В чем выражается объем в химии

Формула объема в химии

В химии, равно как и в физике очень важным является понятие объема, поскольку для решения задач, связанных с газообразными веществами, приходится оперировать именно этой величиной.

а) Закон Авогадро, молярный объем газа

Поскольку газы являются наиболее простым объектом для исследования, то их свойства и реакции между газообразными веществами изучены наиболее полно.

Французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак установил закон объемных соотношений: объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа. Например, при взаимодействии 1 л хлора с 1 л водорода будет образовываться 2 л хлороводорода и т.д.

Этот закон позволил итальянскому ученому А. Авогадро предположить, что молекулы простых газов состоят из двух одинаковых атомов (водород, кислород, азот и др.). Изучение свойств газов позволило ему высказать гипотезу, которая впоследствии получила экспериментальное подтверждение и стала называться законом Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Следовательно, при нормальных условиях 1 моль различных газов занимает объем, равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа:

б) Газовые законы объем газа

Кроме вышеуказанной формулы для решения расчетных химических задач, нередко приходится использовать газовые законы, известные из курса физики.

При постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится:

При постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально температуре:

— Объединенный газовый закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака

Помимо этого, если известна масса или количество газа, его объем можно вычислить, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

где n–число молей вещества, m–масса (г), Ь – молярная масса газа (г/моль), R – универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/(моль×К).

Примеры решения задач

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

m(C) = [6,72 / 22,4]×12 = 3,6 г;

m(H) = [2×5,4 ×1 / 18 ×1 (г/мл)] = 0,6 г

Определим химическую формулу соединения:

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z= 0,3 : 0,6 : 0,2 = 1,5: 3 : 1 = 3 : 6 : 2

Значит простейшая формула соединения C₃H₆O₂и молярную массу 64 г/моль [M(C₃H₆O₂) = 3×Ar(C) + 6×Ar(H) + 2×Ar(O);M(C₃H₆O₂) = = 3×12 + 6×1 + 2×16 ;M(C₃H₆O₂) = 26 + 6 + 32 = 64 / моль].

Найдем молярные массы углерода, водорода и кислорода (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Известно, что M = Mr, значит M(C) = 12 г/моль, М(H) = 1 г/моль, а M(O) = 16г/моль.

Тогда, количество вещества этих элементов равно:

n (C) = 3 / 12 = 0,25 моль

n (O) = 4 / 16 = 0,25 моль

Найдем мольное отношение:

n(C) :n(H):n(O) = 0,25 : 1 : 0, 25 = 1 :4 : 1,

т.е. формула соединения спирта имеет вид CH₃OH. Это метанол

Источник

Урок 9. Молярная масса и молярный объем

В уроке 9 «Молярная масса и молярный объем» из курса «Химия для чайников» выясним, что подразумевается под молярной массой и молярным объемом; приведем формулы для их вычисления. Напоминаю, что в прошлом уроке «Химическое количество вещества и моль» мы выяснили, что такое химическое количество вещества; рассмотрели моль в качестве единицы количества вещества, а также познакомились с постоянной Авогадро.

Молярная масса

Вы знаете, что одинаковое химическое количество любых веществ содержит одно и то же число структурных единиц. Но у каждого вещества его структурная единица имеет собственную массу. Поэтому и массы одинаковых химических количеств различных веществ тоже будут различны.

Молярная масса — это масса порции вещества химическим количеством 1 моль.

В Международной системе единиц молярная масса выражается в кг/моль. В химии чаще используется дольная единица — г/моль.

Определим молярную массу углерода. Масса углерода химическим количеством 1 моль равна 0,012 кг, или 12 г. Отсюда:

Молярная масса любого вещества, если она выражена в г/моль, численно равна его относительной молекулярной (формульной) массе.

На рисунке 47 показаны образцы веществ (H₂O, CaCO₃, Zn), химическое количество которых одно и то же — 1 моль. Как видите, массы разных веществ химическим количеством 1 моль различны.

Молярная масса является важной характеристикой каждого отдельного вещества. Она отражает зависимость между массой и химическим количеством вещества. Зная одну из этих величин, можно определить вторую — массу по химическому количеству:

и, наоборот, химическое количество по массе:

а также число структурных единиц:

Взаимосвязь между этими тремя характеристиками вещества в любом его агрегатном состоянии можно выразить простой схемой:

Молярный объем

Подобно молярной массе, молярный объем газа равен отношению объема данного газообразного вещества V(Х) к его химическому количеству n(Х) :

Так как объем газа зависит от температуры и давления, то при проведении различных расчетов берутся обычно объемы газов при нормальных условиях (сокращенно — н. у.). За нормальные условия принимаются температура 0 °С и давление 101,325 кПа.

Установлено, что при нормальных условиях отношение объема любой порции газа к химическому количеству газа есть величина постоянная и равная 22,4 дм 3 /моль. Другими словами, молярный объем любого газа при нормальных условиях:

Пример 1. Вычислите химическое количество SiO₂, масса которого равна 240 г.

Пример 2. Определите массу серной кислоты H₂SO₄, химическое количество которой 2,5 моль.

Пример 3. Сколько молекул CO₂ и сколько атомов кислорода содержится в углекислом газе массой 110 г?

Пример 4. Какой объем занимает кислород химическим количеством 5 моль при нормальных условиях?

Краткие выводы урока:

Надеюсь урок 9 «Молярная масса и молярный объем» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Данный урок был заключительным в главе «Основные химические понятия».

Источник

Вычисление количества вещества, массы или объема вещества по количеству веществ, массе или объему одного из реагентов или продуктов реакции

Основой для проведения количественных расчётов в химии является закон сохранения массы. Согласно этому закону масса реагентов равна массе продуктов реакции.

Отсюда следует, что для любой химической реакции массы реагентов и продуктов реакции относятся между собой как молярные массы веществ, умноженные на их стехиометрические коэффициенты.

Для расчёта по химическим уравнениям можно использовать два эквивалентных способа: через количество вещества или через пропорцию. Подчеркнём ещё раз: официального запрета на использование метода пропорций при решении задач на ОГЭ и ЕГЭ нет!

Для определения массы (или количества вещества) продуктов реакции или исходных веществ по уравнениям химических реакций вначале составляют уравнение химической реакции и устанавливают стехиометрические коэффициенты; затем определяют молярную массу, массу и количество вещества известных реагентов химической реакции; составляют и решают пропорцию, в которую в зависимости от условий задачи вводят числовые значение величин: молярные массы, массы, количества веществ или их объёмы (для газов).

При этом в одном столбце пропорций должны находиться одинаковые характеристики вещества с одной и той же размерностью.

Пример 1. Масса железа, вступившего в реакцию с 6 моль хлора, равна _________ г. (Ответ запишите с точностью до целого числа.)

Решение. Составляем уравнение химической реакции:

Из этого уравнения следует, что 3 моль Cl₂ реагируют с 2 моль Fe, т. е.:

Определяем массу железа:

Пример 2. Масса нитрида лития, образовавшегося в результате его реакции с азотом объёмом 8,96 л, равна_______________ г.

Решение. Составляем уравнение химической реакции:

Определяем количество вещества азота, вступившего в реакцию:

Из уравнения реакции следует, что из 1 моль N₂ образуется 2 моль Li₃N, т. е.:

Определим массу Li₃N:

Пример 3. Объём углекислого газа, образовавшегося в результате разложения карбоната магния количеством вещества 4 моль избытком соляной кислоты, равен________ л.

Решение. Составляем уравнение химической реакции:

Из этого уравнения следует, что количество вещества углекислого газа и карбоната магния равны между собой, т. е. n(CO₂) = 4 моль.

Пример 4. Объём водорода, который выделится при растворении 16,8 г железа в избытке разбавленной соляной кислоты, равен _________ л.

Решение. Составляем уравнение химической реакции:

Определим количество вещества железа:

Количество вещества железа и водорода в данном уравнении реакции равны между собой. Следовательно, количество вещества водорода также равно 0,3 моль.

Вычислим объём водорода:

Пример 5. Масса осадка, который образуется в результате взаимодействия 40,0 г хлорида кальция с избытком карбоната натрия, равна _________г.

Решение. Составляем уравнение реакции:

Согласно уравнению химической реакции составим пропорцию и решим её:

Пример 6. 250 г раствора нитрата серебра смешали с избытком раствора йодида калия. Выпал осадок массой 11,75 г. Вычислите массовую долю нитрата серебра в исходном растворе.

Элементы ответа (допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)

1) Составлено уравнение химической реакции:

2) По массе осадка йодида серебра рассчитано его количество вещества, а затем в соответствии с уравнением реакции — количество вещества и масса нитрата серебра, содержащегося в исходном растворе:

Из уравнения реакции следует, что n(AgI) = n(AgNO₃) = 0,05 моль, тогда:

3) Вычислена массовая доля нитрата серебра в исходном растворе:

Тренировочные задания

1. К 300 г раствора нитрата бария прибавили избыток раствора сульфата натрия. Масса выпавшего осадка составила 23,3 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

2. К 150 г раствора сульфата натрия прибавили избыток раствора хлорида бария. Масса выпавшего осадка составила 23,3 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

3. К 300 г раствора силиката натрия прибавили избыток раствора нитрата кальция. Масса выпавшего осадка составила 12,0 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

4. К 150 г раствора карбоната калия прибавили избыток раствора соляной кислоты. При этом выделился газ объёмом 3,36 л (н. у.). Определите концентрацию соли в исходном растворе.

5. К 250 г раствора гидрокарбоната натрия прибавили избыток раствора бромоводородной кислоты. При этом выделился газ объёмом 5,6 л. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

6. К 50 г раствора карбоната натрия прибавили избыток раствора хлорида бария. Масса выпавшего осадка составила 7,88 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

7. К 200 г раствора хлорида бария прибавили избыток раствора карбоната калия. Масса выпавшего осадка составила 7,88 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

8. К 200 г раствора хлорида железа (II) прибавили избыток раствора гидроксида калия. Масса выпавшего осадка составила 18,0 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

9. К 400 г раствора нитрата свинца прибавили избыток раствора йодида натрия. Масса выпавшего осадка составила 23,05 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

10. К 300 г раствора йодида натрия прибавили избыток раствора нитрата свинца. Масса выпавшего осадка составила 23,05 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.

11. Определите массу осадка, который выпадет при взаимодействии 150 г 14,8%-ного раствора хлорида кальция с избытком раствора карбоната натрия.

12. Определите объём газа (н. у.), который выделится при взаимодействии 120 г 8,8%-ного раствора карбоната натрия с избытком раствора соляной кислоты.

13. Определите массу соли, которая выпадет в осадок при взаимодействии 140 г 13,5%-ного раствора нитрата цинка с избытком раствора сульфида натрия.

14. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 200 г 18,8%-ного раствора нитрата меди с избытком раствора сульфида натрия.

15. Определите массу осадка, который выпадет при взаимодействии 200 г 6,1%-ного раствора силиката натрия с избытком раствора хлорида цинка.

16. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 200 г 12,7%-ного раствора хлорида железа (II) с избытком раствора сульфида натрия.

17. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 50 г 17%-ного раствора нитрата серебра с избытком раствора бромида калия.

18. Определите массу осадка, который образуется при взаимодействии 200 г 6,1%-ного раствора силиката натрия с избытком раствора нитрата кальция.

19. Определите массу осадка, который образуется при взаимодействии 50 г 5,8%-ного раствора хлорида магния с избытком раствора фосфата натрия.

20. Определите объём газа, который выделится при взаимодействии 200 г 6,9%-ного раствора карбоната калия с избытком раствора соляной кислоты.

21. Оксид фосфора (V) массой 21,3 г растворили в растворе гидроксида калия, в результате чего был получен раствор средней соли массой 500 г. Определите концентрацию фосфата калия в конечном растворе.

22. Раствор хлорида железа (II) полностью прореагировал со 120 г раствора гидроксида натрия, в результате чего образовалось 6,0 г осадка. Определите массовую долю гидроксида натрия в исходном растворе.

23. Какой объём аммиака (н. у.) может полностью прореагировать со 150 г 20%-ного раствора серной кислоты с образованием средней соли?

24. В 200 г 20%-ного раствора соляной кислоты растворили магний до прекращения выделения газа. Определите объём выделившегося при этом водорода (н. у.).

25. Аммиак объёмом 10 л (н. у.) пропустили через раствор серной кислоты с массовой долей 8% до образования средней соли. Определите массу исходного раствора.

26. Определите объём сероводорода (н. у.), который необходимо пропустить через 130 г 6%-ного раствора хлорида меди (II) до полного осаждения сульфида меди (II).

27. Сероводород объёмом 3,36 л (н. у.) пропустили через раствор гидроксида натрия, в результате чего получили 180 г раствора сульфида натрия. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

28. Алюминий массой 8,1 г может нацело прореагировать с 250 г раствора серной кислоты. Определите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.

29. К 250 г раствора нитрата серебра добавили раствор хлорида калия до прекращения выделения осадка, масса которого составила 14,35 г. Определите массовую долю нитрата серебра в исходном растворе.

30. К 300 г 5%-ного раствора хлорида магния добавили избыток раствора фосфата калия. Вычислите массу выпавшего при этом осадка.

Источник

Определение молярного объема при химических реакциях

Молярный объем — что это такое в химии

Молярный объем V m — является отношением объема вещества к его количеству, численно равен объему одного моля вещества.

Термин «молярный объем» применим по отношению к простым веществам, химическим соединениям и смесям. Величина зависит от следующих факторов:

Молярный объем вычисляют по формуле:

Молярный объем является характеристикой плотности упаковки молекул в рассматриваемом веществе. В случае простых веществ в некоторых ситуациях допустимо использовать понятие атомного объема.

Исходя из того, что объем газа определяется температурой и давлением, в процессе расчетов принято использовать объемы газов при нормальных условиях (сокращенно — н. у.). За нормальные условия принимают:

Молярный объем какого-либо газа при нормальных условиях:

Молярный объем смеси

Молярный объем смеси:

Молярный объем газов

Закон Авогадро: одинаковые количества газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.

Молярный объем идеального газа вычисляют с помощью формулы, которая является выводом из уравнения состояния идеального газа.

Молярный объем идеального газа:

где T — является термодинамической температурой;

R — универсальная газовая постоянная.

Молярный объем кристаллов

Объем V я элементарной ячейки кристалла вычисляют с помощью характеристик кристаллической структуры, которые определяют на основании результатов рентгеноструктурного анализа.

Зависимость между объемом ячейки и молярным объемом:

где Z — определяет, сколько формульных единиц в элементарной ячейке.

Значения молярного объема химических элементов

Вычисление химического количества газа по его объему

Объем газа можно рассчитать по его химическому количеству. В этом случае необходимо преобразовать формулу молярного объема путем выражения из нее V :

Таким образом, объем газа равен произведению его химического количества на молярный объем. Продемонстрировать данное утверждение можно на примере. Допустим, что необходимо определить объем (н. у.) метана с химическим количеством 1,5 моль. Используя уравнение, записанное ранее, проведем вычисления:

При известном объеме газообразного вещества можно определить химическое количество рассматриваемого газа. В этом случае следует выразить из уравнения молярного объема n:

Определение объема веществ при химических реакциях

Перед тем, как приступить к расчетам объема веществ, следует ввести понятие плотности. Данный показатель определяется отношением массы вещества к его объему. Плотность измеряют в к г / м 3 (или г/л, г/мл). В случае газообразных веществ плотность принимает очень маленькие значения. Упростить расчеты химических реакций можно, если рассматривать отношение плотностей газов.

Относительной плотностью газа В по газу А называют величину, равную отношению плотностей рассматриваемых веществ или отношению молярных масс этих газов.

Данный параметр обозначают D A ( B ) и определяют по формуле:

В связи с тем, что в расчете относительной плотности используют величины одинаковой размерности, данный параметр является безразмерной величиной. Определить относительную плотность газообразных веществ по некому газу можно с помощью отношения молярных масс этих газов. Например, относительная плотность кислорода по водороду составляет:

Согласно закону Авогадро, в равных объемах различных газов, которые существуют при одинаковых температурах и давлениях, содержится одно и то же количество молекул. Данная гипотеза была представлена в 1811 году в Турине профессором физики Амедео Авогадро.

Подтверждение теория нашла во множестве экспериментальных опытах. Закон получил название закона Авогадро и стал в дальнейшем количественной основой современной химии. Закон Авогадро в точности реализуем в случае идеального газа. С увеличением разреженности газообразного вещества повышается точность расчетов по этому закону применительно к данному реальному газу.

Первое следствие из закона Авогадро: один моль (одинаковое количество молей) любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем.

Исходя из закона Авогадро, одинаковое число молекул какого-либо газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Наряду с тем, 1 моль какого-то вещества включает в себя (согласно определению) одинаковое количество частиц (к примеру, молекул). Таким образом, при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

Если условия соответствуют нормальным, то есть температура равна 0 °C (273,15 К), и давление составляет 101,325 кПа, объем 1 моль газа соответствует 22,413 962(13) л. Данная физическая константа является молярным объемом идеального газа и обозначается Vm.

Вычислить молярный объем при температуре и давлении, отличных от нормальных условий, можно с помощью уравнения Клапейрона:

Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа ко второму.

Как найти объемные отношения газов в смеси

В процессе вычисления объемных отношений газов, участвующих в химических реакциях, используют закон Гей-Люссака (химический закон объемных отношений). В англоязычной литературе данный закон можно встретить под названием закона Шарля.

Закон Гей-Люссака — закон, демонстрирующий пропорциональную зависимость между объемом газообразного вещества и абсолютной температурой при постоянном давлении (то есть в изобарном процессе).

Закон получил название в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака.

Математическое выражение закона Гей-Люссака:

В том случае, когда известно состояние газа при постоянном давлении и двух разных температурах, закон допустимо записывать таким образом:

По итогам химических реакций атомы не исчезают и не возникают. В результате таких процессов происходит их перегруппировка. Количество атомов до реакции и после ее протекания не меняется, что отличает их от молекул. Данное условие учитывают, расставляя стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций.

Коэффициенты в уравнениях реакций демонстрируют числа объемов газов, которые реагируют и образовываются. К примеру, 2 объема водорода и 1 объем кислорода дают 2 объема пара воды:

2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O

V ( Н 2 ) : V ( N 2 ) : V ( N H 3 ) = 3 : 2 : 1

С другой стороны, данные соотношения справедливы лишь в случае веществ, которые участвуют в одной и той же химической реакции. Когда реагент принимает участие в двух параллельных реакциях, его химические количества в данных процессах не связаны и могут принимать любые значения.

n — количество газа.

Выразить молярный объем газов можно в л/моль:

В данной таблице использованы следующие обозначения:

Источник