Volume del gas v. Volume molare delle sostanze gassose

La fisica molecolare studia le proprietà dei corpi, guidati dal comportamento delle singole molecole. Tutti i processi visibili procedono a livello di interazione delle particelle più piccole, ciò che vediamo ad occhio nudo è solo una conseguenza di queste sottili connessioni profonde.

In contatto con

Concetti basilari

La fisica molecolare è talvolta vista come un'estensione teorica della termodinamica. Nata molto prima, la termodinamica era impegnata nello studio del trasferimento del calore in lavoro, perseguendo obiettivi puramente pratici. Non ha prodotto una giustificazione teorica, descrivendo solo i risultati degli esperimenti. I concetti base della fisica molecolare emersero più tardi, nel XIX secolo.

Studia l'interazione dei corpi a livello molecolare, guidato da un metodo statistico che determina gli schemi nei movimenti caotici delle particelle minime - molecole. La fisica molecolare e la termodinamica si completano a vicenda, considerare i processi da diversi punti di vista. Allo stesso tempo, la termodinamica non riguarda i processi atomici, occupandosi solo di corpi macroscopici, mentre la fisica molecolare, al contrario, considera qualsiasi processo proprio dal punto di vista dell'interazione delle singole unità strutturali.

Tutti i concetti e i processi hanno le proprie designazioni e sono descritti da formule speciali che rappresentano più chiaramente le interazioni e le dipendenze di determinati parametri l'uno dall'altro. Processi e fenomeni si intersecano nelle loro manifestazioni, formule diverse possono contenere le stesse quantità ed essere espresse in modi diversi.

Ammontare della sostanza

La quantità di una sostanza determina il rapporto tra (massa) e il numero di molecole che questa massa contiene. Il fatto è che sostanze diverse con la stessa massa hanno un numero diverso di particelle minime. I processi che avvengono a livello molecolare possono essere compresi solo considerando il numero di unità atomiche coinvolte nelle interazioni. Unità di misura per la quantità di una sostanza, adottato nel sistema SI, - mol.

Attenzione! Una mole contiene sempre lo stesso numero di particelle minime. Questo numero è chiamato numero (o costante) di Avogadro ed è pari a 6,02×1023.

Questa costante viene utilizzata nei casi in cui i calcoli richiedono di tenere conto della struttura microscopica di una determinata sostanza. Gestire il numero di molecole è difficile, poiché devi operare con numeri enormi, quindi viene utilizzata la mole, un numero che determina il numero di particelle per unità di massa.

La formula per determinare la quantità di una sostanza:

Il calcolo della quantità di una sostanza viene effettuato in diversi casi, viene utilizzato in molte formule ed è un valore importante nella fisica molecolare.

Pressione del gas

La pressione del gas è una grandezza importante che ha un significato non solo teorico ma anche pratico. Consideriamo la formula per la pressione del gas utilizzata nella fisica molecolare, con le spiegazioni necessarie per una migliore comprensione.

Per formulare la formula dovranno essere apportate alcune semplificazioni. Le molecole sono sistemi complessi avente una struttura multistadio. Per semplicità, consideriamo le particelle di gas in un determinato recipiente come palline omogenee elastiche che non interagiscono tra loro (gas ideale).

Si assumerà che anche la velocità di movimento delle particelle minime sia la stessa. Introducendo tali semplificazioni che non cambiano di molto la situazione reale, possiamo ricavare la seguente definizione: la pressione del gas è la forza esercitata dall'impatto delle molecole di gas sulle pareti dei vasi.

Allo stesso tempo, tenendo conto della tridimensionalità dello spazio e della presenza di due direzioni di ciascuna dimensione, è possibile limitare il numero di unità strutturali che agiscono sulle pareti a 1/6 di parte.

Quindi, mettendo insieme tutte queste condizioni e ipotesi, possiamo dedurre formula della pressione del gas in condizioni ideali.

La formula è simile alla seguente:

dove P - pressione del gas;

n è la concentrazione delle molecole;

K - costante di Boltzmann (1,38×10-23);

Ek - molecole di gas.

Esiste un'altra versione della formula:

P = nkT,

dove n è la concentrazione delle molecole;

T è la temperatura assoluta.

Formula del volume del gas

Il volume di un gas è lo spazio che occupa una determinata quantità di gas in determinate condizioni. A differenza dei solidi, che hanno un volume costante, praticamente indipendente dalle condizioni ambientali, il gas può cambiare volume con la pressione o temperatura.

La formula del volume del gas è l'equazione di Mendeleev-Clapeyron, che assomiglia a questa:

PV=nRT

dove P - pressione del gas;

V è il volume del gas;

n è il numero di moli di gas;

R è la costante universale dei gas;

T è la temperatura del gas.

Con semplici permutazioni otteniamo la formula per il volume del gas:

Importante! Secondo la legge di Avogadro, volumi uguali di qualsiasi gas posto esattamente nelle stesse condizioni - pressione, temperatura - conterranno sempre un numero uguale di particelle minime.

Cristallizzazione

La cristallizzazione è una transizione di fase di una sostanza dallo stato liquido a quello solido, cioè. il processo inverso di fusione. Il processo di cristallizzazione avviene con rilascio di calore, che deve essere rimosso dalla sostanza. La temperatura coincide con il punto di fusione, l'intero processo è descritto dalla formula:

Q = λm,

dove Q è la quantità di calore;

λ - calore di fusione;

Questa formula descrive sia la cristallizzazione che la fusione, poiché sono, di fatto, due facce dello stesso processo. Perché una sostanza cristallizzi, deve essere raffreddato alla temperatura di fusione., e quindi rimuovere la quantità di calore pari al prodotto della massa per il calore specifico di fusione (λ). Durante la cristallizzazione la temperatura non cambia.

Esiste un altro modo per comprendere questo termine: cristallizzazione da soluzioni sovrassature. In questo caso, il motivo della transizione non è solo il raggiungimento di una certa temperatura, ma anche il grado di saturazione della soluzione con una determinata sostanza. Ad un certo punto, il numero di particelle di soluto diventa troppo grande, provocando la formazione di piccoli cristalli singoli. Attaccano le molecole dalla soluzione, producendo una crescita strato per strato. A seconda delle condizioni di crescita, i cristalli hanno forme diverse.

Numero di molecole

È più semplice determinare il numero di particelle contenute in una data massa di una sostanza utilizzando la seguente formula:

Ne consegue che il numero di molecole è pari a:

Cioè, è necessario prima di tutto determinare la quantità di sostanza per una determinata massa. Quindi viene moltiplicato per il numero di Avogadro, ottenendo il numero di unità strutturali. Per i composti il ​​calcolo viene effettuato sommando il peso atomico dei componenti. Considera un semplice esempio:

Determina il numero di molecole d'acqua in 3 grammi. La formula (H2O) contiene due atomi e uno . Il peso atomico totale della minima particella d'acqua sarà: 1+1+16 = 18 g/mol.

Quantità di sostanza in 3 grammi di acqua:

Numero di molecole:

1/6 x 6 x 1023 = 1023.

Formula della massa molecolare

Una mole contiene sempre lo stesso numero di particelle minime. Pertanto, conoscendo la massa di una mole, possiamo dividerla per il numero di molecole (numero di Avogadro), ottenendo la massa di un'unità del sistema.

Va notato che questa formula si applica solo alle molecole inorganiche. Le molecole organiche sono molto più grandi, la loro grandezza o peso hanno significati completamente diversi.

Massa molare del gas

la massa molare è massa in chilogrammi di una mole di sostanza. Poiché una mole contiene lo stesso numero di unità strutturali, la formula della massa molare è simile a questa:

M = κ × Sig

dove k è il coefficiente di proporzionalità;

Mr è la massa atomica della sostanza.

La massa molare di un gas può essere calcolata utilizzando l'equazione di Mendeleev-Clapeyron:

pV=mRT/M,

da cui puoi dedurre:

M=mRT/pV

Pertanto, la massa molare di un gas è direttamente proporzionale al prodotto della massa del gas per la temperatura e la costante universale dei gas, e inversamente proporzionale al prodotto della pressione del gas per il suo volume.

Attenzione! Va notato che la massa molare di un gas come elemento può differire da quella di un gas come sostanza, ad esempio la massa molare dell'elemento ossigeno (O) è 16 g/mol e la massa dell'ossigeno come sostanza (O2) è 32 g/mol.

Disposizioni fondamentali dell'ICT.

Fisica in 5 minuti - fisica molecolare

Conclusione

Le formule contenute nella fisica molecolare e nella termodinamica consentono di calcolare i valori quantitativi di tutti i processi che avvengono con solidi e gas. Tali calcoli sono necessari sia nella ricerca teorica che nella pratica, poiché contribuiscono alla soluzione di problemi pratici.

Parte I

1. 1 mole di qualsiasi gas al n. sì. occupa lo stesso volume, pari a 22,4 litri. Questo volume si chiama molare ed è indicato con Vm.

2. Quantità di sostanza (n) - rapporto volume di gas a n. sì. al volume molare:
n = V/Vm=> Vm si misura in l/mol.

3. Quindi, la quantità di sostanza

4. Completa la tabella "Caratteristiche quantitative delle sostanze" effettuando i calcoli necessari.

Seconda parte

1. Stabilire una relazione tra il nome e la dimensione del valore.

2. Specificare le formule derivate dalla formula principale n = V/Vm.
2) V=nVm
3) Vm=V/n

3. Quante molecole ci sono in 44,8 L (n.d.) di anidride carbonica? Risolvi il problema in due modi.

4. Trova una condizione per il problema in cui devi trovare il numero di molecole N, se il volume V è noto.
Trova il numero di particelle di ossido nitrico (II), se il suo volume è 67,2 litri.
Risolvere il problema in qualsiasi modo.

5. Calcolare la massa di 78,4 litri (n.a.) di cloro.

6. Trova il volume di 297 g di fosgene (COCl2).

7. Calcola la massa di 56 litri di ammoniaca, la cui soluzione acquosa al 10% è nota in medicina come "ammoniaca".

8. Trova un problema utilizzando i concetti che hai imparato. Usa il tuo computer per creare un disegno per illustrare questa attività. Suggerisci un modo per risolverlo. È vero che 22,4 litri di azoto o 22,4 litri di idrogeno hanno la stessa massa? Supporta la tua risposta con i calcoli.

I gas sono l'oggetto di ricerca più semplice, quindi le loro proprietà e reazioni tra le sostanze gassose sono state studiate in modo più approfondito. Per facilitarci l’analisi delle regole decisionali compiti di calcolo,basato sulle equazioni delle reazioni chimiche,è consigliabile considerare queste leggi proprio all'inizio di uno studio sistematico della chimica generale

Lo scienziato francese J.L. Gay-Lussac ha fatto la legge relazioni di massa:

Per esempio, 1 l di cloro si connette con 1 l di idrogeno , formando 2 litri di acido cloridrico ; 2 litri di ossido di zolfo (IV) connesso con 1 litro di ossigeno, formando 1 litro di ossido di zolfo (VI).

Questa legge ha permesso allo scienziato italiano supponiamo che le molecole di gas semplici ( idrogeno, ossigeno, azoto, cloro, ecc. ) consiste in due atomi identici . Quando l'idrogeno si combina con il cloro, le loro molecole si scompongono in atomi e questi ultimi formano molecole di acido cloridrico. Ma poiché da una molecola di idrogeno e una molecola di cloro si formano due molecole di acido cloridrico, il volume di quest'ultimo deve essere uguale alla somma dei volumi dei gas iniziali.
Pertanto, i rapporti volumetrici sono facilmente spiegabili se si procede dal concetto di natura biatomica delle molecole di gas semplici ( H2, Cl2, O2, N2, ecc. )- Ciò, a sua volta, serve come prova della natura biatomica delle molecole di queste sostanze.
Lo studio delle proprietà dei gas permise ad A. Avogadro di esprimere un'ipotesi, successivamente confermata da dati sperimentali, e quindi diventata nota come legge di Avogadro:

Dalla legge di Avogadro segue un importante conseguenza: nelle stesse condizioni, 1 mole di qualsiasi gas occupa lo stesso volume.

Questo volume può essere calcolato se la massa è nota 1 litro gas. Sotto normale condizioni, (n.o.) cioè temperatura 273K (O°C) e pressione 101 325 Pa (760 mmHg) , la massa di 1 litro di idrogeno è 0,09 g, la sua massa molare è 1,008 2 = 2,016 g/mol. Allora il volume occupato da 1 mole di idrogeno in condizioni normali è pari a 22,4 l

Nelle stesse condizioni, la massa 1l ossigeno 1,492 g ; molare 32 g/mol . Quindi anche il volume di ossigeno a (n.s.) è uguale a 22,4 mol.

Quindi:

Il volume molare di un gas è il rapporto tra il volume di una sostanza e la quantità di tale sostanza:

Dove V M - volume molare del gas (dimensionl/mol ); V è il volume della sostanza del sistema;N è la quantità di materia nel sistema. Esempio di registrazione:V M gas (BENE.)\u003d 22,4 l / mol.

In base alla legge di Avogadro si determinano le masse molari delle sostanze gassose. Maggiore è la massa delle molecole di gas, maggiore è la massa dello stesso volume di gas. Volumi uguali di gas nelle stesse condizioni contengono lo stesso numero di molecole, e quindi le moli di gas. Il rapporto tra le masse di volumi uguali di gas è uguale al rapporto delle loro masse molari:

Dove M 1 - massa di un certo volume del primo gas; M 2 è la massa dello stesso volume del secondo gas; M 1 E M 2 - masse molari del primo e del secondo gas.

Di solito, la densità di un gas è determinata in relazione al gas più leggero: l'idrogeno (indicato D H2 ). La massa molare dell'idrogeno è 2 g/mol . Pertanto, otteniamo.

Il peso molecolare di una sostanza allo stato gassoso è pari al doppio della sua densità di idrogeno.

La densità di un gas è spesso determinata rispetto all'aria. (D B ) . Sebbene l'aria sia una miscela di gas, si parla ancora della sua massa molare media. È pari a 29 g/mol. In questo caso la massa molare è data da M = 29D B .

La determinazione dei pesi molecolari ha mostrato che le molecole dei gas semplici sono costituite da due atomi (H2, F2, Cl2, O2 N2) e le molecole di gas inerti - da un atomo (Lui, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Per i gas nobili, "molecola" e "atomo" sono equivalenti.

Legge di Boyle – Mariotte: a temperatura costante, il volume di una data quantità di gas è inversamente proporzionale alla pressione alla quale si trova.Da qui pV = cost ,
Dove R - pressione, V - volume di gas.

Legge di Gay-Lussac: a pressione costante e la variazione del volume del gas è direttamente proporzionale alla temperatura, cioè
V/T = cost
Dove T - temperatura su scala A (Kelvin)

La legge combinata dei gas di Boyle - Mariotte e Gay-Lussac:
pV/T = cost.
Questa formula viene solitamente utilizzata per calcolare il volume di un gas in determinate condizioni, se il suo volume è noto in altre condizioni. Se viene effettuata una transizione dalle condizioni normali (o alle condizioni normali), questa formula viene scritta come segue:
pV/T = p 0 V 0 /T 0 ,
Dove R 0 ,V 0 ,T 0 -pressione, volume del gas e temperatura in condizioni normali ( R 0 = 101 325 Pa , T 0 = 273K V 0 \u003d 22,4 l / mol) .

Se la massa e la quantità di gas sono note, ma è necessario calcolarne il volume o viceversa, utilizzarlo Equazione di Mendeleev-Claiperon:

Dove N - quantità di sostanza gassosa, mol; M — massa, g; M è la massa molare del gas, g/yol ; R è la costante universale dei gas. R \u003d 8,31 J / (mol * K)

Il volume molare di un gas è uguale al rapporto tra il volume del gas e la quantità di sostanza di questo gas, cioè

Vm = V(X) / n(X),

dove V m - volume molare del gas - un valore costante per qualsiasi gas in determinate condizioni;

V(X) è il volume del gas X;

n(X) è la quantità di sostanza gassosa X.

Il volume molare dei gas in condizioni normali (pressione normale p n \u003d 101 325 Pa ≈ 101,3 kPa e temperatura T n \u003d 273,15 K ≈ 273 K) è V m \u003d 22,4 l / mol.

Leggi dei gas ideali

Nei calcoli che coinvolgono gas è spesso necessario passare da queste condizioni a condizioni normali o viceversa. In questo caso è conveniente utilizzare la formula derivante dalla legge combinata dei gas di Boyle-Mariotte e Gay-Lussac:

pV / T = p n V n / T n

Dove p è la pressione; V - volume; T è la temperatura sulla scala Kelvin; l'indice "n" indica condizioni normali.

Frazione di volume

La composizione delle miscele di gas è spesso espressa utilizzando una frazione di volume, il rapporto tra il volume di un dato componente e il volume totale del sistema, ad es.

φ(X) = V(X) / V

dove φ(X) - frazione volumetrica del componente X;

V(X) - volume del componente X;

V è il volume del sistema.

La frazione di volume è una quantità adimensionale, si esprime in frazioni di unità o in percentuale.

Esempio 1. Quale volume occuperà ad una temperatura di 20 ° C e una pressione di 250 kPa l'ammoniaca del peso di 51 g?

Esempio 2. Determinare il volume che occuperà una miscela di gas contenente idrogeno, del peso di 1,4 ge azoto, del peso di 5,6 g, in condizioni normali.

Legge delle relazioni volumetriche

Come risolvere il problema utilizzando la "Legge dei rapporti volumetrici"?

Legge dei rapporti volumetrici: i volumi dei gas coinvolti in una reazione sono legati tra loro come piccoli numeri interi uguali ai coefficienti nell'equazione di reazione.

I coefficienti nelle equazioni di reazione mostrano il numero di volumi di sostanze gassose reagenti e formate.

Esempio. Calcolare il volume d'aria necessario per bruciare 112 litri di acetilene.

1. Componiamo l'equazione di reazione:

2. In base alla legge dei rapporti volumetrici, calcoliamo il volume dell'ossigeno:

112/2 \u003d X / 5, da cui X \u003d 112 5 / 2 \u003d 280l

3. Determinare il volume d'aria:

V (aria) \u003d V (O 2) / φ (O 2)

V (aria) \u003d 280 / 0,2 \u003d 1400 l.