Молярный объём газов. Закон Авогадро

С жидкостями и твёрдыми веществами удобно работать через массу. Газы же проще измерять объёмом: газ собирают в цилиндр или колбу, а не взвешивают. Оказывается, у газов есть замечательное свойство, благодаря которому объём газа сразу говорит о количестве вещества.

Закон Авогадро

В 1811 году итальянский учёный Амедео Авогадро предположил, что в газах молекулы находятся очень далеко друг от друга, и объём газа определяется расстоянием между молекулами, а не их размером. Отсюда следует закон Авогадро: в равных объёмах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Литр водорода и литр углекислого газа при одних и тех же условиях содержат одинаковое число молекул, хотя сами молекулы \(\ce{CO2}\) в 22 раза тяжелее молекул \(\ce{H2}\).

Из закона Авогадро следует, что объёмы газов, вступающих в реакцию и образующихся в ней, относятся как коэффициенты в уравнении реакции. В реакции \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) на 2 л водорода расходуется 1 л кислорода.

Молярный объём газа

Раз в равных объёмах газов молекул поровну, то и один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём. Этот объём называют молярным объёмом газа \(V_m\). При нормальных условиях (н. у.), то есть при температуре 0 °C и давлении 101,3 кПа, он равен 22,4 л/моль. Количество вещества газа находят делением его объёма на молярный объём:

\[ n = \frac{V}{V_m}, \qquad V = n \cdot V_m, \qquad V_m = 22{,}4\ \text{л/моль (н. у.)}. \]

Так, 2 моль углекислого газа при н. у. занимают \(2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8\) л, а в 5,6 л азота содержится \(5{,}6 / 22{,}4 = 0{,}25\) моль вещества.

Плотность газа и относительная плотность

Моль газа при н. у. весит \(M\) граммов и занимает 22,4 л, поэтому плотность газа при н. у. \(\rho = M / 22{,}4\) г/л. Например, плотность кислорода \(32 / 22{,}4 = 1{,}43\) г/л.

Часто газы сравнивают между собой. Относительная плотность газа \(D\) показывает, во сколько раз один газ тяжелее другого при одинаковых условиях; она равна отношению их молярных масс: \(D = M_1 / M_2\). Плотность по водороду \(D_{\ce{H2}} = M / 2\), плотность по воздуху \(D_{\text{возд}} = M / 29\), где 29 г/моль — средняя молярная масса воздуха. Газы с молярной массой больше 29 г/моль (углекислый газ, хлор) тяжелее воздуха и скапливаются внизу, а газы легче 29 г/моль (водород, гелий, аммиак, метан) поднимаются вверх. Это пригодится в теме 4.10, где газы собирают в пробирки.

Все формулы вместе

Количество вещества — это центр, через который связаны все величины. Масса переводится в моли через молярную массу, число частиц — через постоянную Авогадро, объём газа — через молярный объём. Поэтому любую задачу удобно решать через моли.

Из примеров видно, что 8 г кислорода, \(1{,}505 \cdot 10^{23}\) его молекул и 5,6 л кислорода при н. у. — это одна и та же порция вещества, 0,25 моль.