Превращения в газовой смеси — Физическая химия для олимпиад

Превращения в газовой смеси

9 заданий

Общее количество газа при реакции

linkОпора

В уроке 25 мы описали ход реакции степенью протекания \(\xi\), а в уроке 28 связали количество газа с давлением и объёмом. Соединим эти результаты: за газовой реакцией можно следить по манометру.

functionsОбщее количество газа

Количество каждого газообразного участника \(n_i = n_{i,0} + \nu_i\xi\) (урок 25). Сложим по всем газам:

\[n = \sum_i n_i = n_0 + \xi\sum_i\nu_i = n_0 + \Delta\nu\,\xi,\]

где \(\Delta\nu\) — сумма коэффициентов газообразных продуктов минус сумма коэффициентов газообразных реагентов. Твёрдые и жидкие вещества в \(\Delta\nu\) не входят: их объёмом по сравнению с газом пренебрегают.

Реакция\(\Delta\nu\)
\(\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}\)\(-2\)
\(\ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}\)\(-1\)
\(\ce{N2O4 -> 2NO2}\)\(+1\)
\(\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2}\)\(+1\)
\(\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}\)\(0\)
\(\ce{C(s) + O2 -> CO2}\)\(0\)

Если \(\Delta\nu = 0\), общее количество газа при реакции не меняется, и при постоянных \(V\) и \(T\) не меняется давление: следить за такой реакцией по давлению нельзя.

infoИз истории

Аномальные плотности паров хлорида аммония, \(\ce{PCl5}\) и серной кислоты долго мешали принять гипотезу Авогадро: пары оказывались вдвое легче ожидаемого. На первом международном съезде химиков в Карлсруэ (1860) Станислао Канниццаро убедил коллег принять гипотезу, а аномалии объяснились диссоциацией: при нагревании из одной молекулы получаются две, и \(\Delta\nu = +1\).

Давление, объём и плотность как измерители

Уравнение состояния превращает изменение количества газа в измеряемую величину. Если два параметра из трёх (\(p\), \(V\), \(T\)) закреплены, третий пропорционален количеству газа.

functionsИзмеряемые величины

При постоянных \(V\) и \(T\) из \(p = nRT/V\) получаем \(p/p_0 = n/n_0\). При постоянных \(p\) и \(T\) из \(V = nRT/p\) получаем \(V/V_0 = n/n_0\). Масса газа в закрытой системе сохраняется, поэтому средняя молярная масса \(\bar M = m/n\) и плотность при постоянных \(p\) и \(T\), \(\rho = p\bar M/(RT)\) (урок 28), меняются обратно пропорционально количеству:

\[\frac{\rho}{\rho_0} = \frac{\bar M}{\bar M_0} = \frac{n_0}{n}.\]
УсловияЧто пропорционально \(n\)Формула
\(V\), \(T\) постоянныдавление\(p/p_0 = n/n_0\)
\(p\), \(T\) постоянныобъём\(V/V_0 = n/n_0\)
\(p\), \(T\) постоянныплотность — обратно\(\rho/\rho_0 = n_0/n\)
всегдасредняя молярная масса — обратно\(\bar M = m/n\)

edit_noteДиссоциация N₂O₄

В закрытом сосуде идёт реакция \(\ce{N2O4 -> 2NO2}\). Если из \(n_0\) моль \(\ce{N2O4}\) распалась доля \(\alpha\), то осталось \(n_0(1 - \alpha)\) моль \(\ce{N2O4}\) и образовалось \(2n_0\alpha\) моль \(\ce{NO2}\); всего \(n = n_0(1 + \alpha)\). Давление выросло со 100 до 130 кПа — значит, \(1 + \alpha = 1{,}30\) и \(\alpha = 0{,}30\).

Степень превращения по измерению

Химическое применение модуля — восстановить степень превращения из измеряемой величины: давления, объёма, плотности. Схема одна для всех задач.

lightbulbОбщая схема

  1. Записать количество каждого газа через \(\xi\) (или \(\alpha\)).
  2. Сложить: \(n = n_0 + \Delta\nu\,\xi\).
  3. Связать \(n\) с измеренной величиной (\(p\), \(V\), \(\rho\), \(\bar M\)).
  4. Найти \(\xi\), затем — степени превращения, мольные доли и парциальные давления.

edit_noteПлотность паров при диссоциации

Для реакции \(\ce{PCl5 <=> PCl3 + Cl2}\) из \(n_0\) моль получается \(n_0(1 + \alpha)\) моль, а масса та же. Поэтому

\[\bar M = \frac{M(\ce{PCl5})}{1 + \alpha}, \qquad \alpha = \frac{M(\ce{PCl5})}{\bar M} - 1.\]

Измерив плотность паров по воздуху \(D\), находят \(\bar M = 29D\) и затем \(\alpha\). Так в XIX веке поняли, что аномальная плотность паров некоторых веществ — следствие диссоциации.

edit_noteСинтез аммиака по давлению

Стехиометрическую смесь 1 моль \(\ce{N2}\) и 3 моль \(\ce{H2}\) нагрели в закрытом сосуде, и при той же температуре давление упало на 30 %. Общее количество \(n = 4 - 2\xi\), и \(n/n_0 = 0{,}70\), откуда \(4 - 2\xi = 2{,}8\) и \(\xi = 0{,}60\) моль. Степень превращения азота \(0{,}60/1 = 60\) %, водорода \(3\cdot0{,}60/3 = 60\) % — в стехиометрической смеси они совпадают.

push_pinГлавное

Общее количество газа меняется как \(n = n_0 + \Delta\nu\,\xi\); при постоянных \(V\) и \(T\) давление ему пропорционально, при постоянных \(p\) и \(T\) — объём, а плотность и средняя молярная масса — обратно пропорциональны. По измеренному значению находят \(\xi\), а затем степени превращения и состав.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.