Легче или тяжелее воздуха?
Выбирай число атомов углерода в молекуле газообразного алкана. Сравни его молярную массу с молярными массами водорода (2 г/моль) и воздуха (29 г/моль).
Метан, этан, пропан и бутан — газы при нормальных условиях.
Учебная модель: показаны газообразные при н. у. алканы и их молярные массы. Относительную плотность считают по формуле D = M₁ : M₂; средняя молярная масса воздуха 29 г/моль.
Закон Авогадро
В жидкостях и твёрдых веществах молекулы расположены близко и удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия. В газах молекулы находятся гораздо дальше друг от друга и почти не взаимодействуют.
Расстояния между молекулами газа намного больше самих молекул. Поэтому объём газа — это, по сути, объём свободного пространства между хаотически движущимися молекулами. Он зависит от температуры и давления и почти одинаков для всех газов при одинаковых условиях.
Отсюда следует закон Авогадро: в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
Закон назван в честь итальянского учёного Амедео Авогадро (1776–1856). Изучая объёмы реагирующих газов — водорода и хлора, кислорода и азота, — он предположил, что их молекулы состоят из двух атомов. Позже это подтвердилось. Его имя носит и постоянная Авогадро (6,02 · 10²³ моль⁻¹).
Газ
Молекулы далеко друг от друга, почти не взаимодействуют — закон выполняется
Жидкость и твёрдое вещество
Молекулы рядом, их удерживают межмолекулярные силы — закон не выполняется
Одинаковые условия
Равные объёмы любых газов при одних и тех же температуре и давлении
Согласно закону Авогадро, в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
Молярный объём газа
Первое следствие. Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. Этот объём называют молярным объёмом газа Vₘ: Vₘ = V : n, единица — дм³/моль.
Vₘ зависит от температуры и давления. При нагревании газы расширяются, поэтому молярный объём растёт. Сравнивать газы нужно при одинаковых условиях.
Эталон таких условий — нормальные условия (н. у.): температура таяния льда 0 °C (273,15 K) и атмосферное давление 101,3 кПа. При н. у. Vₘ = 22,4 дм³/моль. Значит, 22,4 дм³ любого газа при н. у. содержат 6,02 · 10²³ молекул.
| Величина | Формула | Пример |
|---|---|---|
| Молярный объём | Vₘ = V : n | 22,4 дм³/моль при н. у. |
| Объём газа | V = n · Vₘ | 2 моль CH₄: 2 · 22,4 = 44,8 дм³ |
| Химическое количество | n = V : Vₘ | 11,2 дм³ O₂: 11,2 : 22,4 = 0,5 моль |
Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. При нормальных условиях молярный объём газа Vₘ = 22,4 дм³/моль.
Амедео Авогадро (1776–1856)
Итальянский учёный, автор закона, по которому в равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
Литография по рисунку C. Sentier, 1856 · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Воздушный шар, наполненный гелием
Молярная масса гелия 4 г/моль — намного меньше 29 г/моль, поэтому шар с гелием легче воздуха и поднимается вверх.
Rob Young · Wikimedia Commons · CC BY 2.0. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Относительная плотность газов
Второе следствие. Плотности газов, измеренные при одинаковых условиях, относятся между собой как молярные массы газов. Плотность газа ρ = m : V = M : Vₘ, поэтому ρ₁ : ρ₂ = M₁ : M₂.
Отношение плотностей газов, равное отношению их молярных масс, называется относительной плотностью одного газа по другому газу (D). D — безразмерная величина. Зная D и молярную массу второго газа, находят M₁ = M₂ · D.
Средняя молярная масса воздуха — 29 г/моль. Газы с молярной массой меньше 29 г/моль легче воздуха, больше 29 г/моль — тяжелее. Метан (16 г/моль) поднимается вверх, а пропан (44 г/моль) скапливается внизу. Если D дана по азоту или кислороду, её умножают на 28 или 32 г/моль.
Пример 1. Дано
D по водороду = 8. Найти M газа
Решение
M = M(H₂) · D = 2 г/моль · 8 = 16 г/моль — это метан CH₄
Пример 2. Дано
D углеводорода по воздуху = 2. Найти M
Решение
M = M(возд.) · D = 29 г/моль · 2 = 58 г/моль — это бутан C₄H₁₀
Плотности газов при одинаковых условиях относятся как их молярные массы. Это отношение называют относительной плотностью одного газа по другому (D).
Объёмы газов в реакциях и смесях
Для газов объёмы пропорциональны химическим количествам. Поэтому коэффициенты в уравнении реакции между газами пропорциональны их объёмам (объёмы измеряют при одинаковых условиях).
Пример 3. Сколько кислорода нужно для сжигания 2 дм³ пропана (н. у.)? C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. На 1 объём пропана — 5 объёмов кислорода, значит, V(O₂) = 2 дм³ · 5 = 10 дм³.
Если смешать 0,5 дм³ азота и 0,5 дм³ метана при тех же условиях, смесь займёт 1 дм³. Объёмная доля газа φ (фи) равна отношению объёма данного газа к объёму смеси: φ = V(газа) : V(смеси). Для азота φ(N₂) = 0,5 : 1 = 0,5, или 50 %.
Пример 5. 50 см³ смеси водорода с хлором прореагировали, осталось 10 см³ хлора. H₂ + Cl₂ → 2HCl: газы реагируют в равных объёмах, прореагировало 40 см³ — по 20 см³ каждого. В смеси было 20 см³ H₂ и 30 см³ Cl₂: φ(H₂) = 20 : 50 = 40 %, φ(Cl₂) = 30 : 50 = 60 %.
Объёмные отношения
C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O: 1 дм³ пропана сгорает в 5 дм³ кислорода
Объёмная доля
φ = V(газа) : V(смеси); 20 см³ H₂ в 50 см³ смеси — это 0,4, или 40 %
Коэффициенты в уравнении реакции между газами пропорциональны их объёмам. Объёмная доля газа в смеси равна отношению объёма данного газа к общему объёму смеси.
Легче или тяжелее воздуха?
Сравните молярную массу газа со средней молярной массой воздуха — 29 г/моль.
Разберите ситуацию
Через 150 дм³ воздуха (н. у.) пропустили избыток известковой воды, выпало 0,201 г осадка. Найдите объёмную долю углекислого газа в этом воздухе.
Сверить рассуждение
CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O. M(CaCO₃) = 100 г/моль, n(CaCO₃) = 0,201 : 100 = 0,00201 моль. По уравнению n(CO₂) = n(CaCO₃) = 0,00201 моль, V(CO₂) = 0,00201 · 22,4 = 0,045 дм³. φ(CO₂) = 0,045 : 150 = 0,0003, или 0,03 %.
При взрыве смеси 1 дм³ неизвестного газа и 2 дм³ кислорода образовалось 2 дм³ углекислого газа и 1 дм³ азота (объёмы при одинаковых условиях). Установите формулу газа.
Сверить рассуждение
Объёмы газов пропорциональны коэффициентам: X + 2O₂ → 2CO₂ + N₂. Справа 2 атома C, 2 атома N и 4 атома O; весь кислород пришёл из 2O₂. Значит, молекула газа содержит 2 атома C и 2 атома N: это C₂N₂ (дициан).
Пропан тяжелее воздуха, а метан легче. Почему при утечке газа из баллона с пропаном особенно опасно находиться в подвале?
Сверить рассуждение
M(C₃H₈) = 44 г/моль больше 29 г/моль, D по воздуху = 44 : 29 ≈ 1,5. Поэтому пропан опускается вниз и скапливается в низких местах — в подвалах и ямах, где может образоваться взрывоопасная смесь с воздухом. Метан (16 г/моль) легче воздуха и уходит вверх.