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)

Где m-масса,M-молярная масса, V- объем.

4. Закон Авогадро. Установлен итальянским физиком Авогадро в 1811 г. Одинаковые объемы любых газов, отобранные при одной температуре и одинаковом давлении, содержат одно и тоже число молекул.

Таким образом, можно сформулировать понятие количества вещества: 1 моль вещества содержит число частиц, равное 6,02*10 23 (называемое постоянной Авогадро)

Следствием этого закона является то, что 1 моль любого газа занимает при нормальных условиях (Р 0 =101,3кПа и Т 0 =298К) объём, равный 22,4л.

5. Закон Бойля-Мариотта

При постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится:

6. Закон Гей-Люссака

При постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально температуре:

V/T = const.

7. Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить объединенным законом Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, которым пользуются для приведения объемов газа от одних условий к другим:

P 0 , V 0 ,T 0 -давление объема и температуры при нормальных условиях: P 0 =760 мм рт. ст. или 101,3 кПа; T 0 =273 К (0 0 С)

8. Независимая оценка значения молекулярноймассы М может быть выполнена с использованием так называемого уравнения состояния идеального газа или уравнения Клапейро­на-Менделеева :

pV=(m/M)*RT=vRT. (1.1)

где р - давление газа в замкнутой системе, V - объем си­стемы, т - масса газа, Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная.

Отметим, что значение постоянной R может быть получе­но подстановкой величин, характеризующих один моль газа при н.у., в уравнение (1.1):

r = (р V)/(Т)=(101,325кПа 22.4 л)/(1 моль 273К)=8.31Дж/моль.К)

Примеры решения задач

Пример 1. Приведение объема газа к нормальным условиям.

Какой объем (н.у.) займут 0,4×10 -3 м 3 газа, находящиеся при 50 0 С и давлении 0,954×10 5 Па?

Решение. Для приведения объема газа к нормальным условиям пользуются общей формулой, объединяющей законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

pV/T = p 0 V 0 /T 0 .

Объем газа (н.у.) равен, где Т 0 = 273 К; р 0 = 1,013×10 5 Па; Т = 273 + 50 = 323 К;

М 3 = 0,32×10 -3 м 3 .

При (н.у.) газ занимает объем, равный 0,32×10 -3 м 3 .

Пример 2. Вычисление относительной плотности газа по его молекулярной массе.

Вычислите плотность этана С 2 Н 6 по водороду и воздуху.

Решение. Из закона Авогадро вытекает, что относительная плотность одного газа по другому равна отношению молекулярных масс (М ч ) этих газов, т.е. D=М 1 /М 2 . Если М 1 С2Н6 = 30, М 2 Н2 = 2, средняя молекулярная масса воздуха равна 29, то относительная плотность этана по водороду равна D Н2 = 30/2 =15.

Относительная плотность этана по воздуху: D возд = 30/29 = 1,03, т.е. этан в 15 раз тяжелее водорода и в 1,03 раза тяжелее воздуха.

Пример 3. Определение средней молекулярной массы смеси газов по относительной плотности.

Вычислите среднюю молекулярную массу смеси газов, состоящей из 80 % метана и 20 % кислорода (по объему), используя значения относительной плотности этих газов по водороду.

Решение. Часто вычисления производят по правилу смешения, которое заключается в том, что отношение объемов газов в двухкомпонентной газовой смеси обратно пропорционально разностям между плотностью смеси и плотностями газов, составляющих эту смесь. Обозначим относительную плотность газовой смеси по водороду через D Н2 . она будет больше плотности метана, но меньше плотности кислорода:

80D Н2 – 640 = 320 – 20D Н2 ; D Н2 = 9,6.

Плотность этой смеси газов по водороду равна 9,6. средняя молекулярная масса газовой смеси М Н2 = 2D Н2 = 9,6×2 = 19,2.

Пример 4. Вычисление молярной массы газа.

Масса0,327×10 -3 м 3 газа при 13 0 С и давлении 1,040×10 5 Па равна 0,828×10 -3 кг. Вычислите молярную массу газа.

Решение. Вычислить молярную массу газа можно, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

где m – масса газа; М – молярная масса газа; R – молярная (универсальная) газовая постоянная, значение которой определяется принятыми единицами измерения.

Если давление измерять в Па, а объем в м 3 , то R =8,3144×10 3 Дж/(кмоль×К).

3.1. При выполнении измерений атмосферного воздуха, воздуха рабочей зоны а также промышленных выбросов и углеводородов в газовых магистралях существует проблема приведения объемов измеряемого воздуха к нормальным (стандартным) условиям. Часто на практике при проведении измерений качества воздуха не используется пересчет измеренных концентраций к нормальным условиям, в результате чего получаются недостоверные результаты.

Приведем выдержку из Стандарта:

«Измерения приводят к стандартным условиям, используя следующую формулу:

С 0 = C 1 * Р 0 Т 1 / Р 1 Т 0

где: С 0 - результат, выраженный в единицах массы на единицу объема воздуха, кг /куб. м, или количества вещества на единицу объема воздуха, моль/куб. м, при стандартных температуре и давлении;

С 1 - результат, выраженный в единицах массы на единицу объема воздуха, кг /куб. м, или количества вещества на единицу объема

воздуха, моль/куб. м, при температуре Т 1 , К, и давлении Р 1 , кПа.»

Формула приведения к нормальным условиям в упрощенном виде имеет вид (2)

С 1 = С 0 * f , где f = Р 1 Т 0 / Р 0 Т 1

стандартный пересчетный коэффициент приведения к нормальным условиям. Параметры воздуха и примесей измеряют при разных значениях температуры, давления и влажности. Результаты приводят к стандартным условиям для сравнения измеренных параметров качества воздуха в различных местах и различных климатических условиях.

3.2.Отраслевые нормальные условия

Нормальные условия это стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ (Standard temperature and pressure, STP). Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии) следующим образом: Атмосферное давление 101325 Па = 760 мм рт.ст.. Температура воздуха 273,15 K = 0° C.

Стандартные условия (Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP) это нормальные окружающие температура и давление: давление 1 Бар = 10 5 Па = 750,06 мм Т. ст.; температура 298,15 К = 25 °С.

Другие области.

Измерения качества воздуха.

Результаты измерений концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны приводят к условиям: температуре 293 К (20°С) и давлению 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Аэродинамические параметры выбросов загрязняющих веществ должны измеряться в соответствии с действующими государственными стандартами. Объемы отходящих газов, полученные по результатам инструментальных измерений, должны быть приведены к нормальным условиям (н.у.): 0°С, 101,3 кПа..

Авиация.

Международная организация гражданской авиации (ICAO) определяет международную стандартную атмосферу (International Standard Atmosphere,ISA) на уровне моря с температурой 15 °C, атмосферным давлением 101325 Па и относительной влажностью 0 %. Эти параметры используется при расчётах движения летательных аппаратов.

Газовое хозяйство.

Газовая отрасль Российской Федерации при расчётах с потребителями использует атмосферные условия по ГОСТ 2939-63:температура 20°С (293,15К); давление 760 мм рт. ст. (101325 Н/м²); влажность равна 0. Таким образом, масса кубометра газа по ГОСТ 2939-63 несколько меньше, чем при «химических» нормальных условиях.

Испытания

Для проведения испытаний машин, приборов и других технических изделий за нормальные значения климатических факторов при испытаниях изделий (нормальные климатические условия испытаний) принимают следующие:

Температура - плюс 25°±10°С; Относительная влажность – 45-80%

Атмосферное давление 84-106 кПа (630-800 мм. рт. ст.)

Поверка измерительных приборов

Номинальные значения наиболее распространенных нормальных влияющих величин выбираются следующие: Температура – 293 К (20°С), атмосферное давление - 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Нормирование

В методических указаниях, касающихся установления норм качества воздуха, указывается, что ПДК в атмосферном воздухе устанавливаются при нормальных условиях в помещении, т.е. 20 С и 760 мм. рт. ст.

Часть I

1. 1 моль любого газа при н. у. занимает одинаковый объём, равный 22,4 л. Этот объём называется молярный и обозначается Vm.

2. Количество вещества (n) - отношение объёма газа при н. у. к молярному объёму:
n = V/Vm=> Vm измеряется в л/моль.

3. Следовательно, количество вещества

4. Дополните таблицу «Количественные характеристики веществ», делая необходимые вычисления.

Часть II

1. Установите соотношение между названием и размерностью величины.

2. Укажите формулы, которые являются производными от основной формулы n = V/Vm.
2) V=n Vm
3) Vm=V/n

3. Сколько молекул содержат 44,8 л (н. у.) углекислого газа? Решите задачу двумя способами.

4. Придумайте условие задачи, в которой нужно найти число молекул N, если известен объём V.
Найти число частиц оксида азота(II), если его объём равен 67,2 л.
Решите задачу любым способом.

5. Вычислите массу 78,4 л (н. у.) хлора.

6. Найдите объём 297 г фосгена (COCl2).

7. Вычислите массу 56 л аммиака, 10% -й водный раствор которого в медицине известен под названием «нашатырный спирт».

8. Придумайте задачу с использованием изученных понятий. С помощью компьютера создайте рисунок, иллюстрирующий данную задачу. Предложите способ её решения. Верно ли, что 22,4 л азота или 22,4 л водорода одинаковы по массе? Ответ подтвердите вычислениями.

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.

Объем 1 моль вещества называют Молярным объемом Молярная масса 1 моль воды = 18 г/моль 18 г воды занимают объём 18 мл. Значит молярный объем воды равен 18 мл. 18 г воды занимают объем равный 18 мл, т.к. плотность воды равна 1 г/мл ВЫВОД: Молярный объем зависит от плотности вещества (для жидкостей и твердых веществ).

1 моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем равный 22,4 л. Нормальные условия и их обозначения н.у. (0 0 С и 760 мм.рт.ст.; 1 атм.; 101,3 к Па). Объем газа количеством вещества 1 моль называют молярным объемом и обозначают – V m

Решение задач Задача 1 Дано: V(NH 3) н.у. = 33,6 м 3 Найти: m - ? Решение: 1. Рассчитываем молярную массу аммиака: М(NH 3) = = 17 кг/кмоль

ВЫВОДЫ 1. Объем 1 моль вещества называется молярным объемом V m 2. У жидких и твердых веществ молярный объем зависит от их плотности 3. V m = 22,4 л/моль 4. Нормальные условия (н.у.): и давление 760 мм.рт.ст., или 101,3 к Па 5. Молярный объем газообразных веществ выражается в л/моль, мл/ммоль,