Хімія. 8 клас. Попель

§ 21. Молярний об’єм. Закон Авогадро

Матеріал параграфа допоможе вам:

• з’ясувати суть фізичної величини «молярний об’єм»;
• зрозуміти, чому в однакових об'ємах різних газів міститься однакова кількість молекул;
• розв’язувати задачі з використанням молярного об’єму газу.

Молярний об’єм. Порцію речовини можна характеризувати не тільки за її масою, а й за об’ємом. Тому, крім молярної маси, використовують іншу фізичну величину — молярний об’єм.

Молярним об’ємом називають об’єм 1 моль речовини.

Позначення молярного об’єму — V_м, а одиниці вимірювання — см³/моль, л/моль.

Із курсу фізики вам відома формула, до якої входять маса речовини (m), її густина (ρ) і об’єм (V):

m = ρ · V.

Аналогічний зв’язок існує між молярною масою і молярним об’ємом:

М = ρ · V_м.

Із цієї формули отримуємо іншу:

За нею можна обчислити молярний об’єм будь-якої речовини. Для цього потрібно розрахувати молярну масу речовини і знайти в довіднику її густину.

Кожна тверда і рідка речовина має своє значення молярного об’єму (наприклад, для алюмінію, кухонної солі, води та етилового спирту — 10, 27, 18 і 58 см³/моль відповідно). Молярний об’єм речовин у твердому і рідкому агрегатних станах, як і їхня густина, майже не залежить від температури і тиску.

Гази при нагріванні або зниженні тиску істотно розширюються, а при охолодженні або підвищенні тиску — стискуються. Це зумовлено тим, що відстані між молекулами в газах дуже великі (у твердих і рідких речовинах частинки перебувають у контакті одна з одною).

Нормальні умови (н. у.) — 0°С; 760 мм рт. ст.

При зміні умов змінюються також густина газу і його молярний об’єм. Тому, наводячи значення цих фізичних величин, обов’язково вказують відповідні температуру і тиск.

Учені встановили, що молярний об’єм різних газів за однакових умов один і той самий. Зокрема, за температури 0 °С і тиску 760 мм рт. ст. (або 101,3 кПа) він становить 22,4 л/моль. Наведені умови називають нормальними (скорочено — н. у.).

Для газів за н. у. = 22,4 л/моль

1 моль будь-якого газу за нормальних умов займає об’єм 22,4 л.

Описуючи фізичні властивості речовини, указують її агрегатний стан за звичайних умов. У цьому разі йдеться про умови, які найчастіше існують у приміщенні, де вивчають або використовують речовину. Це — температура приблизно +20 °С і тиск приблизно 760 мм рт. ст.

Зв’язок між об’ємом (V), кількістю речовини (n) і молярним об’ємом (V_м) описує така формула (спробуйте її вивести самостійно):

V = n · V_м.

Із неї можна отримати дві інші:

Отже, молярний об'єм — це відношення об'єму до кількості речовини.

Закон Авогадро. Ви вже знаєте, що 1 моль водню, кисню чи іншого газу займає за нормальних умов об’єм 22,4 л і містить 6,02 · 10²³ молекул. Гіпотезу про однакову кількість молекул в однакових об’ємах різних газів, яка базувалася на результатах досліджень реакцій між газами, висловив на початку XIX ст. А. Авогадро. Отримавши подальше експериментальне підтвердження і теоретичне обґрунтування, ця гіпотеза стала законом.

Закон Авогадро формулюють так:

в однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску міститься однакова кількість молекул¹.

¹ Для інертних газів — однакова кількість атомів.

Наводимо важливий наслідок закону Авогадро:

в однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску містяться однакові кількості речовини.

Викладений матеріал підсумовує малюнок 40.

Мал. 40. Однакові кількості молекул і кількості речовини в однакових об’ємах газів

Розв’язування задач. Розв’яжемо кілька задач із використанням молярного об’єму газу.

ЗАДАЧА 1. Обчислити об’єм 0,4 г водню за нормальних умов.

ЗАДАЧА 2. Обчислити кількість молекул в 1 л кисню за нормальних умов.

ЗАДАЧА 3. Розрахувати густину чадного газу CO за нормальних умов.

ВИСНОВКИ

Молярний об’єм — об’єм 1 моль речовини. Ця фізична величина є відношенням об’єму до кількості речовини.

Молярні об’єми твердих і рідких речовин різні, а газів (за одних і тих самих температури і тиску) — однакові. За нормальних умов (температури 0 °С й тиску 760 мм рт. ст.) 1 моль будь-якого газу займає об’єм 22,4 л.

В однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску міститься однакова кількість молекул (закон Авогадро).

• 152. Що таке молярний об’єм речовини? Як можна його розрахувати?
• 153. Густина азоту¹ становить 1,25 г/л. Обчисліть молярний об’єм газу.
• 154. Густина газу становить 1,43 г/л. Яка молярна маса газу?
• 155. Знайдіть об'єми газів:

а) водню, взятого кількістю речовини 10 моль;

б) сірководню H₂S масою 3,4 г;

в) чадного газу CO масою 0,28 г. (Усно.)

• 156. Людина за добу видихає разом із повітрям 500 л вуглекислого газу. Визначте масу цього об'єму газу.
• 157. Обчисліть молярну масу газу, якщо 60 г його займають об’єм 44,8 л. (Усно.)
• 158. Де міститься найбільше молекул — в 1 л води, 1 л кисню чи 1 л водню? Відповідь поясніть.
• 159. Маємо однакові маси газів — водню і метану СН₄. Яке співвідношення їхніх об'ємів?

¹ У цій і наступних задачах до параграфа густини, об’єми і молярні об’єми газів відповідають нормальним умовам.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Співвідношення об’ємів газів у хімічних реакціях

Згідно із законом Авогадро, однакові об'єми газів містять однакову кількість молекул (за однакових умов). Якщо кожна молекула одного газу реагує з однією молекулою іншого, наприклад під час реакції

Н₂ + Сl₂ = 2НСl, (1)

то повинні взаємодіяти однакові об'єми речовин, скажімо 1 л Н₂ та 1 л Сl₂. У реакції

2Н₂ + O₂ = 2Н₂O (2)

на один об’єм кисню має припадати два об’єми водню, оскільки тільки за цієї умови кількість молекул водню удвічі перевищуватиме кількість молекул кисню, як того «вимагає» хімічне рівняння.

Узагальненням цих висновків є закон об'ємних співвідношень газів, який відкрив французький учений Ж. Гей-Люссак у 1808 р.:

об'єми газів, що вступають у реакцію та утворюються в результаті реакції, співвідносяться як невеликі цілі числа.

Із часом учені встановили, що ці числа є відповідними коефіцієнтами в хімічних рівняннях.

Отже, для газів у реакціях (1) і (2)

V(H₂) : V(Cl₂) : V(НСl) = 1 : 1 : 2;

V(Н₂) : V(O₂) = 2 : 1.

Використання закону Гей-Люссака дає змогу хіміку або інженеру-технологу визначити, які об'єми газів потрібно взяти для здійснення реакції. Відміряти певний об’єм газу значно легше, ніж узяти його певну масу, зваживши на терезах.