ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ
Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ
Розділ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ЗАКОНИ ХІМІЇ
§ 1.11. Газові закони. Закон Авогадро. Молярний об’єм газу
Оскільки гази є найпростішим об’єктом для дослідження, то їх властивості й реакції між газуватими речовинами вивчено найповніше.
Французький учений Ж. Л. Гей-Люссак встановив закон об’ємних відношень:
Об’єми газів, що вступають у реакцію за однакових умов (температура і тиск), відносяться між собою як прості цілі числа.
Наприклад,
Цей закон дав змогу італійському вченому А. Авогадро припустити, що молекули простих газів (водню, кисню, азоту, хлору та інших) складаються з двох однакових атомів. Під час сполучення водню з хлором їх молекули розпадаються на атоми, а останні утворюють молекули хлороводню. Але оскільки з однієї молекули водню і однієї молекули хлору утворюються дві молекули хлороводню, то й об’єм останнього має дорівнювати сумі об’ємів вихідних газів, тобто
Або
Н2 + Сl2 = 2НСl.
Отже, об’ємні відношення легко пояснюються, якщо виходити з уявлення про двохатомність молекул простих газів (Н2, Сl2, O2, N2 та інші). Це є, у свою чергу, доказом двохатомності молекул цих речовин.
Вивчення властивостей газів дало змогу А. Авогадро висунути гіпотезу, яка згодом була підтверджена дослідними даними, а тому названа законом Авогадро:
В однакових об’ємах різних газів за однакових умов (температура і тиск) міститься однакова кількість молекул.
Із закону Авогадро випливає важливий наслідок: за однакових умов 1 моль будь-якого газу займає однаковий об’єм. Цей об’єм можна обчислити, якщо відома маса 1 л газу. За нормальних умов, тобто за температури 273 К (0°С) і тиску 101 325 Па (1 атм), маса 1 л водню дорівнює 0,09 г, молярна маса його дорівнює 1,008 ∙ 2 = 2,016 г/моль. Тоді об’єм, що його займає 1 моль водню, дорівнює:
За цих самих умов маса 1 л кисню дорівнює 1,429 г; молярна маса – 32 г/моль. Тоді об’єм дорівнює:
Це означає, що за нормальних умов 1 моль різних газів займає об’єм, що дорівнює 22,4 л. Цей об’єм називається молярним об’ємом газу1.
Молярний об’єм газу – це відношення об’єму речовини до кількості цієї речовини:
(1.6)
1 Точне значення (22,4 1383 ± 0,0 070) л/моль.
Де Vm – молярний об’єм газу (позначення одиниці м /моль або л/моль); V – об’єм речовини системи; n – кількість речовини системи. Приклад запису: Vm газу (н. у.) =22,4 л/моль.
У 1860 р. на Міжнародному з’їзді хіміків у м. Карлсруе вчення Авогадро дістало загальне визнання. З’їзд дав сильний поштовх розвитку атомно-молекулярного вчення, який став особливо бурхливим після відкриття Д. І. Менделєєвим періодичного закону хімічних елементів.
На основі закону Авогадро визначають молярні маси газуватих речовин. Чим більша маса молекул газу, тим більша маса одного й того самого об’єму газу. В однакових об’ємах газів за однакових умов міститься однакове число молекул, а значить, і молів газів. Відношення мас однакових об’ємів газів дорівнює відношенню їх молярних мас:
M1: m2 = M1 : М2,
Де m1 – маса певного об’єму першого газу; m2 – маса такого самого об’єму другого газу; М1, M2 – молярні маси відповідно першого і другого газів.
Відношення маси певного об’єму одного газу до маси такого самого об”єму іншого газу (взятого за однакових умов) називається густиною першого газу за другим (позначається літерою D):
(1.7)
Звідки М1 = M2D.
Звичайно густину газу визначають відносно найлегшого газу – водню (позначають DН2). Молярна маса водню дорівнює 2,016 г/моль або наближено 2 г/моль. Тому матимемо:
М = 2DH2. (1.8)
Молекулярна маса речовини в газуватому стані дорівнює його подвоєній густині за воднем.
Часто густину газу визначають відносно повітря (Dn). Хоча повітря є сумішшю газів, все ж говорять про його середню молярну масу. Вона дорівнює 29 г/моль1. У цьому випадку молярна маса визначається за виразом
М = 29 Dn. (1.9)
Визначення молекулярних мас показало, що молекули простих газів складаються з двох атомів (Н2, F2, Сl2, Оr, N2), а молекули благородних газів – з одного атома (Не, Ne, Аr, Кr, Хе, Rn). Для благородних газів поняття “молекула” й “атом” рівноцінні. Однак молекули деяких інших простих речовин складаються з трьох і більше атомів, наприклад молекули озону О3, фосфору Р4, пари сірки за невисоких температур S8.
На основі закону Авогадро здійснюють різні розрахунки – обчислення об’єму, маси, густини газів за нормальних умов, молярної маси газуватих речовин, а також відносної густини газів (див. § 1.12).
Для розв’язування розрахункових хімічних задач, пов’язаних з газуватими речовинами, часто доводиться використовувати газові закони, що вивчаються в шкільному курсі фізики. Не розглядаючи їх тут детально, запишемо лише формулювання та формули, необхідні для розрахунків.
Закон Бойля – Маріотта: за сталої температури об’єм даної кількості газу обернено пропорційний тиску, під яким він перебуває. Звідси
PV = const, (1.10)
Де р – тиск; V – об’єм газу.
Закон Гей-Люссака: за сталого тиску зміна об’єму газу прямо пропорційна температурі, тобто
V/T = const, (1.11)
Де Т – температура в кельвінах (К).
Об’єднаний газовий закон Бойля – Маріотта і Гей – Люссака:
PV/Т = const. (1.12)
Ця формула звичайно застосовується для обчислення об’єму газу за даних умов, якщо відомий його об’єм за інших
1 Середню молярну масу повітря легко обчислити, якщо врахувати, що повітря складається приблизно з 4 об’ємів азоту (молярна маса 28 г/моль) і 1 об’єму кисню (молярна маса 32 г/моль), тобто 4N2 + О2. Тоді 
г/моль (заокруглено 29 г/моль).
Умов. Якщо здійснюється перехід від нормальних умов (або до нормальних умов), то цю формулу записують так:
(1.13)
Де р0, V0, Т0 – відповідно тиск, об’єм і температура газу за нормальних умов (р0 = 101 325 Па, Т0 = 273 К).
Якщо відома маса або кількість газу, а потрібно обчислити його об’єм, або навпаки, використовують рівняння Менделєєва – Клапейрона:
PV = nRT, (1.14)
Або
(1.15)
Де n – кількість речовини газу, моль; m – маса, г; М – молярна маса газу, г/моль; R – універсальна газова стала. R = 8,31 Дж/(моль – К) .
Використання газових законів для розв’язування розрахункових задач з хімії розглянуто нижче.
1 Це значення використовують, якщо тиск виміряний у паскалях, а об’єм – у метрах кубічних, або відповідно в кілопаскалях і літрах.
2Під час розв’язування задач використовуються округлені значення відносних атомних і молярних мас, окрім окремих випадків, які зазначаються.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)