Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

1.8. Закон Авогадро. Молярний об'єм газу. Об’ємні відношення газів у реакціях

Італійський учений А. Авогадро звернув увагу на те, що всі гази однаково стискуються (закон Бойля — Маріотта¹), мають однаковий термічний коефіцієнт розширення (закон Гей-Люссака²) та деякі інші спільні властивості. На основі цих законів і власних спостережень А. Авогадро 1811 р. висловив припущення, яке пізніше підтвердилося численними дослідами й згодом було сформульоване у вигляді закону — закону Авогадро: в однакових об’ємах різних газів за однакових умов міститься однакова кількість молекул.

¹ Роберт Бойль (1627-1691) — англійський хімік, фізик, богослов. Едм Маріотт (1620-1684) — французький фізик, абат.

² Жозеф Луї Гей-Люссак (1778-1850) — французький хімік і фізик.

Наслідок цього закону: в однакових об’ємах газів, узятих за умов однакової температури і тиску, містяться однакові кількості речовин цих газів.

Один моль будь-якого газу за нормальних умов (н. у.)³ займає об’єм 22,4 л (точніше — 22,41383 л). Цей об’єм називають молярним об’ємом газу.

³ Під «нормальними (стандартними) умовами» (Standard temperature and pressure, STP) у хімії розуміють фізичні умови зіставлення властивостей речовин: температура — 273,15 К (0 °С), тиск — 101325 Па (760 мм рт. ст., 1 атм). Крім цього, використовують поняття стандартної температури і тиску середовища (Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP), які становлять відповідно 298,15 К (25 °С) і 10⁵ Па (або 1 Бар, 750,06 мм рт. ст.). За цих умов константа дисоціації дистильованої води становить 1,0 х 10^-14 (характеристики установлені IUPAC 1982 р.).

Молярний об'єм газу V_M — це об’єм 1 моль даного газу.

Молярний об’єм газу визначають за відношенням об’єму газу V (л) до кількості речовини n (моль):

Оскільки густину речовини р обчислюють за формулою

де m — маса речовини (г), V — об’єм речовини (л), для 1 моль газу можна записати:

Із цих формул можна розрахувати:

а) молярну масу газу, якщо відома його густина: М = ρ х V_M;
б) густину газу за нормальних умов;
в) молярний об’єм газу:

Відносна густина газу (D) — це фізична величина, що визначається відношенням маси певного об’єму газу до маси такого самого об’єму другого газу (температура і тиск мають бути однаковими).

Відносна густина (як і всі відносні величини) не має розмірності. Розрахувати відносну густину одного газу за другим можна, поділивши густину одного газу на густину другого газу. Наприклад:

Відношення густин двох газів за однакових умов дорівнює відношенню їхніх відносних молекулярних мас:

Відносну густину газів часто розраховують за повітрям, наприклад:

Повітря — це газова суміш, основними компонентами якої є азот і кисень¹. Розраховано значення середньої молекулярної маси повітря. Приблизно воно становить 29 (28,98). Це значення лежить у проміжку між числами 28 і 32 — відносними молекулярними масами азоту та кисню, які є основними компонентами повітря. Отже,

¹ Густина повітря за 0 °С дорівнює 1,3 кг/м³ (тобто кожен кубометр повітря має масу 1,3 кг), а за 20 °С — 1,2 кг/м³.

За відомим значенням відносної густини можна розрахувати молярну масу газу:

М(Х) = D_пов_.(X) х М(пов.) або М(Х) = D_H₂(X) х М(Н₂),

де X — невідомий газ.

Масова частка речовини — це відношення маси речовини в суміші до маси суміші; величина безрозмірна. Її виражають у відсотках або часткою від одиниці. Масову частку окремого компонента суміші w(X) встановлюють за формулою:

де m(X) — маса речовини X,

m(суміші) — маса суміші.

Масову частку w (мала латинська літера «w» дубль-ве) елемента Е в речовині розраховують за формулою:

де А_r(Е) — відносна атомна маса елемента Е,

N(E) — кількість атомів елемента Е у формульній одиниці.

Об’ємна частка речовини — це відношення об’єму газу в суміші до об’єму суміші газів. Як і попередня, величина безрозмірна. Об’ємну частку окремого компонента суміші φ («фі») встановлюють за формулою:

де V(X) — об’єм речовини X,

V(суміші) — об’єм суміші газів.

Для сумішей газоподібних речовин зручно користуватись мольною часткою.

Мольна частка — це відношення кількості речовини компонента газової суміші до сумарної кількості речовин усіх її компонентів; позначається грецькою літерою χ («хі»):

де n(Х) — кількість речовини X,

n(суміші) — кількість речовини суміші.

Для суміші газів можна розрахувати її молярну масу, яку називають середньою молярною масою газової суміші. Вона дорівнює масі 1 моль суміші. Оскільки об’ємні частки газів у суміші дорівнюють їхнім мольним часткам, то

М(суміші) = χ(А) · М(А) + χ(Б) · М(Б) + χ(В) · М(В),

де М(А), М(Б), М(В) — молярні маси компонентів суміші А, Б і В,

χ(А), χ(Б), χ(В) — мольні частки компонентів суміші А, Б і В.

Або можна користуватись таким виразом:

М(суміші) = φ(А) · М(А) + φ(Б) · М(Б) + φ(В) · М(В),

де М(А), М(Б), М(В) — молярні маси компонентів суміші А, Б і В,

φ(А), φ(Б), φ(В) — об’ємні частки компонентів суміші А, Б і В.

Реакції між газоподібними речовинами відбуваються за законом об’ємних відношень, який 1808 р. сформулював Ж. Гей-Люссак: за умов незмінного тиску об’єми газів, що реагують і утворюються, відносяться між собою як невеликі цілі числа. Коефіцієнти в рівняннях реакцій показують відношення об’ємів газів, які реагують і утворюються внаслідок реакції.

Наприклад, для реакції синтезу амоніаку:

N₂(г) + 3H₂ (г) = 2NH₃(г)

можна записати відношення: V(N₂) : V(H₂) : V(NH₃) = 1 : 3 : 2.