Определить объем газа при нормальных условиях. Молярный объем

⁰

Молярный объем газа равен отношению объема газа к количеству вещества этого газа, т.е.

V m = V(X) / n(X),

где V m - молярный объем газа - постоянная величина для любого газа при данных условиях;

V(X) – объем газа Х;

n(X) – количество вещества газа Х.

Молярный объем газов при нормальных условиях (нормальном давлении р н = 101 325 Па ≈ 101,3 кПа и температуре Т н =273,15 К ≈ 273 К) составляет V m = 22,4 л/моль.

Законы идеальных газов

В расчетах, связанных с газами, часто приходится переходить от данных условий к нормальным или наоборот. При этом удобно пользоваться формулой, следующей из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

pV / Т = p н V н / Т н

Где p -давление; V - объем; Т- температура вшкале Кельвина; индекс «н» указывает на нормальные условия.

Объемная доля

Состав газовых смесей часто выражают при помощи объемной доли - отношения объема данного компонента к общему объему системы, т.е.

φ(Х) = V(X) / V

где φ(Х) - объемная доля компонента Х;

V(X) - объем компонента Х;

V - объем системы.

Объемная доля - безразмерная величина, её выражают в долях от единицы или в процентах.

Пример 1. Какой объем займет при температуре 20°С и давлении 250 кПа аммиак массой 51 г?

1. Определяем количество вещества аммиака:

n(NH 3) = m(NH 3) / М(NH 3) = 51 / 17 = 3 моль.

2. Объем аммиака при нормальных условиях составляет:

V(NH 3) = V m · n(NH 3) = 22,4 · 3 = 67,2 л.

3. Используя формулу (3), приводим объем аммиака к данным условиям (температура Т = (273 + 20) К = 293 К):

V(NH 3) = p н V н (NH 3) / pТ н = 101,3 · 293 · 67,2 / 250 · 273 = 29,2 л.

Ответ: V(NH 3) = 29,2 л.

Пример 2. Определите объем, который займет при нормальных условиях газовая смесь, содержащая водород, массой 1,4 г и азот, массой 5,6 г.

1. Находим количества вещества водорода и азота:

n(N 2) = m(N 2) / М(N 2) = 5,6 / 28 = 0,2 моль

n(H 2) = m(H 2) / М(H 2) = 1,4 / 2 = 0,7 моль

2. Так как при нормальных условиях эти газы не взаимодействуют между собой, то объем газовой смеси будет равен сумме объемов газов, т.е.

V(смеси) = V(N 2) + V(H 2) = V m · n(N 2) + V m · n(H2) = 22,4 · 0,2 + 22,4 · 0,7 = 20,16 л.

Ответ: V(смеси) = 20,16 л.

Закон объемных отношений

Как решить задачу с использованием «Закона объемных отношений»?

Закон объемных отношений: объемы газов, участвующих в реакции, относятся друг к другу как небольшие целые числа, равные коэффициентам в уравнении реакции.

Коэффициенты в уравнениях реакций показывают числа объемов реагирующих и образовавшихся газообразных веществ.

Пример. Вычислите объем воздуха, необходимый для сгорания 112 л ацетилена.

1. Составляем уравнение реакции:

2. На основании закона объемных отношений вычисляем объем кислорода:

112 / 2 = Х / 5, откуда Х = 112 · 5 / 2 = 280л

3. Определяем объм воздуха:

V(возд) = V(O 2) / φ(O 2)

V(возд) = 280 / 0,2 = 1400 л.

P1V1=P2V2, или, что то же самое, PV=const (закон Бойля-Мариотта). При постоянном давлении постоянным остается отношение объема к температуре: V/T=const (закон Гей-Люссака). Если же зафиксировать объем, то P/T=const (закон Шарля). Объединение этих трех законов дает универсальный закон, который гласит, что PV/T=const. Данное уравнение было установлено французским физиком Б. Клапейроном в 1834 году.

Значение постоянной определяется лишь количеством вещества газа . Д.И. Менделеев в 1874 году вывел уравнение для одного моля. Так он значение универсальной постоянной: R=8,314 Дж/(моль∙К). Итак, PV=RT. В случае произвольного количества газа ν PV=νRT. Само количество вещества можно найти из массы к молярной массе: ν=m/M.

Молярная масса численно равна относительной молекулярной. Последнюю можно найти из таблицы Менделеева, она указывается в ячейке элемента, как правило, . Молекулярная масса равна сумме молекулярных масс входящих в него элементов. В случае разновалентных атомов требуется на индекс. Напри мер, M(N2O)=14∙2+16=28+16=44 г/моль.

Нормальными условиями для газов при нято считать P0 =1 атм = 101, 325 кПа, температуру T0=273,15 К = 0°C. Теперь можно найти объем одного моля газа при нормальных условиях : Vm=RT/P0=8,314∙273,15/101,325=22,413 л/моль. Эта табличная величина является молярным объемом.

При нормальных условиях количество отношению объема газа к молярному объему: ν=V/Vm. При произвольных условиях надо использовать непосредственно уравнение Менделеева-Клапейрона: ν=PV/RT.

Таким образом, чтобы найти объем газа при нормальных условиях , надо количество вещества (число молей) этого газа умножить на молярный объем, равный 22,4 л/моль. Обратной операцией можно найти количество вещества из заданного объема.

Чтобы найти объем одного моля вещества в твердом или жидком состоянии, найдите его молярную массу и поделите на плотность. Один моль любого газа в нормальных условиях имеет объем 22,4 л. В том случае если условия изменяются, рассчитайте объем одного моля при помощи уравнения Клапейрона-Менделеева.

Вам понадобится

периодическая таблица Менделеева, таблица плотности веществ, манометр и термометр.

Инструкция

Определение объема одного моля или твердого тела
Определите химическую формулу твердого тела или жидкости, которая изучается. Затем, с помощью периодической таблицы Менделеева найдите атомные массы элементов, которые входят в формулу. Если один в формулу несколько раз, умножьте его атомную массу на это число. Сложите атомные массы и получите молекулярную массу , из которого состоит твердое тело или жидкость. Она будет численно равна молярной массе, измеренной в граммах на моль.

По таблице плотности веществ найдите эту величину для материала изучаемого тела или жидкости. После этого поделите молярную массу на плотность данного вещества, измеренную в г/см³ V=M/ρ. В результате получите объем одного моля в см³. Если вещества осталась неизвестной, определить объем одного его моля будет невозможно.

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)

Урок 1.

Тема: Количество вещества. Моль

Химия – это наука о веществах. А как измерять вещества? В каких единицах? В молекулах, из которых состоят вещества, но сделать это очень сложно. В граммах, килограммах или миллиграммах, но так измеряют массу. А что если объединить массу, которую измеряют на весах и число молекул вещества, возможно ли это?

а) H-водород

А н = 1а.е.м.

1а.е.м = 1,66*10 -24 г

Возьмем 1г водорода и подсчитаем количество атомов водорода в этой массе (предложите это сделать ученикам с помощью калькулятора).

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

б) O-кислород

А о = 16а.е.м = 16*1.67* 10 -24 г

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

в) C-углерод

А с = 12а.е.м = 12*1.67*10 -24 г

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

Сделаем вывод: если мы возьмем такую массу вещества, которая равна атомной массе по величине, но взята в граммах, то там будет всегда (для любого вещества) 6.02 *10 23 атомов этого вещества.

H 2 O - вода

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

N а = 6,02*10 23 - число или постоянная Авогадро .

Моль - количество вещества, в котором содержится 6,02 *10 23 молекул, атомов или ионов, т.е. структурных единиц.

Бывает моль молекул, моль атомов, моль ионов.

n – число молей,(число молей часто обозначают- ню),
N - число атомов или молекул,
N а = постоянная Авогадро.

Кмоль = 10 3 моль, ммоль = 10 -3 моль.

Показать портрет Амедео Авогадро на мультимедийной установке и кратко рассказать о нем, или поручить ученику подготовить небольшой доклад о жизни учёного.

Урок 2.

Тема « Молярная масса вещества»

Чему же равна масса 1 моля вещества? (Вывод учащиеся часто могут сделать сами.)

Масса одного моля вещества равна его молекулярной массе, но выражена в граммах. Масса одного моля вещества называется молярной массой и обозначается – M.

Формулы:

М - молярная масса,
n - число молей,
m - масса вещества.

Масса моля измеряется в г/моль, масса кмоля измеряется в кг/кмоль, масса ммоля измеряется в мг/моль.

Заполнить таблицу (таблицы раздаются).

Вещество	Число молекул N= N a n	Молярная масса M= (рассчитывается по ПСХЭ)	Число молей n ()=	Масса вещества m = M n
			5моль
Н 2 SO 4
	12 ,0 *410 26**

Урок 3.

Тема: Молярный объем газов

Решим задачу. Определите объем воды, масса которой при нормальных условиях 180 г.

Дано:

Т.е. объем жидких и твердых тел считаем через плотность.

Но, при расчёте объёма газов не обязательно знать плотность. Почему?

Итальянский ученый Авогадро определил, что в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (давлении, температуре) содержится одинаковое число молекул - это утверждение называется законом Авогадро.

Т.е. если при равных условиях V(H 2) =V(O 2) , то n(H 2) =n(O 2), и наоборот если при равных условиях n(H 2) =n(O 2) то и объемы этих газов будут одинаковы. А моль вещества всегда содержит одно и тоже число молекул 6,02 *10 23 .

Делаем вывод – при одинаковых условиях моли газов должны занимать один и тот же объем.

При нормальных условиях (t=0, P=101,3 кПа. или 760 мм рт. ст.) моли любых газов занимают одинаковый объем. Этот объем называется молярным.

V m =22,4 л/моль

1кмоль занимает объём -22,4 м 3 /кмоль, 1ммоль занимает объем -22,4 мл/ммоль.

Пример 1. (Решается на доске):

Пример 2. (Можно предложить решить ученикам):

Дано:	Решение:
m(H 2)=20г V(H 2)=?

Предложить учащимся заполнить таблицу.

Вещество	Число молекул N = n N a	Масса вещества m = M n	Число молей n =	Молярная масса M= (можно определить по ПСХЭ)	Объем V=V m n

Одной из основных единиц в Международной системе единиц (СИ) является единица количества вещества – моль.

Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов и др.), сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода 12 С .

Учитывая, что значение абсолютной атомной массы для углерода равно m (C) = 1,99 · 10  26 кг, можно рассчитать число атомов углерода N А , содержащееся в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одно и то же число частиц этого вещества (структурных единиц). Число структурных единиц, содержащихся в веществе количеством один моль равно 6,02·10 23 и называется числом Авогадро (N А ).

Например, один моль меди содержит 6,02·10 23 атомов меди (Cu), а один моль водорода (H 2) – 6,02·10 23 молекул водорода.

Молярной массой (M) называется масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

Молярная масса обозначается буквой М и имеет размерность [г/моль]. В физике пользуются размерностью [кг/кмоль].

В общем случае численное значение молярной массы вещества численно совпадает со значением его относительной молекулярной (относительной атомной) массы.

Например, относительная молекулярная масса воды равна:

Мr(Н 2 О) = 2Аr (Н) + Аr (O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

Молярная масса воды имеет ту же величину, но выражена в г/моль:

М (Н 2 О) = 18 г/моль.

Таким образом, моль воды, содержащий 6,02·10 23 молекул воды (соответственно 2·6,02·10 23 атомов водорода и 6,02·10 23 атомов кислорода), имеет массу 18 граммов. В воде, количеством вещества 1 моль, содержится 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода.

1.3.4. Связь между массой вещества и его количеством

Зная массу вещества и его химическую формулу, а значит и значение его молярной массы, можно определить количество вещества и, наоборот, зная количество вещества, можно определить его массу. Для подобных расчетов следует пользоваться формулами:

где ν – количество вещества, [моль]; m – масса вещества, [г] или [кг]; М – молярная масса вещества, [г/моль] или [кг/кмоль].

Например, для нахождения массы сульфата натрия (Na 2 SO 4) количеством 5 моль найдем:

1) значение относительной молекулярной массы Na 2 SO 4 , представляющую собой сумму округленных значений относительных атомных масс:

Мr(Na 2 SO 4) = 2Аr(Na) + Аr(S) + 4Аr(O) = 142,

2) численно равное ей значение молярной массы вещества:

М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,

3) и, наконец, массу 5 моль сульфата натрия:

m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.

Ответ: 710.

1.3.5. Связь между объемом вещества и его количеством

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при давлении р , равном 101325 Па (760 мм. рт. ст.), и температуре Т, равной 273,15 К (0 С), один моль различных газов и паров занимает один и тот же объем, равный 22,4 л.

Объем, занимаемый 1 моль газа или пара при н.у., называется молярным объемом газа и имеет размерность литр на моль.

V мол = 22,4 л/моль.

Зная количество газообразного вещества (ν) и значение молярного объема (V мол) можно рассчитать его объем (V) при нормальных условиях:

V = ν · V мол,

где ν – количество вещества [моль]; V – объем газообразного вещества [л]; V мол = 22,4 л/моль.

И, наоборот, зная объем (V ) газообразного вещества при нормальных условиях, можно рассчитать его количество (ν):