Об'єм моляться газу. Міль

Гази є найпростішим об'єктом для 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 самому початку систематичного вивченнязагальної 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 відносинилегко 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.

На підставі закону Авогадро визначають молярні маси газоподібних речовин. Чим більше масамолекул газу, тим більше маса одного й того ж обсягу газу. У рівних обсягахгазів за однакових умов міститься однакове числомолекул, 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 масаводню 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 температуріобсяг 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 тискуі зміна обсягу газу прямо пропорційно температурі, тобто.
V/T = const,
де Т - Температура за шкалою До (Кельвіна)

Об'єднаний газовий законБойля - 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 фізикомАвогадро 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 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)

де р -тиск газу в замкнутої системи, 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 об'єднує закони Бойля-Маріотта та Гей-Люссака:

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.

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 обсягів газів у двокомпонентній газової сумішіназад пропорційно різницям між щільністю суміші і щільністю газів, що становлять цю суміш. Позначимо відносну щільністьгазової суміші по водню через DН2. вона буде більше щільностіметану, але менше щільностікисню:

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).

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 витяг 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 виміряних 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 під час випробування 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.

Мета уроку:сформувати поняття про молярний, мілімолярний та кіломолярний обсяги газів та одиниці їх вимірювання.

Завдання уроку:

• Навчальні– закріпити раніше вивчені формули та знайти зв'язок між обсягом та масою, кількістю речовини та числом молекул, закріпити та систематизувати знання учнів.
• Розвиваючі– розвивати вміння та навички вирішувати завдання, здатності до логічного мислення, розширювати кругозір учнів, їх творчі здібності, вміння працювати з додатковою літературою, довгострокову пам'ять, інтерес до предмета.
• Виховні- виховувати особи з високим рівнемкультури, формувати потребу у пізнавальній діяльності.

Тип уроку:Комбінований урок.

Обладнання та реактиви:Таблиця «Молярний обсяг газів», портрет Авогадро, мензурка, вода, мірні склянки із сіркою, оксидом кальцію, глюкози кількістю речовини 1 моль.

План уроку:

1. Організаційний момент (1 хв.)
2. Перевірка знань у вигляді фронтального опитування(10 хв.)
3. Заповнення таблиці (5 хв.)
4. Пояснення нового матеріалу (10 хв.)
5. Закріплення (10 хв.)
6. Підбиття підсумків (3 хв.)
7. Домашнє завдання(1 хв.)

Хід уроку

1. Організаційний момент.

2. Фронтальна розмова з питань.

Як називається маса 1 молячи речовини?

Як пов'язати молярну масу та кількість речовини?

Чому дорівнює число Авогадро?

Як пов'язане число Авогадро та кількість речовини?

А як пов'язати масу та число молекул речовини?

3. Тепер заповніть таблицю, вирішивши завдання – це групова робота.

4. Вивчення нового матеріалу.

«...Ми хочемо не тільки знати, як улаштована природа (і як відбуваються природні явища), але і по можливості досягти мети, можливо, утопічної та зухвалої на вигляд, – дізнатися, чому природа є саме такою, а не іншою. У цьому вчені знаходять найвище задоволення.
Альберт Ейнштейн

Отже, наша мета – знайти найвище задоволення, як справжні вчені.

А як називається об'єм 1 моля речовини?

Від чого залежить молярний об'єм?

Чому дорівнюватиме молярний об'єм води, якщо її M r = 18, а ρ = 1 г/мл?

(Звичайно 18 мл).

Для визначення обсягу використовувалися формулою відомої з фізики ρ = m / V (г/мл, г/см 3 кг/м 3)

Відміряємо цей обсяг мірним посудом. Відміряємо молярні обсяги спирту, сірки, заліза, цукру. Вони різні, т.к. щільність різна, (таблиця різних густин).

А як справи у газів? Виявляється, 1 моль будь-якого газу за н.у. (0°С і 760 мм.рт.ст.) займає один і той же молярний об'єм 22,4 л/моль (показується на таблиці). А як називатиметься обсяг 1 кіломолю? Кіломолярним. Він дорівнює 22,4 м-коду 3 /кмоль. Мілімолярний об'єм 22,4 мл/моль.

Звідки взялося це число?

Воно випливає із закону Авогадро. Слідство із закону Авогадро: 1 моль будь-якого газу за н.у. займає об'єм 22,4 л/моль.

Трохи про життя італійського вченого ми зараз почуємо. (повідомлення про життя Авогадро)

А тепер подивимося залежність величин від різних показників:

З порівняння отриманих даних зробіть висновок (залежність між об'ємом та кількістю речовини для всіх газоподібних речовин (при н.у.) виражається однаковою величиною, яка називається молярним об'ємом.)

Позначається V m і вимірюється л/моль і т.д. Виведемо формулу для знаходження молярного об'єму

V m = V/v , звідси можна знайти кількість речовини та обсяг газу. А тепер згадаємо раніше вивчені формули, чи їх можна об'єднати? Можна отримати універсальні формулидля розрахунків.

m/M = V/V m;

V/V m = N/Na

5. А тепер закріпимо отримані знання за допомогою усного рахунку, щоб знання через уміння стали застосовуватися автоматично, тобто перетворилися на навички.

За правильну відповідь ви отримуватимете бал, за кількістю балів отримаєте оцінку.

1. Назвіть формулу водню?
2. Якою є його відносна молекулярна маса?
3. Яка його молярна маса?
4. Скільки молекул водню буде у кожному випадку?
5. Який обсяг займуть за н.у. 3 г H 2?
6. Скільки важитимуть 12 10 23 молекул водню?
7. Який обсяг займуть ці молекули у кожному випадку?

А тепер вирішимо завдання щодо груп.

Завдання №1

Який обсяг займає 0,2 моль N 2 при н.у.?

1. Який обсяг займають 5 моль O 2 при н.
2. Який обсяг займають 2,5 моль H 2 за н.у.?

Завдання №2

Яка кількість речовини містить водень об'ємом 33,6 л при н.у.?

Завдання для самостійного вирішення

Розв'яжіть задачі за наведеним зразком:

1. Яка кількість речовини містить кисень об'ємом 0,224 л за н.у.?
2. Яка кількість речовини містить вуглекислий газоб'ємом 4,48 л за н.у.?

Завдання №3

Зразок: Який обсяг займуть 56 р газу СО при н.у.?

Завдання для самостійного вирішення

Розв'яжіть задачі за наведеним зразком:

1. Який обсяг займуть 8 р газу O 2 при н.у.?
2. Який обсяг займуть 64 р газу SO 2 при н.у.?

Завдання №4

Зразок: У якому обсязі міститься 3 10 23 молекул водню H 2 при н.у.?

Завдання для самостійного вирішення

Розв'яжіть задачі за наведеним зразком:

1. У якому обсязі міститься 12,04 ·10 23 молекул водню СО 2 при н.у.?
2. В якому обсязі міститься 3,01 · 1023 молекул водню O2 при н.у.?

Поняття відносної щільності газів слід дати на підставі їх знань про щільність тіла: D = ρ 1 /ρ 2 , де ρ 1 – густина першого газу, ρ 2 – густина другого газу. Ви знаєте формулу ρ = m/V. Замінивши у цій формулі m на М, а V на V m отримаємо ρ = М/V m . Тоді відносну щільність можна виразити, використовуючи праву частинуостанньої формули:

D = ρ 1 / ρ 2 = М 1 / М 2 .

Висновок: відносна щільність газів – число, що показує, у скільки разів молярна маса одного газу більша за молярну масу іншого газу.

Наприклад, визначте відносну щільність кисню повітрям, воднем.

6. Підбиття підсумків.

Розв'яжіть завдання для закріплення:

Знайдіть масу (н.у.): а) 6 л. Про 3; б) 14 л. газу H 2 S?

Який обсяг водню за н.у. утворюється при взаємодії 0,23 г натрію із водою?

Яка молярна маса газу, якщо 1 л. його має масу 3,17 р? (Підказка! m = ρ·V)

Урок 1.

Тема: Кількість речовин. Міль

Хімія – це наука про речовини.А як виміряти речовини? У яких одиницях? У молекулах, з яких складаються речовини, але це дуже складно. У грамах, кілограмах чи міліграмах, але так вимірюють масу. А якщо об'єднати масу, яку вимірюють на терезах і кількість молекул речовини, чи можливо це?

а) H-водень

Ан = 1а.е.м.

1а.е.м = 1,66 * 10 -24 г

Візьмемо 1г водню та підрахуємо кількість атомів водню у цій масі (запропонуйте це зробити учням за допомогою калькулятора).

N н = 1г / (1,66 * 10 -24) г = 6,02 * 10 23

б) O-кисень

А про = 16а.е.м = 16 * 1.67 * 10 -24 г

N o = 16г / (16 * 1.66 * 10 -24) г = 6,02 * 10 23

в) C-вуглець

А з = 12а.е.м = 12 * 1.67 * 10 -24 г

N c = 12г / (12 * 1.66 * 10 -24) г = 6,02 * 10 23

Зробимо висновок: якщо ми візьмемо таку масу речовини, яка дорівнює атомної масиза величиною, але взята в грамах, там буде завжди (для будь-якої речовини) 6.02 *10 23 атомів цієї речовини.

H 2 O - вода

18г / (18 * 1.66 * 10 -24) г = 6,02 * 10 23 молекул води і т.д.

N а = 6,02 * 10 23 - Число або постійна Авогадро.

Міль - кількість речовини, в якій міститься 6,02 * 1023 молекул, атомів або іонів, тобто. структурні одиниці.

Буває моль молекул, моль атомів, моль іонів.

n – число молей, (число молей часто позначають ню),
N - число атомів чи молекул,
N а = Постійна Авогадро.

Кмоль = 103 моль, ммоль = 10 -3 моль.

Показати портрет Амедео Авогадро на мультимедійній установці та коротко розповісти про нього, або доручити учневі підготувати невелику доповідь про життя вченого.

Урок 2

Тема «Молярна маса речовини»

Чому ж дорівнює маса 1 молячи речовини? (Висновок учні часто можуть зробити самі.)

Маса одного молячи речовини дорівнює його молекулярній масі, але виражена в грамах. Маса одного моля речовини називається молярною масою і позначається - M.

Формули:

М - молярна маса,
n - число молей,
m – маса речовини.

Маса моля вимірюється в г/моль, маса кмоля вимірюється в кг/кмоль, маса ммоля вимірюється мг/моль.

Заповнити таблицю (таблиці лунають).

Урок 3

Тема: Молярний об'єм газів

Розв'яжемо завдання. Визначте об'єм води, маса якої за нормальних умов 180 г.

Дано:

Тобто. обсяг рідких та твердих тілрахуємо через щільність.

Але, під час розрахунку обсягу газів необов'язково знати щільність. Чому?

Італійський вчений Авогадро визначив, що у рівних обсягах різних газівза однакових умов (тиску, температури) міститься однакове число молекул - це твердження називається законом Авогадро.

Тобто. якщо за рівних умов V(H 2) =V(O 2) , то n(H 2) =n(O 2), і навпаки якщо за рівних умов n(H 2) =n(O 2) то й обсяги цих газів будуть однакові. А моль речовини завжди містить одне і те ж число молекул 6,02 * 10 23 .

Робимо висновок - за однакових умов молі газів повинні займати один і той самий обсяг.

За нормальних умов (t=0, P=101,3 кПа. або 760 мм рт. ст.) молі будь-яких газів займають однаковий обсяг. Цей обсяг називається молярним.

V m =22,4 л/моль

1кмоль займає об'єм -22,4 м 3 /кмоль, 1ммоль займає об'єм -22,4 мл/ммоль.

приклад 1.(Вирішується на дошці):

приклад 2.(Можна запропонувати вирішити учням):

Запропонувати учням заповнити таблицю.