, что масса и объем газа прямо пропорциональны друг другу. Отсюда следует» что объем газа и его масса так относятся друг к другу, как грамм-молекулярный объем газа к грамм-молекулярной массе его, что в математической форме выражается так: V_ Ущц /я (х где Ун*»-грамм-молекулярный объем, р - грамм-молекулярная масса. Отсюда _ Уиоль т р? Рассмотрим методику вычислений на конкретном примере. " Пример. Масса 34$ ju газа при 740 мм рт, спи и 21° С равна 0,604 г. Вычислить молекулярную массу газа. Решение. Для решения требуется знать грамм-молеку-лярный объем газа. Поэтому, прежде чем приступить к вы чнслениям, надо остановиться па каком-то определенном грамм-молекулярном объеме газа. Можно воспользоваться стандартным грамм-молекулярным объемом газа, который равен 22,4 л/моль. Тогда указанный в условии задачи объем газа должен быть приведен к нормальным условиям. Но можно, наоборот, вычислить грамм-молекулярный объем газа при условиях, указанных в задаче. При первом методе вычисления получают следующее оформление: у 740 *мрт.ст.. 340 мл- 273 град ^ Q ^ 0 760 мм рт. ст. 294 град ™ 1 л.1 - 22,4 л/моль 0,604 в _ ы я,ыпя. -тп-8=44 г,М0АЬ При втором методе находим: V - 22»4 А!моль № мм рт. ст.-29А град 0А77 л1ылв. Уиол 273 врад 740 мм рт. ст. ~ Я*0** В обоих случаях мы вычисляем массу грамм-молекулы, но так как грамм-молекула численно равна молекулярной массе то тем самым мы находим молекулярную массу.

Газы являются наиболее простым объектом для исследования, поэтому их свойства и реакции между газообразными веществами изучены наиболее полно. Для того, чтобы нам было легче разобрать правила решения расчетных задач, исходя из уравнений химических реакций, целесообразно рассмотреть эти законы в самом начале систематического изучения общей химии

Французский ученый Ж.Л. Гей-Люссак установил законобъемный отношений:

Например, 1 л хлора соединяется с 1 л водорода , образуя 2 л хлороводорода ; 2 л оксида серы (IV) соединяются с 1 л кислорода, образуя 1 л оксида серы (VI).

Этот закон позволил итальянскому ученому предположить, что молекулы простых газов (водорода, кислорода, азота, хлора и др. ) состоят из двух одинаковых атомов . При соединении водорода с хлором их молекулы распадаются на атомы, а последние образуют молекулы хлороводорода. Но поскольку из одной молекулы водорода и одной молекулы хлора образуются две молекулы хлороводорода, объем последнего должен быть равен сумме объемов исходных газов.
Таким образом, объемные отношения легко объясняются, если исходить из представления о двухатомности молекул простых газов (Н2, Сl2, O2, N2 и др. )- Это служит, в свою очередь, доказательством двухатомности молекул этих веществ.
Изучение свойств газов позволило А. Авогадро высказать гипотезу, которая впоследствии была подтверждена опытными данными, а потому стала называться законом Авогадро:

Из закона Авогадро вытекает важное следствие: при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем.

Этот объем можно вычислить, если известна масса 1 л газа. При нормальных условиях, (н.у.) т. е. температуре 273К (О°С) и давлении 101 325 Па (760 мм рт. ст.) , масса 1 л водорода равна 0,09 г, молярная масса его равна 1,008 2 = 2,016 г/моль . Тогда объем, занимаемый 1 моль водорода при нормальных условиях, равен 22,4 л

При тех же условиях масса 1л кислорода 1,492г ; молярная 32г/моль . Тогда объем кислорода при (н.у.), тоже равен 22,4 моль.

Следовательно:

Молярным объем газа - это отношение объема вещества к количеству этого вещества:

где V m - молярный объем газа (размерность л/моль ); V - объем вещества системы; n - количество вещества системы. Пример записи: V m газа (н.у.) =22,4 л/моль.

На основании закона Авогадро определяют молярные массы газообразных веществ. Чем больше масса молекул газа, тем больше масса одного и того же объема газа. В равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, а следовательно, и молей газов. Отношение масс равных объемов газов равно отношению их молярных масс:

где m 1 - масса определенного объема первого газа; m 2 — масса такого же объема второго газа; M 1 и M 2 - молярные массы первого и второго газов.

Обычно плотность газа определяют по отношению к самому легкому газу - водороду (обозначают D H2 ). Молярная масса водорода равна 2г/моль . Поэтому получаем.

Молекулярная масса вещества в газообразном состоянии равна его удвоенной плотности по водороду.

Часто плотность газа определяют по отношению к воздуху (D B ) . Хотя воздух является смесью газов, все же говорят о его средней молярной массе. Она равна 29г/моль. В этом случае молярная масс определяется выражением М = 29D B .

Определение молекулярных масс показало, что молекулы простых газов состоят из двух атомов (Н2, F2,Cl2, O2 N2) , а молекулы инертных газов - из одного атома(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Для благородных газов «молекула» и «атом» равнозначны.

Закон Бойля - Мариотта: при постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится .Отсюда pV = const ,
где р — давление, V - объем газа.

Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении и изменение объема газа прямо пропорционально температуре, т.е.
V/T = const,
где Т — температура по шкале К (кельвина)

Объединенный газовый закон Бойля - Мариотта и Гей-Люссака:
pV/T = const.
Эта формула обычно употребляется для вычисления объема газа при данных условиях, если известен его объем при других условиях. Если осуществляется переход от нормальных условий (или к нормальным условиям), то эту формулу записывают следующим образом:
pV/T = p 0 V 0 /T 0 ,
где р 0 ,V 0 ,T 0 -давление, объем газа и температура при нормальных условиях (р 0 = 101 325 Па , Т 0 = 273 К V 0 =22,4л/моль) .

Если известны масса и количество газа, а надо вычислить его объем, или наоборот, используют уравнение Менделеева-Клайперона:

где n - количество вещества газа, моль; m — масса, г; М - молярная масса газа, г/иоль ; R — универсальная газовая постоянная. R = 8,31 Дж/(моль*К)