✅Молярний об’єм

При вивченні хімічних речовин важливими поняттями є такі величини, як молярна маса, густина речовини, молярний об’єм. Так, що ж таке молярний об’єм, і в чому його відмінність для речовин в різному агрегатному стані?

Молярний об’єм: загальна інформація

Щоб обчислити молярний об’єм хімічної речовини необхідно молярну масу цієї речовини розділити на її густину.

Таким чином, молярний об’єм обчислюється за формулою:

У Міжнародній системі СІ ця величина вимірюється в кубічний метр на моль (м 3 /моль).

Молярний об’єм газоподібних речовин відрізняється від речовин, що знаходяться в рідкому і твердому стані тим, що газоподібний елемент кількістю 1 моль завжди займає однаковий об’єм (за певних умов однакові параметри).

Об’єм газу залежить від температури і тиску, тому при розрахунках слід брати об’єм газу при нормальних умовах. Нормальними умовами вважається температура 0 градусів і тиск 101,325 кПа.

Молярний об’єм 1 моля газу при нормальних умовах завжди однаковий і рівний 22,41 дм 3 /моль. Цей об’єм називається молярним об’ємом ідеального газу. Тобто, в 1 молі будь-якого газу (кисень, водень, повітря) об’єм дорівнює 22,41 дм 3 /м.

Молярний об’єм при нормальних умовах можна вивести, використовуючи рівняння стану для ідеального газу, яке називається рівнянням Клайперона-Менделєєва:

R = 8.314 Дж / моль * К = 0,0821 л * атм / моль К

V = RT/P = 8.314 * 273.15 / 101.325 = 22.413 л / моль,

Закон Авогадро

У 1811 році А. Авогадро висунув гіпотезу, що в рівних об’ємах різних газів при однакових умовах (температурі і тиску) міститься однакове число молекул. Пізніше гіпотеза підтвердилася і стала законом, що мають ім’я великого італійського вченого.

Закон стає зрозумілий, якщо згадати, що в газоподібному вигляді відстань між частинками незрівнянно більше, ніж розміри самих частинок.

Таким чином, з закону Авогадро можна зробити наступні висновки:

• У рівних об’ємах будь-яких газів, взятих при одній і тій же температурі і при одному і тому ж тиску, міститься одне і те ж число молекул.
• 1 моль абсолютно різних газів при однакових умовах займає однаковий об’єм.
• Один моль будь-якого газу при нормальних умовах займає об’єм 22,41 л.

Слідство із закону Авогадро і поняття молярного об’єму засновані на тому, що моль будь-якої речовини містить однакове число часток (для газів – молекул), що дорівнює постійній Авогадро.

Щоб дізнатися число молей розчиненої речовини міститься в одному літрі розчину, необхідно визначити молярну концентрацію речовини за формулою

• n – кількість розчиненої речовини, що виражається в молях;
• V – об’єм розчину, який виражається в літрах;
• С – молярність.

Що ми дізналися?

У шкільній програмі з хімії 8 класу вивчається тема «Молярний об’єм». В одному молі газу завжди міститься однаковий об’єм, рівний 22,41 кубічний метр/моль. Цей об’єм називається молярним об’ємом газу.

§ 21. Молярний об’єм. Закон Авогадро

Молярний об’єм. Порцію речовини можна характеризувати не тільки за її масою, а й за об’ємом. Тому, крім молярної маси, використовують іншу фізичну величину — молярний об’єм.

Молярним об’ємом називають об’єм 1 моль речовини.

Позначення молярного об’єму — V_м, а одиниці вимірювання — см 3 /моль, л/моль.

Із курсу фізики вам відома формула, до якої входять маса речовини (m), її густина (ρ) і об’єм (V):

Аналогічний зв’язок існує між молярною масою і молярним об’ємом:

Із цієї формули отримуємо іншу:

За нею можна обчислити молярний об’єм будь-якої речовини. Для цього потрібно розрахувати молярну масу речовини і знайти в довіднику її густину.

Кожна тверда і рідка речовина має своє значення молярного об’єму (наприклад, для алюмінію, кухонної солі, води та етилового спирту — 10, 27, 18 і 58 см 3 /моль відповідно). Молярний об’єм речовин у твердому і рідкому агрегатних станах, як і їхня густина, майже не залежить від температури і тиску.

Гази при нагріванні або зниженні тиску істотно розширюються, а при охолодженні або підвищенні тиску — стискуються. Це зумовлено тим, що відстані між молекулами в газах дуже великі (у твердих і рідких речовинах частинки перебувають у контакті одна з одною).

Нормальні умови (н. у.) — 0°С; 760 мм рт. ст.

При зміні умов змінюються також густина газу і його молярний об’єм. Тому, наводячи значення цих фізичних величин, обов’язково вказують відповідні температуру і тиск.

Учені встановили, що молярний об’єм різних газів за однакових умов один і той самий. Зокрема, за температури 0 °С і тиску 760 мм рт. ст. (або 101,3 кПа) він становить 22,4 л/моль. Наведені умови називають нормальними (скорочено — н. у.).

Для газів за н. у. = 22,4 л/моль

1 моль будь-якого газу за нормальних умов займає об’єм 22,4 л.

Описуючи фізичні властивості речовини, указують її агрегатний стан за звичайних умов. У цьому разі йдеться про умови, які найчастіше існують у приміщенні, де вивчають або використовують речовину. Це — температура приблизно +20 °С і тиск приблизно 760 мм рт. ст.

Зв’язок між об’ємом (V), кількістю речовини (n) і молярним об’ємом (V_м) описує така формула (спробуйте її вивести самостійно):

Із неї можна отримати дві інші:

Отже, молярний об’єм — це відношення об’єму до кількості речовини.

Закон Авогадро. Ви вже знаєте, що 1 моль водню, кисню чи іншого газу займає за нормальних умов об’єм 22,4 л і містить 6,02 · 10 23 молекул. Гіпотезу про однакову кількість молекул в однакових об’ємах різних газів, яка базувалася на результатах досліджень реакцій між газами, висловив на початку XIX ст. А. Авогадро. Отримавши подальше експериментальне підтвердження і теоретичне обґрунтування, ця гіпотеза стала законом.

Закон Авогадро формулюють так:

в однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску міститься однакова кількість молекул 1 .

1 Для інертних газів — однакова кількість атомів.

Наводимо важливий наслідок закону Авогадро:

в однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску містяться однакові кількості речовини.

Викладений матеріал підсумовує малюнок 40.

Мал. 40. Однакові кількості молекул і кількості речовини в однакових об’ємах газів

Розв’язування задач. Розв’яжемо кілька задач із використанням молярного об’єму газу.

ЗАДАЧА 1. Обчислити об’єм 0,4 г водню за нормальних умов.

ЗАДАЧА 2. Обчислити кількість молекул в 1 л кисню за нормальних умов.

ЗАДАЧА 3. Розрахувати густину чадного газу CO за нормальних умов.

Молярний об’єм — об’єм 1 моль речовини. Ця фізична величина є відношенням об’єму до кількості речовини.

Молярні об’єми твердих і рідких речовин різні, а газів (за одних і тих самих температури і тиску) — однакові. За нормальних умов (температури 0 °С й тиску 760 мм рт. ст.) 1 моль будь-якого газу займає об’єм 22,4 л.

В однакових об’ємах різних газів за однакових температури і тиску міститься однакова кількість молекул (закон Авогадро).

• 152. Що таке молярний об’єм речовини? Як можна його розрахувати?
• 153. Густина азоту 1 становить 1,25 г/л. Обчисліть молярний об’єм газу.
• 154. Густина газу становить 1,43 г/л. Яка молярна маса газу?
• 155. Знайдіть об’єми газів:

а) водню, взятого кількістю речовини 10 моль;

б) сірководню H₂S масою 3,4 г;

в) чадного газу CO масою 0,28 г. (Усно.)

• 156. Людина за добу видихає разом із повітрям 500 л вуглекислого газу. Визначте масу цього об’єму газу.
• 157. Обчисліть молярну масу газу, якщо 60 г його займають об’єм 44,8 л. (Усно.)
• 158. Де міститься найбільше молекул — в 1 л води, 1 л кисню чи 1 л водню? Відповідь поясніть.
• 159. Маємо однакові маси газів — водню і метану СН₄. Яке співвідношення їхніх об’ємів?

1 У цій і наступних задачах до параграфа густини, об’єми і молярні об’єми газів відповідають нормальним умовам.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Співвідношення об’ємів газів у хімічних реакціях

Згідно із законом Авогадро, однакові об’єми газів містять однакову кількість молекул (за однакових умов). Якщо кожна молекула одного газу реагує з однією молекулою іншого, наприклад під час реакції

то повинні взаємодіяти однакові об’єми речовин, скажімо 1 л Н₂ та 1 л Сl₂. У реакції

на один об’єм кисню має припадати два об’єми водню, оскільки тільки за цієї умови кількість молекул водню удвічі перевищуватиме кількість молекул кисню, як того «вимагає» хімічне рівняння.

Узагальненням цих висновків є закон об’ємних співвідношень газів, який відкрив французький учений Ж. Гей-Люссак у 1808 р.:

об’єми газів, що вступають у реакцію та утворюються в результаті реакції, співвідносяться як невеликі цілі числа.

Із часом учені встановили, що ці числа є відповідними коефіцієнтами в хімічних рівняннях.

Отже, для газів у реакціях (1) і (2)

Використання закону Гей-Люссака дає змогу хіміку або інженеру-технологу визначити, які об’єми газів потрібно взяти для здійснення реакції. Відміряти певний об’єм газу значно легше, ніж узяти його певну масу, зваживши на терезах.