Формула объема в химии
В химии, равно как и в физике очень важным является понятие объема, поскольку для решения задач, связанных с газообразными веществами, приходится оперировать именно этой величиной.
а) Закон Авогадро, молярный объем газа
Поскольку газы являются наиболее простым объектом для исследования, то их свойства и реакции между газообразными веществами изучены наиболее полно.
Французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак установил закон объемных соотношений: объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа. Например, при взаимодействии 1 л хлора с 1 л водорода будет образовываться 2 л хлороводорода и т.д.
Этот закон позволил итальянскому ученому А. Авогадро предположить, что молекулы простых газов состоят из двух одинаковых атомов (водород, кислород, азот и др.). Изучение свойств газов позволило ему высказать гипотезу, которая впоследствии получила экспериментальное подтверждение и стала называться законом Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Следовательно, при нормальных условиях 1 моль различных газов занимает объем, равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа:
Vm = V / n
б) Газовые законы объем газа
Кроме вышеуказанной формулы для решения расчетных химических задач, нередко приходится использовать газовые законы, известные из курса физики.
— Закон Бойля-Мариотта
При постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится:
pV = const
— Закон Гей-Люссака
При постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально температуре:
V/T = const
— Объединенный газовый закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака
pV/T = const
Помимо этого, если известна масса или количество газа, его объем можно вычислить, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:
pV = nRT;
pV = n/M ×RT,
где n–число молей вещества, m–масса (г), Ь – молярная масса газа (г/моль), R – универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/(моль×К).
Примеры решения задач
| Задание | При полном сгорании на воздухе 7,4 г кислородсодержащего органического соединения образовалось 6,72 л (н.у.) углекислого газа и 5,4 мл воды. Выведите формулу этого соединения. |
| Решение | Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у»и «z» соответственно:
CxHyOz+ Oz→CO2 + H2O Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = [V(CO2) / Vm]×M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H2O)×M(H) = [2×m(H2O) / M(H2O)]×M(H); m(H) =[2×V(H2O)×M(H) / M(H2O)×1 (г/мл)] Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль Тогда, m(C) = [6,72 / 22,4]×12 = 3,6 г; m(H) = [2×5,4 ×1 / 18 ×1 (г/мл)] = 0,6 г m(O) = m(CxHyOz) – m(C) – m(H) = 7,4 – 3,6 – 0,6 = 3,2 г Определим химическую формулу соединения: x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O); x:y:z= 3,6/12 :0,6/1 :3,2/16; x:y:z= 0,3 : 0,6 : 0,2 = 1,5: 3 : 1 = 3 : 6 : 2 Значит простейшая формула соединения C3H6O2и молярную массу 64 г/моль [M(C3H6O2) = 3×Ar(C) + 6×Ar(H) + 2×Ar(O);M(C3H6O2) = = 3×12 + 6×1 + 2×16 ;M(C3H6O2) = 26 + 6 + 32 = 64 / моль]. |
| Ответ | C3H6O2 |
| Задание | Какова молекулярная формула спирта, если массовые отношения m(C):m(H):m(O) = 3:1:4 и относительная молекулярная масса Mr = 32? |
| Решение | Для того, чтобы узнать, в каких отношениях находятся химические элементы в составе молекулы необходимо найти их количество вещества. Известно, что для нахождения количества вещества следует использовать формулу:
n = m / M Найдем молярные массы углерода, водорода и кислорода (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Известно, что M = Mr, значит M(C) = 12 г/моль, М(H) = 1 г/моль, а M(O) = 16г/моль. Тогда, количество вещества этих элементов равно: n (C) = m (C) / M (C); n (C) = 3 / 12 = 0,25 моль n (H) = m (H) / M (H); n (H) = 1 / 1 = 1моль n (O) = m (O) / M (O); n (O) = 4 / 16 = 0,25 моль Найдем мольное отношение: n(C) :n(H):n(O) = 0,25 : 1 : 0, 25 = 1 :4 : 1, т.е. формула соединения спирта имеет вид CH3OH. Это метанол |
| Ответ | CH3OH |
