Об'єм одного моля газу за нормальних умов. Міль

Масу 1 моль речовини називають молярною. А як називають об'єм 1 моль речовини? Вочевидь, що його називають молярним обсягом.

Чому дорівнює молярний обсягводи? Коли ми відмірювали 1 моль води, ми не зважували на терезах 18 г води - це незручно. Ми користувалися мірним посудом: циліндром або мензуркою, оскільки знали, що густина води дорівнює 1 г/мл. Тому молярний обсяг води дорівнює 18 мл/моль. У рідин і твердих речовин молярний об'єм залежить від їхньої щільності (рис. 52, а). Інша річ у газів (рис. 52, б).

Рис. 52.
Молярні обсяги (н. у.):
а - рідин та твердих речовин; б - газоподібних речовин

Якщо взяти 1 моль водню Н 2 (2 г), 1 моль кисню O 2 (32 г), 1 моль озону O 3 (48 г), 1 моль вуглекислого газу СО 2 (44 г) і навіть 1 моль водяної пари Н 2 O (18 г) за однакових умов, наприклад нормальних (в хімії прийнято називати нормальними умовами (н. у.) температуру 0 °С і тиск 760 мм рт. ст., або 101,3 кПа), то виявиться, що 1 моль будь-якого з газів займе той самий об'єм, рівний 22,4 л, і містить однакове число молекул - 6 × 10 23 .

А якщо взяти 44,8 л газу, то яку кількість речовини його буде взято? Звичайно ж 2 моль, так як заданий об'єм удвічі більший за молярний. Отже:

де V – обсяг газу. Звідси

Молярний обсяг - це фізична величина, що дорівнює відношенню обсягу речовини до кількості речовини.

Молярний обсяг газоподібних речовин виявляється у л/моль. Vm – 22,4 л/моль. Об'єм одного кіломолю називають кіломолярним і вимірюють у м 3 /кмоль (Vm = 22,4 м 3 /кмоль). Відповідно мілімолярний об'єм дорівнює 22,4 мл/ммоль.

Завдання 1. Знайдіть масу 33,6 м 3 аміаку NH 3 (н. у.).

Завдання 2. Знайдіть масу та об'єм (н. у.), який мають 18 × 10 20 молекул сірководню H 2 S.

При розв'язанні задачі звернемо увагу на число молекул 18×10 20 . Так як 10 20 в 1000 разів менше 10 23 очевидно, розрахунки слід вести з використанням ммоль, мл/ммоль і мг/ммоль.

Ключові слова та словосполучення

Молярний, мілімолярний та кіломолярний об'єми газів.
Молярний об'єм газів (за нормальних умов) дорівнює 22,4 л/моль.
Нормальні умови.

Робота з комп'ютером

Зверніться до електронної програми. Вивчіть матеріал уроку та виконайте запропоновані завдання.
Знайдіть в Інтернеті електронні адреси, які можуть бути додатковими джерелами, які розкривають зміст ключових слів і словосполучень параграфа. Запропонуйте вчителю свою допомогу у підготовці нового уроку - зробіть повідомлення по ключовим словамта словосполученням наступного параграфа.

Запитання та завдання

Знайдіть масу та число молекул при н. у. для: а) 11,2 л кисню; б) 5,6 м 3 азоту; в) 22,4мл хлору.
Знайдіть обсяг, який за зв. у. займуть: а) 3 г водню; б) 96 кг озону; в) 12 × 1020 молекул азоту.
Знайдіть щільність (масу 1 л) аргону, хлору, кисню та озону при н. у. Скільки молекул кожної речовини буде міститися в 1 л за тих самих умов?
Розрахуйте масу 5 л (н. у.): а) кисню; б) озону; в) вуглекислого газу СО 2 .
Вкажіть, що важче: а) 5 л сірчистого газу (SO 2) або 5 л вуглекислого газу (СО 2); б) 2 л вуглекислого газу (СО 2) або 3 л чадного газу (СО).

Гази є найбільш простим об'єктомдля дослідження, тому їх властивості та реакції між газоподібними речовинами вивчені найповніше. Для того щоб нам було легше розібрати правила рішення розрахункових завдань,виходячи з рівнянь хімічних реакцій, доцільно розглянути ці закони на початку систематичного вивчення загальної хімії

Французький вчений Ж.Л. Гей-Люссак встановив закон об'ємні відносини:

Наприклад, 1 л хлору з'єднується з 1 л водню , утворюючи 2 л хлороводню ; 2 л оксиду сірки (IV) з'єднуються з 1 л кисню утворюючи 1 л оксиду сірки (VI).

Цей закон дозволив італійському вченому припустити, що молекули простих газів (водню, кисню, азоту, хлору та ін. ) складаються з двох однакових атомів . При з'єднанні водню із хлором їх молекули розпадаються на атоми, а останні утворюють молекули хлороводню. Але оскільки з однієї молекули водню та однієї молекули хлору утворюються дві молекули хлороводню, обсяг останнього має бути дорівнює суміобсягів вихідних газів
Таким чином, об'ємні відносини легко пояснюються, якщо виходити з уявлення про двоатомність молекул простих газів ( Н2, Сl2, O2, N2 та ін. )- Це служить, своєю чергою, доказом двоатомності молекул цих речовин.
Вивчення властивостей газів дозволило А. Авогадро висловити гіпотезу, яка згодом була підтверджена досвідченими даними, а тому почала називатися законом Авогадро:

Із закону Авогадро випливає важливе слідство: за однакових умов 1 моль будь-якого газу займає однаковий обсяг.

Цей обсяг можна обчислити, якщо відома маса 1 л газу. При нормальних умовах, (н.у.) тобто температурі 273К (О ° С) та тиск 101325 Па (760 мм рт. ст.) , маса 1 л водню дорівнює 0,09 г, молярна маса його дорівнює 1,008 2 = 2,016 г/моль. Тоді обсяг, який займає 1 моль водню за нормальних умов, дорівнює 22,4 л

За тих же умов маса 1л кисню 1,492г ; молярна 32г/моль . Тоді обсяг кисню при (н.у.) теж дорівнює 22,4 моль.

Отже:

Молярний обсяг газу - це відношення обсягу речовини до кількості цієї речовини:

де V m - молярний обсяг газу (розмірністьл/моль ); V – обсяг речовини системи;n - Кількість речовини системи. Приклад запису:V m газу (н.у.)= 22,4 л/моль.

З закону Авогадро визначають молярні маси газоподібних речовин. Чим більша маса молекул газу, тим більша маса одного й того ж обсягу газу. У рівних обсягах газів за однакових умов міститься однакове число молекул, отже, і молей газів. Відношення мас рівних обсягів газів дорівнює відношенню їх молярних мас:

де m 1 - Маса певного обсягу першого газу; m 2 - Маса такого ж обсягу другого газу; M 1 і M 2 - молярні маси першого та другого газів.

Зазвичай щільність газу визначають по відношенню до найлегшого газу - водню (позначають D H2 ). Молярна маса водню дорівнює 2г/моль . Тож отримуємо.

Молекулярна маса речовини в газоподібному стані дорівнює його подвоєній щільності водню.

Часто щільність газу визначають по відношенню до повітря (D B ) . Хоча повітря є сумішшю газів, все ж таки говорять про його середню молярну масу. Вона дорівнює 29г/моль. У цьому випадку молярна мас визначається виразом М = 29D B .

Визначення молекулярних мас показало, що молекули простих газів складаються з двох атомів (Н2, F2, Cl2, O2 N2) а молекули інертних газів - з одного атома (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Для благородних газів «молекула» та «атом» рівнозначні.

Закон Бойля – Маріотта: при постійній температурі об'єм даної кількості газу обернено пропорційний тиску, під яким він знаходиться.Звідси pV = const ,
де р - Тиск, V - Об'єм газу.

Закон Гей-Люссака: при постійному тиску зміна обсягу газу прямо пропорційно температурі, тобто.
V/T = const,
де Т - Температура за шкалою До (Кельвіна)

Об'єднаний газовий закон Бойля - Маріотта та Гей-Люссака:
pV/T = const.
Ця формула зазвичай використовується для обчислення обсягу газу за даних умов, якщо відомий його обсяг за інших умов. Якщо здійснюється перехід від нормальних умов (або нормальних умов), то цю формулу записують наступним чином:
pV/T = p 0 V 0 /T 0 ,
де р 0 ,V 0 ,T 0 -тиск, обсяг газу та температура за нормальних умов ( р 0 = 101 325 Па , Т 0 = 273 К V 0 = 22,4 л/моль) .

Якщо відомі маса та кількість газу, а треба обчислити його обсяг, або навпаки, використовують рівняння Менделєєва-Клайперона:

де n - кількість речовини газу, моль; m - Маса, г; М - молярна маса газу, г/іоль ; R - Універсальна газова постійна. R = 8,31 Дж/(моль*К)

Де m-маса, M-молярна маса, V-об'єм.

4. Закон Авогадро.Встановлено італійським фізиком Авогадро у 1811 р. Однакові обсяги будь-яких газів, відібрані при одній температурі і однаковому тиску, містять одне й те ж число молекул.

Таким чином, можна сформулювати поняття кількості речовини: 1 моль речовини містить число частинок, що дорівнює 6,02 * 1023 (називається постійною Авогадро)

Наслідком цього закону є те, що 1 моль будь-якого газу займає за нормальних умов (Р 0 = 101,3 кПа і Т 0 = 298 К) обсяг, рівний 22,4 л.

5. Закон Бойля-Маріотта

При постійній температурі обсяг даної кількості газу обернено пропорційний тиску, під яким він знаходиться:

6. Закон Гей-Люссака

При постійному тиску зміна обсягу газу прямо пропорційна температурі:

V/T = const.

7. Залежність між об'ємом газу, тиском та температурою можна виразити об'єднаним законом Бойля-Маріотта та Гей-Люссака,яким користуються для приведення обсягів газу від одних умов до інших:

P 0 , V 0 , T 0-тиск об'єму і температури за нормальних умов: P 0 = 760 мм рт. ст. або 101,3 кПа; T 0 =273 К (0 0 С)

8. Незалежна оцінказначення молекулярної маси М може бути виконана з використанням так званого рівняння стану ідеального газу або рівняння Клапейрона-Менделєєва :

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

де р -тиск газу в замкнутій системі, V- Об'єм системи, т -маса газу, Т -абсолютна температура, R -Універсальна газова постійна.

Зазначимо, що значення постійної Rможе бути отримано підстановкою величин, що характеризують один моль газу при н.у., рівняння (1.1):

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

Приклади розв'язання задач

приклад 1.Приведення обсягу газу до нормальних умов.

Який об'єм (н.у.) займуть 0,4×10 -3 м 3 газу, що знаходяться при 50 0 С та тиск 0,954×10 5 Па?

Рішення.Для приведення обсягу газу до нормальних умов користуються загальною формулою, що поєднує закони Бойля-Маріотта та Гей-Люссака:

pV/T = p0V0/T0.

Обсяг газу (н.у.) дорівнює , де Т0 = 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 займає об'єм, що дорівнює 0,32×10 -3 м 3 .

приклад 2.Обчислення відносної густини газу за його молекулярною масою.

Обчисліть щільність етану С 2 Н 6 водню та повітрю.

Рішення.З закону Авогадро випливає, що відносна щільність одного газу по іншому дорівнює відношенню молекулярних мас ( М год) цих газів, тобто. D=М 1 /М 2. Якщо М 1С2Н6 = 30, М 2Н2 = 2, середня молекулярна маса повітря дорівнює 29, то відносна щільність етану водню дорівнює D Н2 = 30/2 =15.

Відносна щільність етану повітрям: D пов.= 30/29 = 1,03, тобто. етан у 15 разів важчий за водень і в 1,03 рази важчий за повітря.

приклад 3.Визначення середньої молекулярної маси суміші газів щодо відносної щільності.

Обчисліть середню молекулярну масу суміші газів, що складається з 80 % метану та 20 % кисню (за обсягом), використовуючи значення відносної густини цих газів воднем.

Рішення.Часто обчислення виробляють за правилом змішування, яке полягає в тому, що відношення об'ємів газів у двокомпонентній газовій суміші обернено пропорційно різницям між щільністю суміші і щільностями газів, що становлять цю суміш. Позначимо відносну щільність газової суміші воднем через DН2. вона буде більше щільностіметану, але менше щільності кисню:

80DН2 - 640 = 320 - 20 DН2; DН2 = 9,6.

Щільність цієї суміші газів водню дорівнює 9,6. середня молекулярна маса газової суміші МН2 = 2 DН2 = 9,6 2 = 19,2.

приклад 4.Обчислення молярної маси газу.

Маса0,327×10 -3 м 3 газу при 13 0 З тиску 1,040×10 5 Па дорівнює 0,828×10 -3 кг. Обчисліть молярну масу газу.

Рішення.Обчислити молярну масу газу можна, використовуючи рівняння Менделєєва-Клапейрона:

де m- Маса газу; М- Молярна маса газу; R– молярна (універсальна) газова стала, значення якої визначається прийнятими одиницями виміру.

Якщо тиск вимірювати в Па, а обсяг м 3 , то R=8,3144×10 3 Дж/(кмоль×К).

Де m-маса, M-молярна маса, V-об'єм.

5. Закон Бойля-Маріотта

При постійній температурі обсяг даної кількості газу обернено пропорційний тиску, під яким він знаходиться:

6. Закон Гей-Люссака

При постійному тиску зміна обсягу газу прямо пропорційна температурі:

V/T = const.

P 0 , V 0 , T 0-тиск об'єму і температури за нормальних умов: P 0 = 760 мм рт. ст. або 101,3 кПа; T 0 =273 К (0 0 С)

8. Незалежна оцінка значення молекулярної маси М може бути виконана з використанням так званого рівняння стану ідеального газу або рівняння Клапейрона-Менделєєва :

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

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

Приклади розв'язання задач

приклад 1.Приведення обсягу газу до нормальних умов.

Який об'єм (н.у.) займуть 0,4×10 -3 м 3 газу, що знаходяться при 50 0 С та тиск 0,954×10 5 Па?

pV/T = p0V0/T0.

Обсяг газу (н.у.) дорівнює де 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 займає об'єм, що дорівнює 0,32×10 -3 м 3 .

приклад 2.Обчислення відносної густини газу за його молекулярною масою.

Обчисліть щільність етану С 2 Н 6 водню та повітрю.

приклад 3.Визначення середньої молекулярної маси суміші газів щодо відносної щільності.

Рішення.Часто обчислення виробляють за правилом змішування, яке полягає в тому, що відношення об'ємів газів у двокомпонентній газовій суміші обернено пропорційно різницям між щільністю суміші і щільностями газів, що становлять цю суміш. Позначимо відносну щільність газової суміші воднем через DН2. вона буде більшою за щільність метану, але меншою за щільність кисню:

80DН2 - 640 = 320 - 20 DН2; DН2 = 9,6.

Щільність цієї суміші газів водню дорівнює 9,6. середня молекулярна маса газової суміші МН2 = 2 DН2 = 9,6 2 = 19,2.

приклад 4.Обчислення молярної маси газу.

Маса0,327×10 -3 м 3 газу при 13 0 З тиску 1,040×10 5 Па дорівнює 0,828×10 -3 кг. Обчисліть молярну масу газу.

Рішення.Обчислити молярну масу газу можна, використовуючи рівняння Менделєєва-Клапейрона:

Якщо тиск вимірювати в Па, а обсяг м 3 , то R=8,3144×10 3 Дж/(кмоль×К).

3.1. При виконанні вимірювань атмосферного повітря, повітря робочої зони, а також промислових викидів та вуглеводнів у газових магістралях існує проблема приведення обсягів вимірюваного повітря до нормальних (стандартних) умов. Часто на практиці під час проведення вимірювань якості повітря не використовується перерахунок виміряних концентрацій до нормальних умов, у результаті виходять недостовірні результати.

Наведемо витримку із Стандарту:

«Вимірювання призводять до стандартних умов, використовуючи таку формулу:

З 0 = C 1 * Р 0 Т 1 / Р 1 Т 0

де: 0 - результат, виражений в одиницях маси на одиницю об'єму повітря, кг / куб. м, чи кількості речовини на одиницю обсягу повітря, моль/куб. м, при стандартних температурі та тиску;

1 - результат, виражений в одиницях маси на одиницю об'єму повітря, кг/куб. м, чи кількості речовини на одиницю об'єму

повітря, моль/куб. м, при температурі Т 1 К і тиску Р 1 кПа.

Формула приведення до нормальних умов у спрощеному вигляді має вигляд (2)

З 1 = З 0 * f де F = Р 1 Т 0 / Р 0 Т 1

стандартний перерахунковий коефіцієнт приведення до нормальних умов. Параметри повітря та домішок вимірюють при різних значеннях температури, тиску та вологості. Результати призводять до стандартних умов для порівняння вимірюваних параметрів якості повітря у різних місцях та різних кліматичних умовах.

3.2.Галузеві нормальні умови

Нормальні умови це стандартні фізичні умови, із якими зазвичай співвідносять властивості речовин (Standard temperature and pressure, STP). Нормальні умови визначені IUPAC (Міжнародним союзом практичної та прикладної хімії) наступним чином: Атмосферний тиск 101325 Па = 760 мм рт.ст. Температура повітря 273,15 K = 0°C.

Стандартні умови (Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP) це нормальні навколишні температура та тиск: тиск 1 Бар = 10 5 Па = 750,06 мм Т. ст.; температура 298,15 К = 25 °С.

Інші області.

Вимірювання якості повітря.

Результати вимірювань концентрацій шкідливих речовин у повітрі робочої зони призводять до умов: температури 293 К (20°С) та тиску 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Аеродинамічні параметри викидів забруднюючих речовин повинні вимірюватися відповідно до чинних державних стандартів. Об'єми відхідних газів, отримані за результатами інструментальних вимірювань, повинні бути приведені до нормальних умов (н.у.): 0°С, 101,3 кПа.

Авіація.

Міжнародна організація цивільної авіації(ICAO) визначає міжнародну стандартну атмосферу (International Standard Atmosphere,ISA) на рівні моря з температурою 15 °C, атмосферним тиском 101325 Па та відносною вологістю 0 %. Ці параметри використовують при розрахунках руху літальних апаратів.

Газове господарство.

Газова галузь Російської Федераціїпри розрахунках із споживачами використовує атмосферні умови за ГОСТ 2939-63: температура 20 ° С (293,15К); тиск 760 мм рт. ст. (101 325 Н/м²); вологість дорівнює 0. Таким чином, маса кубометра газу за ГОСТ 2939-63 дещо менша, ніж за «хімічних» нормальних умов.

Випробування

Для проведення випробувань машин, приладів та інших технічних виробів за нормальні значення кліматичних факторів при випробуваннях виробів (нормальні кліматичні умови випробувань) приймають такі:

Температура - плюс 25 ± 10 ° С; Відносна вологість – 45-80%

Атмосферний тиск 84-106 кПа (630-800 мм. рт. ст.)

Перевірка вимірювальних приладів

Номінальні значення найпоширеніших нормальних впливають величин вибираються такі: Температура – 293 К (20°С), атмосферний тиск – 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Нормування

У методичних вказівках, що стосуються встановлення норм якості повітря, вказується, що ГДК атмосферному повітрі встановлюються за умов у приміщенні, тобто. 20 С та 760 мм. рт. ст.

Однією з основних одиниць у Міжнародній системі одиниць (СІ) є одиниця кількості речовини – моль.

Міль – це така кількість речовини, яка містить стільки структурних одиниць даної речовини (молекул, атомів, іонів та ін.), скільки атомів вуглецю міститься в 0,012 кг (12 г) ізотопу вуглецю 12 З .

Враховуючи, що значення абсолютної атомної маси для вуглецю рівне m(C) = 1,99 · 10  26 кг, можна розрахувати число атомів вуглецю N А, що міститься в 0,012 кг вуглецю

Моль будь-якої речовини містить те саме число частинок цієї речовини (структурних одиниць). Число структурних одиниць, що містяться в речовині кількістю один моль, дорівнює 6,02·10 23 і називається числом Авогадро (N А ).

Наприклад, один моль міді містить 6,02 10 23 атомів міді (Cu), а один моль водню (H 2) - 6,02 10 23 молекул водню.

Молярною масою(M) називається маса речовини, взятої у кількості 1 моль.

Молярна маса позначається літерою М та має розмірність [г/моль]. У фізиці користуються розмірністю [кг/кмоль].

Загалом чисельне значення молярної маси речовини чисельно збігається зі значенням його відносної молекулярної (відносної атомної) маси.

Наприклад, відносна молекулярна маса води дорівнює:

Мr(Н 2 О) = 2Аr(Н) + Ar(O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

Молярна маса води має ту ж величину, але виражена в г/моль:

М (Н 2 Про) = 18 г/моль.

Таким чином, моль води, що містить 6,02 10 23 молекул води (відповідно 2 6,02 10 23 атомів водню і 6,02 10 23 атомів кисню), має масу 18 грамів. У воді кількістю речовини 1 моль міститься 2 моль атомів водню і один моль атомів кисню.

1.3.4. Зв'язок між масою речовини та її кількістю

Знаючи масу речовини та її хімічну формулу, отже, і значення його молярної маси, можна визначити кількість речовини і, навпаки, знаючи кількість речовини, можна визначити його масу. Для таких розрахунків слід користуватися формулами:

де ν – кількість речовини, [моль]; m- Маса речовини, [г] або [кг]; М – молярна маса речовини, [г/моль] чи [кг/кмоль].

Наприклад, для знаходження маси сульфату натрію (Na 2 SO 4) кількістю 5 моль знайдемо:

1) значення відносної молекулярної маси Na 2 SO 4 являє собою суму округлених значень відносних атомних мас:

Мr(Na 2 SO 4) = 2Ar(Na) + Ar(S) + 4Ar(O) = 142,

2) чисельно рівне їй значення молярної маси речовини:

М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,

3) і, нарешті, масу 5 моль сульфату натрію:

m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.

Відповідь: 710.

1.3.5. Зв'язок між обсягом речовини та її кількістю

За нормальних умов (н.у.), тобто. при тиску р , рівному 101325 Па (760 мм. рт. ст.), та температурі Т, рівної 273,15 К (0 С), один моль різних газів і парів займає один і той же обсяг, що дорівнює 22,4 л.

Об'єм, який займає 1 моль газу або пари при н.у., називається молярним об'ємомгазу та має розмірність літр на моль.

V мовляв = 22,4 л/моль.

Знаючи кількість газоподібної речовини (ν ) і значення молярного об'єму (V мол) можна розрахувати його обсяг (V) за нормальних умов:

V = ν · V мовляв,

де ν – кількість речовини [моль]; V – обсяг газоподібної речовини [л]; V мовляв = 22,4 л/моль.

І, навпаки, знаючи обсяг ( V) газоподібної речовини за нормальних умов, можна розрахувати її кількість (ν) :