Как найти объем газа при нормальных условиях. Нахождение молярного объема газов

Какой объем (н.у.) займут 0,4·10 -3 м3 газа, находящиеся при 50 0 С и давлении 0,954·10 5 Па?

Решение. Для приведения объема газа к нормальным условиям пользуются общей формулой, объединяющей законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

Объем газа (н.у.) равен , где Т 0 =273 К ; P 0 =1,013·10 5 Па; Т =273+50=323 К .

Пример 2. Определение средней молекулярной массы смеси газов по относительной плотности.

Вычислите среднюю молекулярную массу смеси газов, состоящей на 80% из метана и 20% кислорода (по объему), используя значения относительной плотности этих газов по водороду.

Решение. Часто вычисления производят по правилу смешения, которое заключается в том, что отношение объемов газов в двухкомпонентной газовой смеси обратно пропорционально разностям между плотностью смеси и плотностями газов, составляющих эту смесь. Обозначим относительную плотность газов через . Она будет больше плотности метана, но меньше плотности кислорода:

Плотность этой газовой смеси по водороду равна 9,6. средняя молекулярная масса газовой смеси равна удвоенной ее плотности по водороду:

Пример 3. Определение давления газовой смеси.

В сосуде объемом 0,05 м 3 при 25 0 С содержится смесь из 0,020 м 3 этилена под давлением 83950 Па и 0,015 м 3 метана под давлением 95940 Па. Найдите общее давление газов в сосуде.

Решение. Сначала определяем парциальное давление каждого из газов:

Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов:

Пример 4. Вычисление химических эквивалентов.

На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л водорода, измеренного при (н.у.). Вычислить молярные массы металла и оксида. Чему равна относительная масса металла?

Решение. По закону эквивалентов массы веществ m 1 и m 2 , вступающих в реакцию, пропорциональны молярным массам их эквивалентов

; (1) (2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то как правило, его количество измеряется в объемных единицах (см 3 , л, м 3 ).

Формулу (2) преобразуем относительно объема водорода:

Находим молярную массу эквивалента металла (г/моль):

По закону эквивалентов:

Относительную атомную массу металла определяем из соотношения:

Варианты задач по теме 1.2

1. В 2,48г оксида одновалентного металла содержит 1,84г металла. Вычислите эквивалентные массы металла и его оксида. Чему равна мольная и атомная масса этого металла.

2. 3,04г некоторого металла вытесняют 0,252г водорода, 26,965г серебра и 15,885г меди из соединений этих металлов. Вычислите эквивалентные массы указанных металлов.

3. Оксид металла содержит 28,57% кислорода, а его фторид 48,72% фтора. Вычислите эквивалентные массы металла и фтора.

4. Напишите уравнение реакций гидроксида железа (III) с соляной кислотой при которой образуются: а) хлорид дигидроксожелеза (III), б) хлорид гидроксожелеза (III), в) хлорид железа (III). Вычислите эквивалент и молярную массу эквивалента гидроксида железа в этих реакциях.

5. Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) дигидрофосфата калия, б) нитрата дигидроксовисмута (III). Напишите уравнения реакций этих веществ с КОН и определите их эквиваленты и молярные массы эквивалентов.

6. Вещество содержит 38% серы и мышьяк. Эквивалентная масса серы 16,0 г/моль. Вычислите молярную массу эквивалента и валентность мышьяка, составьте формулу данного сульфида.

7. Избытком соляной кислоты подействовали на растворы: а) гидрокарбоната кальция, б) хлорида гидроксоалюминия. Напишите уравнения реакций этих веществ с НCI, определите их эквиваленты и молярные массы эквивалентов.

8. При окислении 16,74г двухвалентного металла образовалось 21,54г оксида. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида.

9. При взаимодействии 3,24 трехвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу металла.

10. На нейтрализацию 0,943г фосфористой кислоты израсходовано 1,291 г КОН. Вычислите основность кислоты и молярную массу эквивалента

11. Соединение металла с галогеном содержит 64,5% галогена, оксид того же металла содержит 15,4% кислорода. Определите галоген.

12. Вычислите молярную массу эквивалента оксида углерода (IV) в реакциях образования с раствором КОН: а) КНСО 3 , б) К 2 СО 3 .

13. На нейтрализацию 2,3г основания израсходовано 2,14г НСl. Вычислить молярную массу эквивалента основания.

14. В каком количестве NаОН содержится столько же эквивалентов, сколько в 140г КОН?

15. В каком количестве Ва(ОН)х8Н 2 О содержится столько же эквивалентов, сколько в156г Аl(OH) 3 ?

16. 0.376г алюминия при взаимодействии с кислотой вытеснили 0,468 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Определить эквивалентный объем водорода, зная, что эквивалентная масса алюминия равна 8,99г/моль

17. Серная и ортофосфорная кислоты имеют одинаковую молярную массу. Каково отношение масс этих кислот, пошедших на нейтрализацию одного и того же количества щелочи, если образовались соответственно сульфат и дигидроортофосфат?

18. 1,6г кальция и 2,61г цинка вытесняют из кислоты одинаковые количества водорода. Вычислить молярную массу эквивалента цинка, зная, что эквивалентная масса кальция равна 20,0 г/моль?

19. Медь образует два оксида. На определенное количество меди при образовании первого оксида пошло вдвое больше кислорода, чем при образовании второго. Каково отношение валентности меди в первом оксиде к ее валентности во втором?

20. При взаимодействии 5,95г некоторого вещества с 2,75г хлороводорода получилось 4,4г соли. Вычислить молярную массу эквивалента вещества и образовавшейся соли.

21. При взрыве смеси, полученной из одного объема некоторого газа и двух объемов кислорода, образуются два объема СО 2 и один объем N 2 . Найти молекулярную формулу газа.

22. Найти молекулярную формулу соединения бора с водородом, если масса 1 л этого газа равна массе 1 л азота, а содержание бора в веществе составляет 78,2%.

23. При пропускании над катализатором смеси, состоящей из 10 моль оксида серы(IV) и 15 моль кислорода, образовалось 8 моль оксида серы (VI). Сколько моль диоксида серы и кислорода не вступило в реакцию?

24. При пропускании водяного пара над раскаленным углем получается водяной газ, состоящий из равных объемов СО и водорода. Какой объем водяного газа (н.у.) может быть получен из 3 кг угля?

25. Через раствор, содержащий 7,4 г гидроксида кальция, пропустили 3,36л диоксида углерода (н.у.). Найти массу вещества, образовавшегося в результате реакции.

27. В одном из двух закрытых баллонов одинаковыми объемами находится кислород, в другом - азот. Массы обоих газов одинаковы. Температура обоих газов 27 0 С. В каком баллоне давление больше и во сколько раз? До какой температуры следует нагреть содержимое одного баллона, чтобы давление внутри него достигло давления в другом баллоне?

28. В закрытом баллоне находится 160 г кислорода под давлением 121,6 кПа при 12 С. Вычислить массу диоксида углерода в таком же объеме, если он находится под давлением 202,6 кПа и при 37 С.

29. Сколько литров кислорода при 21 С и 104,5 кПа выделится при разложении 490 г КС1О 3 ?

30. 1 г металла соединяется с массой хлора, занимающей 336 мл при 37 0 С и 98 кПа. Вычислить молярную массу эквивалента металла.

Химическая кинетика

Теоретические пояснения

Скоростью химической реакции называют изменение концентра­ции реагирующего вещества в единицу времени. Её размерность моль л -1 с -1 . Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации реагирующих веществ, темпе­ратуры, наличия катализатора и др.).

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению кон­центраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции Н 2 (г) + I 2 (г) 2HI(г)

закон действующих масс может быть записан V = kC H C I

Зависимость между давлением и объемом идеального газа при постоянной температуре показана на рис. 1.

Давление и объем образца газа обратно пропорциональны, т. е. их произведения являются постоянной величиной: pV = const. Это соотношение может быть записано в более удобном для решения задач виде:

p 1 V 1 = p 2 V 2 (закон Бойля-Мариотта).

Представим себе, что 50 л газа (V 1 ), находящегося под давлением 2 атм (p 1), сжали до объема 25 л (V 2), тогда его новое давление будет равно:

Зависимость свойств идеальных газов от температуры определяется законом Гей-Люссака: объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре (при постоянной массе: V = kT, где k - коэффициент пропорциональности). Это соотношение записывается обычно в более удобной форме для решения задач:

Например, если 100 л газа, находящегося при температуре 300К, нагревают до 400К, не меняя давления, то при более высокой температуре новый объем газа будет равен

Запись объединенного газового закона pV/T= = const может быть преобразована в уравнение Менделеева-Клапейрона:

где R - универсальная газовая постоянная, a - число молей газа.

Уравнение Менделеева-Клапейрона позволяет проводить самые разнообразные вычисления. Например, можно определить число молей газа при давлении 3 атм и температуре 400К, занимающих объем 70 л:

Одно из следствий объединенного газового закона: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это закон Авогадро.

Из закона Авогадро в свою очередь вытекает также важное следствие: массы двух одинаковых объемов различных газов (естественно, при одинаковых давлении и температуре) относятся как их молекулярные массы:

m 1 /m 2 = M 1 /M 2 (m 1 и m 2 - массы двух газов);

M 1 IM 2 представляет собой относительную плотность.

Закон Авогадро применим только к идеальным газам. При нормальных условиях трудно сжимаемые газы (водород, гелий, азот, неон, аргон) можно считать идеальными. У оксида углерода (IV), аммиака, оксида серы (IV) отклонения от идеальности наблюдаются уже при нормальных условиях и возрастают с ростом давления и понижением температуры.

Пример 1. Углекислый газ объемом 1 л при нормальных условиях имеет массу 1,977 г. Какой реальный объем занимает моль этого газа (при н. у.)? Ответ поясните.

Решение. Молярная масса М (CO 2) = 44 г/моль, тогда объем моля 44/1,977 = 22,12 (л). Эта величина меньше принятой для идеальных газов (22,4 л). Уменьшение объема связано с возрастанием взаимо действия между молекулами СО 2 , т. е. отклонением от идеальности.

Пример 2. Газообразный хлор массой 0,01 г, находящийся в запаянной ампуле объемом 10 см 3 , нагревают от 0 до 273 o С. Чему равно начальное давление хлора при 0 o С и при 273 o С?

Решение. М r (Сl 2) =70,9; отсюда 0,01 г хлора соответствует 1,4 10 -4 моль. Объем ампулы равен 0,01 л. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона pV=vRT, находим начальное давление хлора (p 1 ) при 0 o С:

аналогично находим давление хлора (р 2) при 273 o С: р 2 = 0,62 атм.

Пример 3. Чему равен объем, который занимают 10 г оксида углерода (II) при температуре 15 o С и давлении 790 мм рт. ст.?

Решение.

Задачи

1 . Какой объем (при н. у.) занимает 0,5 моль кислорода?
2 . Какой объем занимает водород, содержащий 18-10 23 молекул (при н. у.)?
3 . Чему равна молярная масса оксида серы(IV), если плотность этого газа по водороду равна 32?
4 . Какой объем занимают 68 г аммиака при давлении 2 атм и температуре 100 o С?
5 . В замкнутом сосуде емкостью 1,5 л находится смесь сероводорода с избытком кислорода при температуре 27 o С и давлении 623,2 мм рт. ст. Найдите суммарное количество веществ в сосуде.
6 . В большом помещении температура может измеряться с помощью "газового" термометра. Для этой цели стеклянную трубку, имеющую внутренний объем 80 мл, заполнили азотом при температуре 20 o С и давлении 101,325 кПа. После этого трубку медленно и осторожно вынесли из комнаты в более теплое помещение. Благодаря термическому расширению, газ вышел из трубки и был собран над жидкостью, давление пара которой незначительно. Общий объем газа, вышедшего из трубки (измерен при 20 o С и 101,325 кПа), равен 3,5 мл. Сколько молей азота потребовалось для заполнения стеклянной трубки и какова температура более теплого помещения?
7 . Химик, определявший атомную массу нового элемента X в середине XIX в., воспользовался следующим методом: он получал четыре соединения, содержащие элемент X (А, Б, В и Г), и определял массовую долю элемента (%) в каждом из них. В сосуд, из которого предварительно был откачан воздух, он помещал каждое соединение, переведенное в газообразное состояние при 250 o С, и устанавливал при этом давление паров вещества 1,013 10 5 Па. По разности масс пустого и полного сосудов определялась масса газообразного вещества. Аналогичная процедура проводилась с азотом. В результате можно было составить такую таблицу:

Газ	Общая масса, г	Массовая доля () элемента x в веществе, %
N 2	0,652	-
А	0,849	97,3
Б	2,398	68,9
В	4,851	85,1
Г	3,583	92,2

Определите вероятную атомную массу элемента X.

8 . В 1826 г. французский химик Дюма предложил метод определения плотности паров, применимый ко многим веществам. По этому методу можно было находить молекулярные массы соединений, используя гипотезу Авогадро о том, что в равных объемах газов и паров при равном давлении и температуре содержатся одинаковые количества молекул. Однако эксперименты с некоторыми веществами, сделанные по способу Дюма, противоречили гипотезе Авогадро и ставили под сомнение саму возможность определения молекулярной массы данным способом. Вот описание одного из таких экспериментов (рис. 2).

а. В горлышке сосуда а известного объема поместили навеску нашатыря б и нагрели в печи в до такой температуры t o , при которой весь нашатырь испарился. Получившиеся пары вытеснили воздух из сосуда, часть их выделилась наружу в виде тумана. Нагретый до t o сосуд, давление в котором равнялось атмосферному, запаяли по перетяжке г, затем охладили и взвесили.

Затем сосуд вскрыли, отмыли от сконденсированного нашатыря, высушили и снова взвесили. По разности определили массу m нашатыря.

Эта масса при нагревании до t o имела давление р, равное атмосферному, в сосуде объемом V. Для сосуда а заранее были определены давление и объем известной массы водорода при комнатной температуре. Отношение молекулярной массы нашатыря к молекулярной массе водорода определяли по формуле

Получили величину М/М(Н 2) = 13,4. Отношение, вычисленное по формуле NH 4 Cl, составило 26,8.

б. Опыт повторили, но горлышко сосуда закрыли пористой асбестовой пробкой д, проницаемой для газов и паров. При этом получили отношение М /М(Н 2) = 14,2.

в. Повторили опыт б, но увеличили начальную навеску нашатыря в 3 раза. Отношение стало равным М/М (Н 2) = 16,5.
Объясните результаты описанного эксперимента и докажите, что закон Авогадро в данном случае соблюдался.

1. Моль любого газа занимает объем (при н. у.) 22,4 л; 0,5 моль О 2 занимает объем 22,40,5 = 11,2 (л).
2. Число молекул водорода, равное 6,02-10 23 (число Авогадро), при н. у. занимает объем 22,4 л (1 моль); тогда

3. Молярная масса оксида cepы(IV) : M(SO 2) = 322 = 64 (г/моль).
4. При н. у. 1 моль NНз, равный 17 г, занимает объем 22,4 л, 68 г занимает объем х л,

Из уравнения газового состояния p o V o /T o = p 1 V 1 /T 1 находим

смеси H 2 S и О 2 .

6 . При заполнении трубки азотом

В трубке осталось (при начальных условиях) V 1: 80-3,5 = 76,5 (мл). При повышении температуры азот, занимавший объем 76,5 мл (V 1) при 20 o С, стал занимать объем V 2 = 80 мл. Тогда, согласно Т 1 /Т 2 = = V 1 /V 2 имеем

Предположим, что при температуре 250 о С вещества А, Б, В, Г являются идеальными газами. Тогда по закону Авогадро

Масса элемента X в 1 моль вещества А, Б, В и Г (г/моль):

М(А) . 0,973 = 35,45; М (Б) . 0,689 = 70,91; М (В) . 0,851 = 177,17; М(Г) . 0,922= 141,78

Поскольку в молекуле вещества должно быть целое число атомов элемента X, нужно найти наибольший общий делитель полученных величин. Он составляет 35,44 г/моль, и это число можно считать вероятной атомной массой элемента X.

8. Объяснить результаты эксперимента легко сумеет любой современный химик. Хорошо известно, что возгонка нашатыря - хлорида аммония - представляет собой обратимый процесс термического разложения этой соли:

NH 4 Cl		NH 3	+ HCl.
53,5		17	36,5

В газовой фазе находятся аммиак и хлороводород, их средняя относительная молекулярная масса М т

Менее понятно изменение результата при наличии асбестовой пробки. Однако в середине прошлого века именно опыты с пористыми ("скважистыми") перегородками показали, что в парах нашатыря содержатся два газа. Более легкий аммиак проходит сквозь поры быстрее, и его легко заметить либо по запаху, либо с помощью влажной индикаторной бумаги.

Строгое выражение для оценки относительной проницаемости газов сквозь пористые перегородки дает молекулярно-кинетическая теооия газов. Средняя скорость молекул газа
, где R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; М - молярная масса. По этой формуле аммиак должен диффундировать быстрее хлороводорода:

Следовательно, при введении в горло колбы асбестовой пробки газ в колбе успеет несколько обогатиться тяжелым НС1 за время, пока происходит выравнивание давления с атмосферным. Относительная плотность газа при этом возрастает. При увеличении массы NH 4 C1 давление, равное атмосферному, установится позже (асбестовая пробка препятствует быстрому вытеканию паров из колбы), газ в колбе будет содержать хлороводорода больше, чем в предыдущем случае; плотность газа увеличится.

Одной из основных единиц в Международной системе единиц (СИ) является единица количества вещества – моль.

Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов и др.), сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода 12 С .

Учитывая, что значение абсолютной атомной массы для углерода равно m (C) = 1,99 · 10  26 кг, можно рассчитать число атомов углерода N А , содержащееся в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одно и то же число частиц этого вещества (структурных единиц). Число структурных единиц, содержащихся в веществе количеством один моль равно 6,02·10 23 и называется числом Авогадро (N А ).

Например, один моль меди содержит 6,02·10 23 атомов меди (Cu), а один моль водорода (H 2) – 6,02·10 23 молекул водорода.

Молярной массой (M) называется масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

Молярная масса обозначается буквой М и имеет размерность [г/моль]. В физике пользуются размерностью [кг/кмоль].

В общем случае численное значение молярной массы вещества численно совпадает со значением его относительной молекулярной (относительной атомной) массы.

Например, относительная молекулярная масса воды равна:

Мr(Н 2 О) = 2Аr (Н) + Аr (O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

Молярная масса воды имеет ту же величину, но выражена в г/моль:

М (Н 2 О) = 18 г/моль.

Таким образом, моль воды, содержащий 6,02·10 23 молекул воды (соответственно 2·6,02·10 23 атомов водорода и 6,02·10 23 атомов кислорода), имеет массу 18 граммов. В воде, количеством вещества 1 моль, содержится 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода.

1.3.4. Связь между массой вещества и его количеством

Зная массу вещества и его химическую формулу, а значит и значение его молярной массы, можно определить количество вещества и, наоборот, зная количество вещества, можно определить его массу. Для подобных расчетов следует пользоваться формулами:

где ν – количество вещества, [моль]; m – масса вещества, [г] или [кг]; М – молярная масса вещества, [г/моль] или [кг/кмоль].

Например, для нахождения массы сульфата натрия (Na 2 SO 4) количеством 5 моль найдем:

1) значение относительной молекулярной массы Na 2 SO 4 , представляющую собой сумму округленных значений относительных атомных масс:

Мr(Na 2 SO 4) = 2Аr(Na) + Аr(S) + 4Аr(O) = 142,

2) численно равное ей значение молярной массы вещества:

М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,

3) и, наконец, массу 5 моль сульфата натрия:

m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.

Ответ: 710.

1.3.5. Связь между объемом вещества и его количеством

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при давлении р , равном 101325 Па (760 мм. рт. ст.), и температуре Т, равной 273,15 К (0 С), один моль различных газов и паров занимает один и тот же объем, равный 22,4 л.

Объем, занимаемый 1 моль газа или пара при н.у., называется молярным объемом газа и имеет размерность литр на моль.

V мол = 22,4 л/моль.

Зная количество газообразного вещества (ν) и значение молярного объема (V мол) можно рассчитать его объем (V) при нормальных условиях:

V = ν · V мол,

где ν – количество вещества [моль]; V – объем газообразного вещества [л]; V мол = 22,4 л/моль.

И, наоборот, зная объем (V ) газообразного вещества при нормальных условиях, можно рассчитать его количество (ν):

Наряду с массой и объемом в химических расчетах часто используется количество вещества, пропорциональное числу содержащихся в веществе структурных единиц. При этом в каждом случае должно быть указано, какие именно структурные единицы (молекулы, атомы, ионы и т. д.) имеются в виду. Единицей количества вещества является моль.

Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода 12С.

Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества (постоянная Авогадро) определено с большой точностью; в практических расчетах его принимают равным 6,02 1024 моль -1 .

Нетрудно показать, что масса 1 моля вещества (мольная масса), - выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Так, относительная молекулярная масса (или, сокращенно молекулярная масса) свободного хлора С1г равна 70,90. Следовательно, мольная масса молекулярного хлора составляет 70,90 г/моль. Однако мольная масса атомов хлора вдвое меньше (45,45 г/моль), так как 1 моль молекул хлора Сl содержит 2 моля атомов хлора.

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. Иными словами, одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Вместе с тем 1 моль любого газа содержит одинаковое число молекул. Следовательно, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. Этот объем называется мольным объемом газа и при нормальных условиях (0°С, давление 101, 425 кПа) равен 22,4 л.

Например, утверждение «содержание диоксида углерода в воздухе составляет 0,04% (об.)» означает, что при парциальном давлении СО 2 , равном давлению воздуха, и при той же температуре диоксид углерода, содержащийся в воздухе, займет 0,04% общего объема, занимаемого воздухом.

Контрольное задание

1. Сопоставить числа молекул, содержащихся в 1 г NH 4 и в 1 г N 2 . В каком случае и во сколько раз число молекул больше?

2. Выразить в граммах массу одной молекулы диоксида серы.

4. Сколько молекул содержится в 5,00 мл хлора при нормальных условиях?

4. Какой объем при нормальных условиях занимают 27 10 21 молекул газа?

5. Выразить в граммах массу одной молекулы NО 2 -

6. Каково соотношение объемов, занимаемых 1 молем О 2 и 1 молем Оз (условия одинаковые)?

7. Взяты равные массы кислорода, водорода и метана при одинаковых условиях. Найти отношение объемов взятых газов.

8. На вопрос, какой объем займет 1 моль воды при нормальных условиях, получен ответ: 22,4 л. Правильный ли это ответ?

9. Выразить в граммах массу одной молекулы HCl.

Сколько молекул диоксида углерода находится в 1 л воздуха, если объемное содержание СО 2 составляет 0,04% (условия нормальные)?

10. Сколько молей содержится в 1 м 4 любого газа при нормальных условиях?

11. Выразить в граммах массу одной молекулы Н 2 О-

12. Сколько молей кислорода находится в 1 л воздуха, если объемное

14. Сколько молей азота находится в 1 л воздуха, если объемное содержание его составляет 78% (условия нормальные)?

14. Взяты равные массы кислорода, водорода и азота при одинаковых условиях. Найти отношение объемов взятых газов.

15. Сопоставить числа молекул, содержащихся в 1 г NО 2 и в 1 г N 2 . В каком случае и во сколько раз число молекул больше?

16. Сколько молекул содержится в 2,00 мл водорода при нормальных условиях?

17. Выразить в граммах массу одной молекулы Н 2 О-

18. Какой объем при нормальных условиях занимают 17 10 21 молекул газа?

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

При определении понятия скорости химической реакции необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции. Если реакция протекает в гомогенной системе, например, в растворе или в смеси газов, то она идет во всем объеме системы. Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема системы. Поскольку отношение числа молей вещества к объему, в котором оно распределено, есть молярная концентрация вещества, скорость гомогенной реакции можно также определить как изменение концентрации в единицу времени какого-либо из веществ: исходного реагента или продукта реакции . Чтобы результат расчета всегда был положительным, независимо, от того, производится он по реагенту или продукту, в формуле используется знак «±»:

В зависимости от характера реакции время может быть выражено не только в секундах, как требует система СИ, но также в минутах или часах. В ходе реакции величина ее скорости не постоянна, а непрерывно изменяется: уменьшается, так как уменьшаются концентрации исходных веществ. Вышеприведенный расчет дает среднее значение скорости реакции за некоторый интервал времени Δτ = τ 2 – τ 1 . Истинная (мгновенная) скорость определяется как предел к которому стремится отношение ΔС / Δτ при Δτ → 0, т. е. истинная скорость равна производной концентрации по времени.

Для реакции, в уравнении которой есть стехиометрические коэффициенты, отличающиеся от единицы, значения скорости, выраженные по разным веществам, неодинаковы. Например для реакции А + 4В = D + 2Е расход вещества А равен одному молю, вещества В – трем молям, приход вещества Е – двум молям. Поэтому υ (А) = ⅓υ (В) = υ (D) =½υ (Е) или υ (Е) . = ⅔υ (В) .

Если реакция протекает между веществами, находящимися в различных фазах гетерогенной системы, то она может идти только на поверхности раздела этих фаз. Например, взаимодействие раствора кислоты и куска металла происходит только на поверхности металла. Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные коэффициентам при формулах этих веществ в уравнении реакции . Тогда для реакции

2А + В → продукты

справедливо соотношение υ ~ ·С А 2 ·С В, а для перехода к равенству вводится коэффициент пропорциональности k , называемый константой скорости реакции :

υ = k ·С А 2 ·С В = k ·[А] 2 ·[В]

(молярные концентрации в формулах могут обозначаться как буквой С с со­ответствующим индексом, так и формулой вещества, заключенной в квадратные скобки). Физический смысл константы скорости реакции – скорость реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. Размерность константы скорости реакции зависит от числа сомножителей в правой части уравнения и может быть с –1 ; с –1 ·(л/моль); с –1 ·(л 2 /моль 2) и т. п., то есть такой, чтобы в любом случае при вычислениях скорость реакции выражалась в моль·л –1 ·с –1 .

Для гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, представ­ляет постоянную величину и входит в константу скорости, например, для процесса горения угля С + О 2 = СО 2 закон действия масс записывается:

υ = k I ·const··= k ·,

где k = k I ·const.

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость реакции зависит также и от давления. Например, при взаимодействии водорода с парами иода H 2 + I 2 =2HI скорость химической реакции будет определяться выражением:

υ = k ··.

Если увеличить давление, например, в 4 раза, то во столько же раз уменьшится объем, занимаемый системой, и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ. Скорость реакции в этом случае возрастет в 9 раз

Зависимость скорости реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2‑4 раза . Это означает, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость химической реакции возрастает в геометрической прогрессии. Основанием в формуле прогрессии является температурный коэффициент скорости реакции γ, показывающий, во сколько раз увеличива­ется скорость данной реакции (или, что то же самое – константа скорости) при росте температуры на 10 градусов. Математически правило Вант-Гоффа выражается формулами:

или

где и – скорости реакции соответственно при начальной t 1 и конечной t 2 температурах. Правило Вант-Гоффа может быть также выражено следующими соотношениями:

; ; ; ,

где и – соответственно скорость и константа скорости реакции при тем­пературе t ; и – те же величины при температуре t +10n ; n – число «десятиградусных» интервалов (n =(t 2 –t 1)/10), на которые изменилась температура (может быть числом целым или дробным, положительным или отрицательным).

Контрольное задание

1. Найти значение константы скорости реакции А + В -> АВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0,05 и 0,01 моль/л, скорость реакции равна 5 10 -5 моль/(л-мин).

2. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В -> А2В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?

4. Во сколько раз следует увеличить концентрацию вещества, В 2 в системе 2А 2 (г.) + В 2 (г.) = 2А 2 В(г.), чтобы при уменьшении концентрации вещества А в 4 раза скорость прямой реакции не изменилась?

4. Через некоторое время после начала реакции ЗА+В->2C+D концентрации веществ составляли: [А] =0,04 моль/л; [В] = 0,01 моль/л; [С] =0,008 моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

5. В системе СО + С1 2 = СОС1 2 концентрацию увеличили от 0,04 до 0,12 моль/л, а концентрацию хлора - от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

6. Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А + 2В → С. Начальные концентрации составляют: [А] 0 = 0,04 моль/л, [В] о = 0,05 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

7. Как изменится скорость реакции 2СO + О2 = 2СО2 , протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 2 раза?

8. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 20 °С до 100 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 4.

9. Как изменится скорость реакции 2NO(r.) + 0 2 (г.) → 2N02(r.), если увеличить давление в системе в 4 раза;

10. Как изменится скорость реакции 2NO(r.) + 0 2 (г.) → 2N02(r.), если уменьшить объем системы в 4 раза?

11. Как изменится скорость реакции 2NO(r.) + 0 2 (г.) → 2N02(r.), если повысить концентрацию NO в 4 раза?

12. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 40 градусов скорость реакции

возрастает в 15,6 раза?

14. . Найти значение константы скорости реакции А + В -> АВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0,07 и 0,09 моль/л, скорость реакции равна 2,7 10 -5 моль/(л-мин).

14. Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А + 2В → С. Начальные концентрации составляют: [А] 0 = 0,01 моль/л, [В] о = 0,04 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,5. Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

15. Как изменится скорость реакции 2NO(r.) + 0 2 (г.) → 2N02(r.), если увеличить давление в системе в 2 раза;

16. В системе СО + С1 2 = СОС1 2 концентрацию увеличили от 0,05 до 0,1 моль/л, а концентрацию хлора - от 0,04 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

17. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 20 °С до 80 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 2.

18. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 40 °С до 90 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 4.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. ОБРАЗОВАНИЕ Й СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ

1.Какие типы химической связи Вам известны? Приведите пример образования ионной связи по методу валентных связей.

2. Какую химическую связь называют ковалентной? Что характерно для ковалентного типа связи?

4. Какими свойствами характеризуется ковалентная связь? Покажите это на конкретных примерах.

4. Какой тип химической связи в молекулах Н 2; Cl 2 НС1?

5.Какой характер имеют связи в молекулах NCI 4 , CS 2 , СО 2 ? Укажите для каждой нз них направление смещения общей электронной пары.

6. Какую химическую связь называют ионной? Что характерно для ионного типа связи?

7. Какой тип связи в молекулах NaCl, N 2 , Cl 2 ?

8. Изобразите все возможные способы перекрывания s-орбитали с р-орбиталью;. Укажите направленность связи при этом.

9. Объясните донорно-акцепторный механизм ковалентной связи на примере образования иона фосфония [РН 4 ]+.

10.В молекулах СО, С0 2 , связь полярная или неполярная? Объясните. Опишите водородную связь.

11. Почему некоторые молекулы, имеющие полярные связи, в целом являются неполярными?

12.Ковалентный или ионный тип связи характерен для следующих соединений: Nal, S0 2 , KF? Почему ионная связь является предельным случаем ковалентной?

14. Что такое металлическая связь? Чем она отличается от ковалентной связи? Какие свойства металлов она обусловливает?

14. Каков характер связей между атомами в молекулах; KHF 2 , Н 2 0, HNO?

15. Чем объяснить высокую прочность связи между атомами в молекуле азота N 2 и значительно меньшую в молекуле фосфора Р 4 ?

16 . Какую связь называют водородной? Почему для молекул H2S и НС1 в отличие от Н2О и HF образование водородных связей не характерно?

17. Какую связь называют ионной? Обладает ли ионная связь свойствами насыщаемости и направленности? Почему она является предельным случаем ковалентной связи?

18. Какой тип связи в молекулах NaCl, N 2 , Cl 2 ?

2.1. Относительная плотность газа d равна отношению плотностей (ρ 1 и ρ 2) газов (при одинаковых давлении и температуре):

d = ρ 1: ρ 2 ≈ М 1:М 2 (2.1)

где М 1 и М 2 – молекулярные массы газов.

Относительная плотность газа :

по отношению к воздуху: d ≈ М/29
по отношению к водороду: d ≈ М/2

где М, 29 и 2 – соответствующие молекулярные массы данного газа, воздуха и водорода.

2.2. Весовое количество а (в г) газа в данном объеме V (в дм 3) :

• а =М *1.293 *р *273 * V /28.98 (273 +t) *760 =0.01605 * р *М * V/273 +t (2.2)

где М – молекулярная масса газа, р – давление газа, мм РТ.ст., t – температура газа, 0 С.

Количество газа в г на 1 дм 3 при нормальных условиях

где d – относительная плотность газа по отношению к воздуху.

2.3. Объем V, занимаемый данным весовым количеством а газа :

V = а*22.4 *760*(273 +t) /М*р (2.4)

2.5. Газовые смеси

Масса (в г) смеси n образных компонентов, имеющих объемы V 1 , V 2 … V n и молекулярные массы М 1 , М 2 … М n , равна

Где 22,4 – объем 1 моль вещества в газообразном состоянии при 273 К и 101,32 кПа (0°С и 760мм. рт. ст.)

Так как объем смеси V= V 1 + V 2 + … + V n , то 1 дм 3 ее имеет массу:

Средняя молекулярная масса М газовой смеси (при аддитивности ее свойств) равна :

Концентрацию компонентов газовых смесей выражают чаще всего в объемных процентах. Объемная концентрация (V 1 /V·100) численно совпадает с долей парциального давления компонента (р 1 /р·100) и с его мольной концентрацией (М 1 /М·100).

Доли отдельных компонентов i в газовой смеси равны, %

массовые объемные

где q i – массовое содержание i-го компонента в смеси.

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, поэтому

р 1:р 2: … = V 1:V 2: … = М 1:М 2:…

где М – число молей.

Число молей компонента:

Если газ находится при одних условиях (Р, Т) и необходимо определить его объем или массу при других условиях (Р´, Т´), то используют формулы:

для пересчета объема

для пересчета массы

При Т = const парциальное давление Р нас насыщенного пара в газовой смеси вне зависимости от общего давления постоянно. При 101,32 кПа и Т К 1 моль газа или пара занимает объем 22,4 (Т/273)дм 3 . Если давление пара при этой температуре равно Р нас, то объем 1 моль равен:

Таким образом, масса 1м 3 пара молекулярной массы М при температуре Т и давлении Р нас равна, в г/м 3

Зная массовое содержание насыщенного пара в 1м 3 смеси, можно вычислить его давление:

Объем сухого газа вычисляют по формуле:

где Р нас.,Т – давление насыщенного водяного пара при температуре Т.

Приведение объемов сухого V (Т,Р)сух. и влажного V (Т,Р)вл. газов к нормальным условиям (н.у.) (273 К и 101,32 кПа) производят по формулам :

Формулой

пользуются для пересчета объема влажного газа, находящегося при Р и Т, к другим Р´, Т´, при условии, что с изменением температуры меняется и равновесное давление водяного пара. Выражения для пересчета объемов газа в разных условиях аналогичны:

Если давление водяного пара насыщенного пара при какой-либо температуре равно Р нас. , а необходимо вычислить G н.у. – содержание его в 1 м 3 газа при н.у., то используют уравнение (1.2), но в этом случае Т не есть температура насыщения, а равна 273 К.

Отсюда следует, что:

G н.у. = 4,396·10 -7 Мр нас. .

Давление насыщенного водяного пара, если известно его содержание в 1м 3 при н.у. вычисляют по формуле.