Зависимость между давлением и объемом идеального газа при постоянной температуре показана на рис. 1.
Давление и объем образца газа обратно пропорциональны, т. е. их произведения являются постоянной величиной: pV = const. Это соотношение может быть записано в более удобном для решения задач виде:
p 1 V 1 = p 2 V 2 (закон Бойля-Мариотта).
Представим себе, что 50 л газа (V 1 ), находящегося под давлением 2 атм (p 1), сжали до объема 25 л (V 2), тогда его новое давление будет равно:
Зависимость свойств идеальных газов от температуры определяется законом Гей-Люссака: объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре (при постоянной массе: V = kT, где k - коэффициент пропорциональности). Это соотношение записывается обычно в более удобной форме для решения задач:
Например, если 100 л газа, находящегося при температуре 300К, нагревают до 400К, не меняя давления, то при более высокой температуре новый объем газа будет равен
Запись объединенного газового закона pV/T= = const может быть преобразована в уравнение Менделеева-Клапейрона:
где R - универсальная газовая постоянная, a - число молей газа.
Уравнение Менделеева-Клапейрона позволяет проводить самые разнообразные вычисления. Например, можно определить число молей газа при давлении 3 атм и температуре 400К, занимающих объем 70 л:
Одно из следствий объединенного газового закона: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это закон Авогадро.
Из закона Авогадро в свою очередь вытекает также важное следствие: массы двух одинаковых объемов различных газов (естественно, при одинаковых давлении и температуре) относятся как их молекулярные массы:
m 1 /m 2 = M 1 /M 2 (m 1 и m 2 - массы двух газов);
M 1 IM 2 представляет собой относительную плотность.
Закон Авогадро применим только к идеальным газам. При нормальных условиях трудно сжимаемые газы (водород, гелий, азот, неон, аргон) можно считать идеальными. У оксида углерода (IV), аммиака, оксида серы (IV) отклонения от идеальности наблюдаются уже при нормальных условиях и возрастают с ростом давления и понижением температуры.
Пример 1. Углекислый газ объемом 1 л при нормальных условиях имеет массу 1,977 г. Какой реальный объем занимает моль этого газа (при н. у.)? Ответ поясните.
Решение. Молярная масса М (CO 2) = 44 г/моль, тогда объем моля 44/1,977 = 22,12 (л). Эта величина меньше принятой для идеальных газов (22,4 л). Уменьшение объема связано с возрастанием взаимо действия между молекулами СО 2 , т. е. отклонением от идеальности.
Пример 2. Газообразный хлор массой 0,01 г, находящийся в запаянной ампуле объемом 10 см 3 , нагревают от 0 до 273 o С. Чему равно начальное давление хлора при 0 o С и при 273 o С?
Решение. М r (Сl 2) =70,9; отсюда 0,01 г хлора соответствует 1,4 10 -4 моль. Объем ампулы равен 0,01 л. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона pV=vRT, находим начальное давление хлора (p 1 ) при 0 o С:
аналогично находим давление хлора (р 2) при 273 o С: р 2 = 0,62 атм.
Пример 3. Чему равен объем, который занимают 10 г оксида углерода (II) при температуре 15 o С и давлении 790 мм рт. ст.?
Решение.
Задачи
1
. Какой объем (при н. у.) занимает 0,5
моль кислорода?
2
. Какой объем занимает водород,
содержащий 18-10 23 молекул (при н. у.)?
3
. Чему равна молярная масса оксида
серы(IV), если плотность этого газа по водороду
равна 32?
4
. Какой объем занимают 68 г аммиака при
давлении 2 атм и температуре 100 o С?
5
. В замкнутом сосуде емкостью 1,5 л
находится смесь сероводорода с избытком
кислорода при температуре 27 o С и давлении
623,2 мм рт. ст. Найдите суммарное количество
веществ в сосуде.
6
. В большом помещении температура может
измеряться с помощью "газового" термометра.
Для этой цели стеклянную трубку, имеющую
внутренний объем 80 мл, заполнили азотом при
температуре 20 o С и давлении 101,325 кПа. После
этого трубку медленно и осторожно вынесли из
комнаты в более теплое помещение. Благодаря
термическому расширению, газ вышел из трубки и
был собран над жидкостью, давление пара которой
незначительно. Общий объем газа, вышедшего из
трубки (измерен при 20 o С и 101,325 кПа), равен 3,5
мл. Сколько молей азота потребовалось для
заполнения стеклянной трубки и какова
температура более теплого помещения?
7
. Химик, определявший атомную массу
нового элемента X в середине XIX в., воспользовался
следующим методом: он получал четыре соединения,
содержащие элемент X (А, Б, В и Г), и определял
массовую долю элемента (%) в каждом из них. В сосуд,
из которого предварительно был откачан воздух,
он помещал каждое соединение, переведенное в
газообразное состояние при 250 o С, и
устанавливал при этом давление паров вещества
1,013 10 5 Па. По
разности масс пустого и полного сосудов
определялась масса газообразного вещества.
Аналогичная процедура проводилась с азотом. В
результате можно было составить такую таблицу:
| Газ | Общая масса, г | Массовая доля () элемента x в веществе, % |
| N 2 | 0,652 | - |
| А | 0,849 | 97,3 |
| Б | 2,398 | 68,9 |
| В | 4,851 | 85,1 |
| Г | 3,583 | 92,2 |
Определите вероятную атомную массу элемента X.
8 . В 1826 г. французский химик Дюма предложил метод определения плотности паров, применимый ко многим веществам. По этому методу можно было находить молекулярные массы соединений, используя гипотезу Авогадро о том, что в равных объемах газов и паров при равном давлении и температуре содержатся одинаковые количества молекул. Однако эксперименты с некоторыми веществами, сделанные по способу Дюма, противоречили гипотезе Авогадро и ставили под сомнение саму возможность определения молекулярной массы данным способом. Вот описание одного из таких экспериментов (рис. 2).
а. В горлышке сосуда а известного объема поместили навеску нашатыря б и нагрели в печи в до такой температуры t o , при которой весь нашатырь испарился. Получившиеся пары вытеснили воздух из сосуда, часть их выделилась наружу в виде тумана. Нагретый до t o сосуд, давление в котором равнялось атмосферному, запаяли по перетяжке г, затем охладили и взвесили.
Затем сосуд вскрыли, отмыли от сконденсированного нашатыря, высушили и снова взвесили. По разности определили массу m нашатыря.
Эта масса при нагревании до t o имела давление р, равное атмосферному, в сосуде объемом V. Для сосуда а заранее были определены давление и объем известной массы водорода при комнатной температуре. Отношение молекулярной массы нашатыря к молекулярной массе водорода определяли по формуле
Получили величину М/М(Н 2) = 13,4. Отношение, вычисленное по формуле NH 4 Cl, составило 26,8.
б. Опыт повторили, но горлышко сосуда закрыли пористой асбестовой пробкой д, проницаемой для газов и паров. При этом получили отношение М /М(Н 2) = 14,2.
в.
Повторили опыт б, но увеличили начальную
навеску нашатыря в 3 раза. Отношение стало равным
М/М (Н 2) = 16,5.
Объясните результаты описанного эксперимента и
докажите, что закон Авогадро в данном случае
соблюдался.
1.
Моль любого газа занимает объем (при н. у.) 22,4 л;
0,5 моль О 2 занимает объем 22,40,5 = 11,2 (л).
2.
Число молекул водорода, равное 6,02-10 23
(число Авогадро), при н. у. занимает объем 22,4 л (1
моль); тогда
3.
Молярная масса оксида cepы(IV) : M(SO 2) = 322 = 64 (г/моль).
4.
При н. у. 1 моль NНз, равный 17 г, занимает объем 22,4
л, 68 г занимает объем х
л,
Из уравнения газового состояния p o V o /T o = p 1 V 1 /T 1 находим
смеси H 2 S и О 2 .
6 . При заполнении трубки азотом
В трубке осталось (при начальных условиях) V 1: 80-3,5 = 76,5 (мл). При повышении температуры азот, занимавший объем 76,5 мл (V 1) при 20 o С, стал занимать объем V 2 = 80 мл. Тогда, согласно Т 1 /Т 2 = = V 1 /V 2 имеем
Предположим, что при температуре 250 о С вещества А, Б, В, Г являются идеальными газами. Тогда по закону Авогадро
Масса элемента X в 1 моль вещества А, Б, В и Г (г/моль):
М(А) . 0,973 = 35,45; М (Б) . 0,689 = 70,91; М (В) . 0,851 = 177,17; М(Г) . 0,922= 141,78
Поскольку в молекуле вещества должно быть целое число атомов элемента X, нужно найти наибольший общий делитель полученных величин. Он составляет 35,44 г/моль, и это число можно считать вероятной атомной массой элемента X.
8. Объяснить результаты эксперимента легко сумеет любой современный химик. Хорошо известно, что возгонка нашатыря - хлорида аммония - представляет собой обратимый процесс термического разложения этой соли:
| NH 4 Cl | NH 3 | + HCl. | |
| 53,5 | 17 | 36,5 |
В газовой фазе находятся аммиак и хлороводород, их средняя относительная молекулярная масса М т
Менее понятно изменение результата при наличии асбестовой пробки. Однако в середине прошлого века именно опыты с пористыми ("скважистыми") перегородками показали, что в парах нашатыря содержатся два газа. Более легкий аммиак проходит сквозь поры быстрее, и его легко заметить либо по запаху, либо с помощью влажной индикаторной бумаги.
Строгое выражение для оценки относительной
проницаемости газов сквозь пористые перегородки
дает молекулярно-кинетическая теооия газов.
Средняя скорость молекул газа 
, где R - газовая
постоянная; Т -
абсолютная температура; М
-
молярная масса. По этой формуле аммиак должен
диффундировать быстрее хлороводорода:
Следовательно, при введении в горло колбы асбестовой пробки газ в колбе успеет несколько обогатиться тяжелым НС1 за время, пока происходит выравнивание давления с атмосферным. Относительная плотность газа при этом возрастает. При увеличении массы NH 4 C1 давление, равное атмосферному, установится позже (асбестовая пробка препятствует быстрому вытеканию паров из колбы), газ в колбе будет содержать хлороводорода больше, чем в предыдущем случае; плотность газа увеличится.
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.
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.
Цель урока: сформировать понятие о молярном, миллимолярном и киломолярном объемах газов и единицах их измерения.
Задачи урока:
- Обучающие – закрепить ранее изученные формулы и найти связь между объемом и массой, количеством вещества и числом молекул, закрепить и систематизировать знания учащихся.
- Развивающие – развивать умения и навыки решать задачи, способности к логическому мышлению, расширять кругозор учащихся, их творческие способности, умения работать с дополнительной литературой, долговременную память, интерес к предмету.
- Воспитательные – воспитывать личности с высоким уровнем культуры, формировать потребность в познавательной деятельности.
Тип урока: Комбинированный урок.
Оборудование и реактивы: Таблица «Молярный объем газов», портрет Авогадро, мензурка, вода, мерные стаканы с серой, оксидом кальция, глюкозы количеством вещества 1 моль.
План урока :
- Организационный момент (1 мин.)
- Проверка знаний в виде фронтального опроса (10 мин.)
- Заполнение таблицы (5 мин.)
- Объяснение нового материала (10 мин.)
- Закрепление (10 мин.)
- Подведение итогов (3 мин.)
- Домашнее задание (1 мин.)
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Фронтальная беседа по вопросам.
Как называется масса 1 моля вещества?
Как связать молярную массу и количество вещества?
Чему равно число Авогадро?
Как связано число Авогадро и количество вещества?
А как связать массу и число молекул вещества?
3. А теперь заполните таблицу, решив задачи – это групповая работа.
| Формула, вещества | Масса, г | Молярная масса, г/моль | Количество вещества, моль | Число молекул | Число Авогадро, молекул/моль |
| ZnO | ? | 81 г/моль | ? моль | 18 10 23 молекул | 6 10 23 |
| MgS | 5,6г | 56 г/моль | ? моль | ? | 6 10 23 |
| BaCl 2 | ? | ? г/моль | 0,5 моль | 3 10 23 молекул | 6 10 23 |
4. Изучение нового материала.
«...Мы хотим не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и по возможности достичь цели, может быть, утопической и дерзкой на вид, – узнать, почему природа является именно такой, а не другой. В этом ученые находят наивысшее удовлетворение.»
Альберт Эйнштейн
Итак, наша цель найти наивысшее удовлетворение, как настоящие ученые.
А как называется объем 1 моля вещества?
От чего зависит молярный объем?
Чему будет равен молярный объем воды, если ее M r = 18, а ρ = 1 г/мл?
(Конечно 18 мл).
Для определения объема вы пользовались формулой известной из физики ρ = m / V (г/мл, г/см 3 , кг/м 3)
Отмерим этот объем мерной посудой. Отмерим молярные объемы спирта, серы, железа, сахара. Они разные, т.к. плотность разная, (таблица различных плотностей).
А как обстоит дело у газов? Оказывается, 1 моль любого газа при н.у. (0°С и 760 мм.рт.ст.) занимает один и тот же объем молярный 22,4 л/моль (показывается на таблице). А как будет называться объем 1 киломоля? Киломолярным. Он равен 22,4 м 3 /кмоль. Миллимолярный объем 22,4 мл/моль.
Откуда взялось это число?
Оно вытекает из закона Авогадро. Следствие из закона Авогадро: 1 моль любого газа при н.у. занимает объем 22,4 л/моль.
Немного о жизни итальянского ученого мы сейчас услышим. (сообщение о жизни Авогадро)
А теперь посмотрим зависимость величин от разных показателей:
| Формула вещества | Агрегатное состояние (при н.у.) | Масса, г | Плотность, г/мл | Объем порций в 1 моль, л | Количество вещества, моль | Зависимость между объемом и количеством вещества |
| NaCl | Твердое | 58,5 | 2160 | 0,027 | 1 | 0,027 |
| H 2 O | Жидкое | 18 | 1000 | 0,018 | 1 | 0,18 |
| O 2 | Газ | 32 | 1,43 | 22,4 | 1 | 22,4 |
| H 2 | Газ | 2 | 0,09 | 22,4 | 1 | 22,4 |
| CO 2 | Газ | 44 | 1,96 | 22,4 | 1 | 22,4 |
| SO 2 | газ | 64 | 2,86 | 22,4 | 1 | 22,4 |
Из сравнения полученных данных сделайте вывод (зависимость между объемом и количеством вещества для всех газообразных веществ (при н.у.) выражается одинаковой величиной, которая называется молярным объемом.)
Обозначается V m и измеряется л/моль и т.д. Выведем формулу для нахождения молярного объема
V m = V/ v , отсюда можно найти количество вещества и объем газа. А теперь вспомним ранее изученные формулы, можно ли их объединить? Можно получить универсальные формулы для расчетов.
m/M = V/V m ;
V/V m = N/Na
5. А теперь закрепим полученные знания с помощью устного счета, чтобы знания через умения стали применятся автоматически, то есть превратились в навыки.
За правильный ответ вы будите получать балл, по количеству баллов получите оценку.
- Назовите формулу водорода?
- Какова его относительная молекулярная масса?
- Какова его молярная масса?
- Сколько молекул водорода будет в каждом случае?
- Какой объем займут при н.у. 3 г H 2 ?
- Сколько будут весить 12 10 23 молекул водорода?
- Какой объем займут эти молекулы в каждом случае?
А теперь решим задачи по группам.
Задача №1
Образец: Какой объем занимает 0,2 моль N 2 при н.у.?
- Какой объем занимают 5 моль O 2 при н.у.?
- Какой объем занимают 2,5 моль H 2 при н.у.?
Задача №2
Образец: Какое количество вещества содержит водород объемом 33,6 л при н.у.?
Задачи для самостоятельного решения
Решите задачи по приведённому образцу:
- Какое количество вещества содержит кислород объемом 0,224 л при н.у.?
- Какое количество вещества содержит углекислый газ объемом 4,48 л при н.у.?
Задача №3
Образец: Какой объем займут 56 г. газа СО при н.у.?
Задачи для самостоятельного решения
Решите задачи по приведённому образцу:
- Какой объем займут 8 г. газа O 2 при н.у.?
- Какой объем займут 64 г. газа SO 2 при н.у.?
Задача №4
Образец: В каком объеме содержится 3·10 23 молекул водорода H 2 при н.у.?
Задачи для самостоятельного решения
Решите задачи по приведённому образцу:
- В каком объеме содержится 12,04 ·10 23 молекул водорода СO 2 при н.у.?
- В каком объеме содержится 3,01·10 23 молекул водорода O 2 при н.у.?
Понятие относительной плотности газов следует дать на основании их знаний о плотности тела: D = ρ 1 /ρ 2 , где ρ 1 – плотность первого газа, ρ 2 – плотность второго газа. Вы знаете формулу ρ = m/V. Заменив в этой формуле m на М, а V на V m , получим ρ = М/V m . Тогда относительную плотность можно выразить, используя правую часть последней формулы:
D = ρ 1 /ρ 2 = М 1 /М 2 .
Вывод: относительная плотность газов – число, показывающее, во сколько раз молярная масса одного газа больше молярной массы другого газа.
Например, определите относительную плотность кислорода по воздуху, по водороду.
6. Подведение итогов.
Решите задачи для закрепления:
Найдите массу (н.у.): а) 6 л. О 3 ; б) 14 л. газа H 2 S?
Какой объём водорода при н.у. образуется при взаимодействии 0,23 г натрия с водой?
Какова молярная масса газа, если 1 л. его имеет массу 3,17 г.? (Подсказка! m = ρ·V)
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.
