УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19/2003

§ 5.2. Вещество в газовом состоянии

(окончание)

Последний этап любой экспериментальной или теоретической работы заключается в установлении границ применимости выведенной формулы, высказанного утверждения или установленного закона.
Изучение газов показывает, что уравнение Клапейрона–Менделеева наиболее точно описывает поведение газа при низком давлении и высокой температуре.
Повторяем еще раз: газ, свойства и поведение которого описывает это уравнение, называют идеальным газом, а само уравнение – уравнением состояния идеального газа.

Молекулы воображаемого идеального газа принято представлять точками, не обладающими объемом и взаимодействующими друг с другом при столкновениях, как абсолютно упругие шары. Ни один реальный газ не соответствует в полной мере этим требованиям. Поведение реальных газов тем значительнее отличается от поведения идеальных, чем выше давление и ниже температура.
Чем выше давление, тем сильнее сказывается наличие у молекул газа собственного объема, не позволяющего считать молекулы точками. При низких температурах на поведении газов сказывается взаимное притяжение молекул, не позволяющее им вести себя как абсолютно упругие шары.
Ближе всего к воображаемым идеальным газам по своему поведению приближаются газы, состоящие из наиболее простых молекул и имеющие низкие температуры конденсации (кипения) (°С): гелий (–269), неон (–246,1), аргон (–185,9), молекулы которых одноатомны, а также водород (–252,9), кислород (–183), азот (–195,8), монооксид углерода СО (–192). Мольные объемы этих газов при н. у. почти равны 22,4 л.
Газы, имеющие более высокие температуры конденсации, заметно отличаются от идеальных газов, и их мольные объемы (при н. у.) меньше 22,4 л, например, диоксид углерода СО₂ (–79 °С) имеет мольный объем 22,26 л, аммиак NН₃ (–33 °С) – 22,08 л. Однако в наших расчетах мы будем полагать, что при н. у. все газы имеют мольный объем, равный 22,4 л/моль.
Попытайтесь объяснить в письменном виде, почему мера идеальности газа связана с его температурой конденсации. Почему чем тяжелее и сложнее молекула, тем выше температура кипения соответствующего вещества и тем больше газ этого вещества отличается от идеального?
Следовательно, идеальный газ – это такой газ, поведение которого описывается уравнением газового состояния
p•V = n•R•T, один моль которого содержит 6,02•10²³ молекул (число Авогадро) и занимает объем 22,4 л при нормальных условиях.
Пользуясь уравнением Клапейрона–Менделеева, можно по экспериментальным значениям массы, объема, давления и температуры некоторой порции газа рассчитать его мольную массу. Действительно, n – число молей газа – может быть выражено как частное от деления массы вещества (в г) на его мольную (молярную) массу (в г/моль):

n = m/M.

Тогда уравнение Клапейрона–Менделеева можно записать:

p•V = (m/M)•R•T.

Откуда

M = m•R•T/(p•V).

Но значительно проще, особенно если вы забыли значение газовой постоянной, пользоваться следующим простым приемом при вычислении мольной массы газа.
Приведите объем известной массы газа к нормальным условиям и рассчитайте ту массу вещества, которая будет приходиться на 22,4 л газа. Можно записать условия задачи в виде пропорции: 

Откуда

M = m•22,4/V₀.

Иногда эксперимент и расчеты по формуле Клапейрона–Менделеева не приводят к желаемым результатам. Если молекулы газа соединяются между собой, то при постоянном объеме давление понижается, а при постоянном давлении объем уменьшается, вследствие чего получается более высокое численное значение мольной массы. Наоборот, если молекула неустойчива и распадается, то численное значение мольной массы окажется заниженным.
По отклонению полученного значения мольной массы от теоретического делают заключение о характере проходящей в газовой фазе реакции.

Список новых и забытых понятий и слов

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Представьте себе такую часто встречающуюся в научных исследованиях ситуацию. Вы провели два опыта и измерили при некоторых температуре t и давлении p объем V газа, образовавшегося в каждом опыте:

В каком из опытов образовался большой объем газа?
Помните, что объемы газов нужно привести к нормальным условиям, воспользовавшись соотношением:

р₀•V₀/T₀ = p•V/T.

2. Это задача об одном из важнейших понятий химии и физики – объеме 1 моль газа. Представьте себе, что вы желаете получить ровно 2,0158 г водорода. Сколько нужно взять цинка для реакции его с хлороводородной (соляной) кислотой?
Ответ. 65,39 г цинка.

3. Рассчитайте, сколько следует взять хлороводорода, содержащегося в хлороводородной (соляной) кислоте, для полного «растворения» 65,39 г цинка и получения 2,0158 г водорода. Объясните, почему слово «растворение» заключено в кавычки.

4. Сколько пероксида водорода (в г) следует взять для получения 1 л кислорода согласно реакции:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂?

5. Азот можно получить разложением при нагревании нитрита аммония:

NH₄NO₂ = 2H₂O + N₂.

Сколько азота (в л) при нормальных и обычных условиях (температуру и давление задайте сами) можно получить из 1 г нитрита аммония?

6. Рассчитайте плотность кислорода (в г/л) при нормальных условиях (мольный объем кислорода и массу его моля вы знаете).

7. Рассчитайте плотность кислорода при обычных условиях (температуру и давление задайте сами). Не забудьте, что для этого следует знать мольный объем при заданных вами условиях.

При повышении температуры и понижении давления мольный объем газа становится больше, а плотность газа – меньше!

8. Выведите формулу пересчета плотности газа при переходе от нормальных условий к любым заданным. Чем проще формула, тем выше оценка работы! Плотность при нормальных условиях обозначьте ₀.

9. При температуре 20,35 °С и давлении 98 600 Па 0,0502 г некоторого газа занимают объем 28,24 мл. Рассчитайте мольную массу этого газа.

Воспользуйтесь формулой:

M = m•R•T/(p•V).

Вспомните, что R = 8314 Па•л/(К•моль).

Ответ. М = 43,99 г/моль.

Это значение почти совпадает с теоретическим для СО₂, равным 12,011 + 15,999•2 = 44,01 г/моль, поэтому можно предположить, что в эксперименте использовался углекислый газ.

Задачу можно решить и другим способом: рассчитаем объем при нормальных условиях (V₀ = 0,02558 л). Далее составляем пропорциональную зависимость:

Откуда М = 43,96 г/моль. Получено почти то же самое значение мольной массы.

10. Докажите, что при 0 К давление газа равно нулю. Это чрезвычайно интересный для мироздания вопрос. Если вы найдете такое доказательство, то в будущем можете стать естествоиспытателем и философом.

11. Чем отличается пожар на Земле от пожара в космическом корабле?

12. Как узнать, какой состав земной атмосферы (кислород, углекислый газ, ядовитые примеси) был столетие, тысячелетие назад или в какой-либо геологический период?

13. Переведите на русский язык.

It is now well known that gases consist of molecules which move in the volume confining them at high speeds, and along straight lines from collision to collision. Molecules can collide either with other molecules of gas or with the walls of the containing vessel. The collisions of molecules with the walls give rise to a constant force acting on the walls. This force per unit area is the pressure exerted by the gas.
In comparison with the volume occupied by the gas, the actual volume of the molecules themselves is very small under ordinary conditions. This is evident, for example, from the fact that the volume of a liquid is thousands of times less than that of its vapour; this, of course, is due, not to any change in the volume of the molecules themselves, but to a decrease in the free space between them.
The study of the gaseous state led to the introduction of the concept of an ideal gas. By this term we denote a gas whose properties are described exactly by certain laws known collectively as the ideal gas laws. In contradistinction to an ideal gas, these laws are applicable to real gases only when the pressure is sufficiently low. The properties of real gases deviate from those of an ideal gas mainly due to the mutual attraction of the molecules and their intrinsic volume.
As the distance between the molecules decreases their mutual attraction becomes stronger. As the volume of a real gas decreases (due to increase in pressure or lowering of the temperature) the properties of the gas will deviate ever more strongly from those of an ideal gas.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Получение водорода.

На рис. 5.1 показана схема прибора для получения водорода и измерения его объема. В колбу 1 помещают навеску цинка и закрывают ее пробкой 2, сквозь которую проходит сливная трубка делительной воронки 3. При закрытом кране 4 в воронку 3 наливают избыток соляной (хлороводородной) кислоты. Делительную воронку закрывают пробкой 5, сквозь которую пропущена стеклянная трубка 6 с надетым на нее резиновым шлангом 7.
Колба 1 имеет боковой отросток 8, который куском резинового шланга соединен с тройником 9 (Т-образная стеклянная трубка с тремя концами). Другой конец тройника соединен с резиновой трубкой 7, идущей от трубки 6, пропущенной сквозь пробку 5, закрывающую делительную воронку. С помощью еще одного конца тройника водород через резиновую трубку 10 попадает в устройство для измерения объема газа.
Наиболее простой способ измерить объем выделяющегося газа – это воспользоваться заполненным водой мерным цилиндром 11, перевернутым верхней частью вниз и опущенным в сосуд с водой 12. Воду заливают в цилиндр так, чтобы ее поверхность почти выступала над его отверстием 13. Затем это отверстие закрывают большим пальцем правой руки, цилиндр переворачивают вверх дном и, не отпуская пальца от отверстия, помещают вместе с рукой в сосуд 12, заполненный водой. Когда отверстие цилиндра окажется под водой, палец убирают, и вода из цилиндра теперь не вытекает. В отверстие цилиндра помещают конец Г-образной стеклянной трубки 14, соединенной шлангом 10 с тройником 9.
Теперь, открыв кран 4, можно перелить кислоту в колбу. Начинается реакция, и водород (вместе с содержащимся в колбе воздухом) переходит в цилиндр 11, вытесняя из него воду в сосуд 12. После окончания реакции объем образовавшегося водорода определяют по высоте столба воды h в цилиндре. Атмосферное давление р и температуру t во время опыта определяют соответственно по барометру 15 и термометру 16.

Рис. 5.1. Прибор для получения водорода и измерения его объема 1 – колба; 2 – пробка; 3 – делительная воронка; 4 – кран; 5 – пробка; 6 – стеклянная трубка; 7 – резиновый шланг; 8 – боковой отросток; 9 – тройник; 10 – резиновая трубка; 11 – мерный цилиндр; 12 – сосуд с водой; 13 – отверстие цилиндра; 14 – Г-образная стеклянная трубка; 15 – барометр; 16 – термометр:

Перечислите недостатки этого способа измерения объема газа. (Оценку выставляют за число приведенных существенных недостатков.)
Зачем прибор оснащен пробкой 5, трубкой 7 и тройником 9? Как следует поступить при измерении объема водорода, если прибор собран без этих частей?
Может случиться, что в лаборатории не найдется колбы с боковым отростком 8 или тройника 9. Нарисуйте схему прибора без этих частей и проводите опыт, используя конструкцию прибора, предложенную вами.

Проведем эксперимент по получению требуемого количества водорода. Вы, конечно, понимаете, что ни один химик не возьмет ровно 65,39 г цинка, и вы этого не будете делать при выполнении лабораторной работы. Отвесим около 0,01 моль цинка с точностью до четвертого знака после запятой. Пусть это будет 0,6456 г. При действии на это количество цинка избытком соляной кислоты выделилось 242,92 мл водорода при температуре 19,20 °С и давлении 741,0 мм рт. ст. Переведем мм рт. ст. в Па:

Абсолютная температура опыта:

19,20 + 273,15 = 292,35 К.

Запомните последовательность дальнейших расчетов.
Переведем объем газа в условиях эксперимента к нормальным условиям:

101 325•V₀/273,15 = 98 792•242,92/292,35,

V₀ = 221,29 мл (см³).

Таким образом, 0,6456 г цинка при взаимодействии с избытком соляной кислоты выделили бы из раствора 221,29 мл водорода при нормальных условиях.
Сколько водорода (в мл) выделит 1 моль цинка, т. е. 65,39 г? Записываем условия, составляем соотношение для пропорции и находим ответ:

Таким образом, в реакции взаимодействия 1 моль цинка с кислотой образовался 1 моль водорода, занимающего при нормальных условиях 22 413 мл, или округленно 22,4 л:

2. Определение плотности газа.

Плотность газа легко определить экспериментально. Для этого можно воспользоваться газовым пикнометром, стеклянным сосудом известной вместимости (рис. 5.2). Лабораторный газовый пикнометр представляет собой колбочку 1 с двумя трубками 2 и 3 и двумя кранами 4. Трубка 2 доходит почти до дна колбочки, трубка 3 выходит из верхней части колбочки.
В зависимости от того, легче или тяжелее воздуха изучаемый газ, его подают в одну из трубок и при открытых кранах 4 пропускают через колбочку до полного вытеснения воздуха. После окончания пропускания газа сначала закрывают выпускной кран, затем впускной и взвешивают пикнометр при закрытых кранах. Пропускание газа и взвешивание проводят несколько раз до получения постоянной массы пикнометра с газом.
При определении плотности газов следует помнить, что «пустой» пикнометр – это в действительности пикнометр, наполненный воздухом. При вычислениях следует учитывать массу воздуха, когда определяется масса «пустого» пикнометра, или определять массу «пустого» пикнометра, из которого откачан воздух вакуумным насосом.

Этот пикнометр можно использовать для определения плотности жидкости.

Простейший газовый пикнометр легко собрать из колбочки и резиновой пробки с двумя пропущенными через нее стеклянными трубками с кранами или вместо кранов с резиновыми трубками и зажимами.
Если вместимость пикнометра неизвестна, наполним его водой (до кранов или зажимов) и выльем ее в измерительный цилиндр. Мы узнали вместимость пикнометра. Тщательно его высушим, откачаем из него воздух и взвесим. Откроем краны и наполним пикнометр воздухом, взвесим, запишем температуру и атмосферное давление. Теперь, зная массу воздуха и его объем, приведенный к нормальным условиям, вычисляем плотность воздуха.
Посмотрите на рис. 5.2. Для определения плотности водорода Н₂, кислорода О₂, азота N₂, хлора Сl₂, аммиака NH₃, метана СН₄ или углекислого газа СО₂ через какую трубку – 2 или 3 – вы будете подавать изучаемый газ для заполнения пикнометра?

Рис. 5.2. Пикнометр: 1 – колбочка; 2, 3 – трубки; 4 – краны

Собирать выделяющийся в реакции газ проще всего над жидкостью, если газ с этой жидкостью не реагирует и достаточно мало в ней растворим. Такой прием был использован при измерении объема водорода.
Газы тяжелее или легче воздуха можно собирать в пробирки, располагая их вниз или вверх дном.
Как вы будете собирать газы: водород Н₂, кислород О₂, аммиак NH₃, метан СН₄, азот N₂, ацетилен С₂Н₂, хлор Сl₂, диоксид серы (сернистый газ) SO₂, гелий Не (его можно получить не химической реакцией, а нагреванием одного очень редкого минерала) и сероводород H₂S?

О.С.ЗАЙЦЕВ