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, 18/2003

§ 5.2. Вещество в газовом состоянии

(продолжение)

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, если образуется газ в количестве 1 моль, его объем при нормальных условиях равен 22,4 л. Эта важнейшая для химии постоянная величина (константа) называется мольным (молярным) объемом газа V_M.

Итак, при нормальных условиях (t = 0 °С, р = 101 325 Па, или 1 атм) имеем:

V_M = 22,4 л/моль.

Еще одно важнейшее соотношение: мольный объем газа (22,4 л) содержит 6,02•10²³ молекул (число Авогадро).
Теперь мы знаем, что такое моль. Это:
– 6,02•10²³ молекул;
– 22,4 л вещества в газообразном состоянии при нормальных условиях;
– масса вещества в граммах, численно равная мольной (атомная, молекулярная) массе вещества (сумма атомных масс).

Рассмотрим пример типичной задачи. Какой объем кислорода (н. у.) необходим для полного сжигания 1 кг углерода (угля)?
Записываем уравнение реакции и составляем пропорцию с учетом условия задачи:

С (кр.) + О₂ (г.) = СО₂ (г.).

Откуда

12,011/1000 = 22,4/V₀,

V₀ = 1000•22,4/12,011 = 1865 л О₂.

Итак, для сжигания 1 кг угля требуется минимум 1865 л кислорода (н. у.). Рассчитаем объем кислорода при «комнатных» условиях (р = 95 000 Па и t = 20 °С):

101 325 (Па)•1865 (л)/273,15 (К) = 95 000 (Па)•V (л)/(20 + 273,15) (К),

V = 101 325•1865•293,15/(273,15•95 000) = 2134,8 л.

Таким образом, чтобы сжечь при обычных условиях всего 1 кг угля, требуется более 2 м³ кислорода. В воздухе содержание кислорода составляет 21% по объему, что означает: в 100 мл воздуха содержится 21 мл кислорода, в 1 м³ воздуха содержится 210 л кислорода. Определим, в каком количестве воздуха содержатся необходимые для сжигания 1 кг угля 2134,8 л кислорода.

х = 1•2134,8/210 = 10,16 м³ воздуха.

Проверьте правильность расчетов, т. к. трудно поверить, что для сжигания всего 1 кг угля или почти такого же количества дров требуется более 10 м³ воздуха.

Вернемся к уравнению реакции

С (кр.) + О₂ (г.) = СО₂ (г.),

из которого видно, что 1 объема кислорода достаточно для образования 1 объема углекислого газа. Следовательно, для сжигания 1 кг углерода нужно 2134,8 л кислорода и в реакции получается тот же объем углекислого газа, т. е. более 2 м³ углекислого газа.
Теперь вообразите, сколько углекислого газа выбрасывают в атмосферу тепловые электростанции, котельные, автомашины, самолеты, лесные пожары и другие источники. Этот углекислый газ не успевают поглотить (ассимилировать) растения и превратить под действием солнечного света в кислород и органические (горючие) вещества. К тому же площадь лесов из-за вырубок непрерывно сокращается.
Накопление углекислого газа в атмосфере приводит к усилению так называемого парникового эффекта. Молекулы углекислого газа (как и молекулы воды и других веществ) обладают способностью поглощать солнечный свет и нагреваться, не отдавая накопленную теплоту обратно в космическое пространство. Из-за этого климат на Земле становится теплее. Последствия потепления климата трудно предсказуемы, но можно ожидать таяния ледников около полюсов, повышения уровня воды океанов и морей, затопления плодородных территорий, наступления пустынь и т.п.

Мольный объем газа чрезвычайно удобен при решении расчетных задач, т.к. позволяет вместо масс газов пользоваться объемами, которые на практике значительно легче измерить, чем их массы. Записав уравнение реакции с газообразными веществами, мы получаем возможность точно (или приблизительно) вычислять (или оценивать) соотношения реагентов и продуктов реакции.

Например, в реакции разложения нитрита аммония (не запоминать!) образуются газообразные азот и вода (последняя нас сейчас не интересует). Предположим, вам интересно узнать, сколько получится азота (в л) из 6,4 г вещества.
Запишем уравнение реакции и количественные соотношения:

Не долго раздумывая, вы говорите, что из 64,044 г нитрита аммония получается 22,4 л азота, а из количества 6,4 г, меньшего почти в 10 раз, соответственно получается и в 10 раз меньший объем азота, т.е. 2,24 л при н.у. Так же вы узнаете, сколько необходимо взять вещества для получения желаемого объема газа.

Мольный объем газа (22,4 л) позволяет быстро рассчитать плотность любого газа, если известна его мольная масса, т.е. атомный состав именно той молекулы, которая находится в газовой фазе (это условие важно, потому что иногда в газовой фазе могут находиться частицы, образованные из нескольких молекул, или, наоборот, молекулы вместе с продуктами их частичного разложения).
Газ, имеющий мольную массу М, занимает объем 22,4 л при нормальных условиях. Следовательно, масса 1 л газа равна:

М (г/л) = М (г/моль)/22,4 (л/моль) = .

А это и есть плотность газа при t = 0 °С и р = 101 325 Па.

Плотность водорода равна:

(Н₂) = 1,0079•2/22,4 = 0,09 г/л.

Водород – самый легкий газ!

Плотность кислорода О₂ равна:

(О₂) = 15,99•2/22,4 = 1,43 г/л.

Плотность воздуха равна:

при нормальных условиях – 1,293 г/л,

при t = 20 °С и нормальном давлении – 1,204 г/л.

Если известна плотность газа, в том числе и воздуха, легко рассчитать и мольную массу газа. Для воздуха это будет средняя мольная масса, т. к. воздух представляет собой смесь газов, главными компонентами которой являются кислород и азот.

Из соотношения

(г/л) = М (г/моль)/22,4 (л/моль)

находим:

М (г/моль) = (г/л)•22,4 (л/моль).

Следовательно, средняя мольная масса воздуха М(возд.) равна:

М(возд.) = 1,293 (г/л)•22,4 (л/моль) = 29 (г/моль).

Последнее число полезно запомнить, т. к. с его помощью можно быстро сделать вывод о том, легче или тяжелее воздуха интересующий нас газ.
Таким образом, как вытекает из закона Авогадро, данный газ во столько раз тяжелее (легче) воздуха, во сколько раз его мольная масса больше (меньше) средней мольной массы воздуха.

Тяжелее или легче воздуха углекислый газ? Мольная масса диоксида углерода равна 12,011 + 2•15,999 = 44,01, а соотношение мольных масс равно 44,01/29 1,5. Следовательно, углекислый газ почти в 1,5 раза тяжелее воздуха.
Это свойство углекислого газа привело к многочисленным смертельным исходам людей, спускавшихся в глубокие ямы, колодцы, штольни, шахты, каменоломни, катакомбы, пещеры. Выделяющийся из глубин земли углекислый газ, как более тяжелый по сравнению с воздухом, скапливается в углублениях, не смешиваясь с воздухом, и человек погибает от удушья. Если будете спускаться в колодцы или бродить по пещерам, помимо электрического фонаря обязательно держите перед собой зажженную свечу! (Но помните, что в некоторых глубоких выемках земной коры может скапливаться метан, тогда человек со свечой может погибнуть от взрыва смеси метана с кислородом воздуха и пожара. Вспомните о взрывах и пожарах в каменноугольных шахтах.)

Возвратимся к уравнению газового состояния:

p•V = n•R•T,

в котором мы не нашли еще значения коэффициента пропорциональности R. Определение его численного значения – последний шаг при выведении данной зависимости.
Для этого в уравнение достаточно подставить значения давления p, температуры T для некоторого объема газа V, содержащего n моль вещества. Можно подставить любые значения этих параметров, полученных в данном эксперименте, но сделаем это для нормальных условий и количества вещества, равного 1 моль. При этих условиях объем газа равен 22,413 л (в данном случае необходимо взять более точное значение). Тогда

R = р₀•V₀/(n•T₀) =

101 325 (Па)•22,413 (л)/(1 (моль)•273,15 (К)) =

8314 Па•л/(К•моль).

R – универсальная газовая постоянная, важнейшая физико-химическая константа, чрезвычайно широко используемая в самых разнообразных расчетах при решении естественно-научных задач.
Поскольку произведение давления на объем р•V имеет размерность энергии, работы или теплоты, можно газовую постоянную выразить в единицах энергии:

R = 8,314 Дж/(К•моль).

Значение газовой постоянной запоминать не нужно, вы найдете ее в любом справочнике и теперь даже сможете вычислить. Нужно только помнить, что означает R.
Возможно, чаще, чем газовая постоянная, вам будет встречаться постоянная Больцмана k.

Газовая постоянная относится к 1 моль вещества, т. е. к числу молекул, равному числу Авогадро. Если газовую постоянную разделить на число Авогадро, то получим ее значение, относящееся к одной молекуле, – постоянную Больцмана:

k = R/N_A =

8,314 (Дж/(К•моль))/6,02•10²³ (1/моль) = 1,38•10^–23 Дж/К.

Постоянная Больцмана используется в самых различных областях знания – химии, физике, астрономии, биологии, информатике... Трудно сказать, где она не используется.