ДИСТАНЦІЙНЕ НАВЧАННЯ. 9 КЛАС

Тема:

Співідношення об'ємів газів у хімічних реакціях (Закон об'ємних співвідношень газів Гей-Люссака)

06.04.2020

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, 1 л хлору сполучається з 1 л водню, утворюючи 2 л хлороводню; 2 л оксиду сульфуру(ІV) сполучаються з 1 л кисню, утворюючи 2 л оксиду сульфуру(VІ).

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 V_m — молярний об’єм газу (позначення одиниці м /моль або л/моль); V — об’єм речовини системи; n — кількість речовини системи. Приклад запису: V_m 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 (позначаютьDН2). Молярна маса водню дорівнює 2,016 г/моль або наближено 2 г/моль. Тому матимемо:

М = 2D_H2.                                              (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 D_n.                                            (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.

Практика на прикладах

Завдання 1. Обчисліть об’єм хлору, що може приєднати 5 л етилену.

Відповідь: 5 л хлору.

Завдання 2. Обчисліть, який об’єм кисню потрібен для спалювання 1 м3 метану.

Відповідь: 2 м3 кисню.

Завдання 3. Обчисліть об’єм ацетилену, для повного гідрування якого витратили 20 л водню.

Відповідь: 10 л ацетилену.

2. Керована практика

Завдання 4. Обчисліть об’єм кисню, що потрібен для спалювання 40 л суміші, яка містить 20 % метану, 40 % етану й 40 % етену.

Відповідь: 104 л кисню.

3. Самостійна практика

Завдання 5. Обчисліть об’єм водню, який потрібен для повного гідрування речовини Х.

(Учні самостійно заповнюють таблицю, після закінчення роботи звіряють відповіді.)

Варіант	Об’єм речовини Х, л	Формула речовини Х	Рівняння гідрування	Об’єм водню, л
1	10	С3Н4
2	15	С2Н2
3	25	С2Н4
4	18	С3Н6
5	20	С3Н4
6	35	С2Н2
7	10	С4Н8
8	20	С3Н6
9	28	С2Н2
10	17	С2Н4

Завдання 6. Обчисліть об’єм повітря (уміст кисню прийняти за 20 % об’ємних), що витратиться для повного спалювання суміші.

(Учні самостійно на оцінку розв’язують одну-дві задачі за завданням учителя.)

Варіант	Об’єм суміші, л	Уміст компонентів суміші, %
		С3Н4	С3Н8	СН4	С2Н6	С2Н4	С3Н6	С2Н2
1	40			10	40		50
2	120		30		30			40
3	70	20				20	60
4	250			50		20		30
5	170		25			25	50
6	240			70		10		20
7	300	40			25		35
8	90		10	10				80
9	150	20		10			70
10	200	15			70	15