Что такое объем в химии определение кратко

Обновлено: 04.07.2024

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

температура;
давление;
агрегатное состояние вещества.

Молярный объем можно находить путем деления молярной массы M вещества на его плотность ρ .

Молярный объем вычисляют по формуле:

V m = V / n = M / ρ .

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

Согласно Международной системе единиц ( С И ) , молярный объем измеряется в кубических метрах на моль (русское обозначение: м 3 / м о л ь ; международное: m 3 / m o l ) .

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:

температура 0 °С;
давление 101,325 кПа (1 атм.).

Известно, что при нормальных условиях отношение объема любой порции газа к химическому количеству газа есть величина постоянная и равная 22 , 4 д м 3 / м о л ь .

Молярный объем какого-либо газа при нормальных условиях:

Таким образом, молярный объем при н. у. равен 22 , 4 д м 3 и представляет собой объем, который занимает 1 моль какого-либо газа при нормальных условиях.

Молярный объем смеси

В том случае, когда рассматривается смесь веществ, в процессе вычисления молярного объема за количество вещества принимают сумму количеств всех веществ, входящих в состав смеси. Когда величина плотности смеси ρ c , мольные доли компонентов x i и их молярные массы M i известны, молярный объем смеси допустимо рассчитывать в виде отношения средней молярной массы смеси (суммы молярных масс ее компонентов, умноженных на их мольные доли) к плотности смеси.

Молярный объем смеси:

V m = V ∑ n i = M ¯ ρ c = ∑ i = 1 N x i M i ρ c . V m = V ∑ n i = M ¯ ρ c = ∑ i = 1 N x i M i ρ c .

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:

V m = R T P V m = R T P ,

где T — является термодинамической температурой;

R — универсальная газовая постоянная.

R = 8,314 Д ж / ( К · м о л ь ) = 0,08205 л · а т м / ( К · м о л ь ) .

При нормальных условиях ( T = 273 , 15 K , P = 101 325 П а ) молярный объем газов V m = 22 , 41396954 … л / м о л ь . Молярные объемы в случае реальных газов, так или иначе, не совпадают с молярным объемом идеального газа. С другой стороны, нередко в процессе решения практических задач по химии отклонениями от идеальности допустимо пренебрегать.

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:

V m = V я N A / Z

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

Значения молярного объема химических элементов

Уточнить величину молярного (атомного) объема, характерного для простых веществ, в с м 3 / м о л ь ( 10 − 6 м 3 / м о л ь , 10 − 3 л / м о л ь ) при нормальных условиях (для газообразных простых веществ), либо при температуре конденсации и нормальном давлении, можно в таблице:

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:

Таким образом, химическое количество газообразного вещества допустимо рассчитывать, как отношение его объема к молярному объему. Данное утверждение можно применить на практическом примере. Предположим, что необходимо вычислить химическое количество водорода, соответствующее при н. у. его объему 11,2 д м 3 . Выполним расчеты:

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:

V m = R T p V m = R T p ,

где R ≈ 8 , 314 Д ж / ( м о л ь · К ) — является универсальной газовой постоянной.

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

Благодаря данному положению, наука химия получила активное развитие. Причиной этому является открытие возможности для расчета молекулярной массы веществ, которые обладают способностью к переходу в газообразное или парообразное состояние. В том случае, когда молекулярная масса вещества равна μ , а ρ , является его относительной плотностью в газообразном состоянии по другому газу, отношение μ / ρ , должно быть постоянным для всех веществ, его значение зависит только от вида газа, по которому определяют относительную плотность данного вещества. Из результатов практического опыта можно сделать вывод о том, что для любых известных веществ, которые способны переходить в газообразное состояние без разложения, рассматриваемая постоянная составляет 28,9 а.е.м. (атомных единицы массы), если при определять относительную плотность по воздуху. С другой стороны, данная постоянная будет равна 2 а.е.м. в том случае, когда относительную плотность определяют по водороду.

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:

V ~ T или V / T = c o n s t , P = c o n s t ,

где V — объем газа;

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

V 1 : T 1 = V 2 : T 2 и л и V 1 T 2 = V 2 T 1 .

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

В процессе, записанном в виде уравнения 3 Н 2 + N 2 = 2 N H 3 , объемы азота и водорода, между которыми протекает реакция, и объем образовавшегося аммиака связаны между собой, что можно выразить с помощью следующего соотношения:

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.

Согласно первому следствию из закона Авогадро, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. Объем газа количеством 1 моль в нормальных условиях носит название молярного объема и обозначается V m . Таким образом:

где V — объем газа,

n — количество газа.

Выразить молярный объем газов можно в л/моль:

V m = 22 , 4 л / м о л ь .

В данной таблице использованы следующие обозначения:

V — объем;
Р — давление;
Т — температура;
n — количество вещества;
m — масса вещества;
М — молярная масса вещества;
R — универсальная газовая постоянная.

R = 8 , 314 Д ж / ( К · м о л ь ) = 0 , 08205 л · а т м / ( К · м о л ь ) .

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= 3,6/12 :0,6/1 :3,2/16;

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].

Задание	Какова молекулярная формула спирта, если массовые отношения m(C):m(H):m(O) = 3:1:4 и относительная молекулярная масса Mr = 32?
Решение	Для того, чтобы узнать, в каких отношениях находятся химические элементы в составе молекулы необходимо найти их количество вещества. Известно, что для нахождения количества вещества следует использовать формулу:

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.

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.

Молярная масса вещества Х обозначается символом M(Х) . Она равна отношению массы данной порции вещества m(Х) (в г или кг) к его химическому количеству n(Х) (в 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

В отличие от твердых и жидких веществ все газообразные вещества химическим количеством 1 моль занимают одинаковый объем (при одинаковых условиях). Эта величина называется молярным объемом и обозначается V_m .

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:

Молярный объем — это объем, равный 22,4 дм 3 , который занимает 1 моль 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:

Масса вещества химическим количеством 1 моль называется его молярной массой. Она равна отношению массы данной порции вещества к его химическому количеству.
Объем газообразных веществ химическим количеством 1 моль при нормальных условиях одинаков и равен 22,4 дм 3 .
Величина, равная 22,4 дм 3 /моль, называется молярным объемом газов.

Для того, чтобы узнать состав любых газообразных веществ необходимо уметь оперировать такими понятиями, как молярный объем, молярная масса и плотность вещества. В данной статье рассмотрим, что такое молярный объем, и как его вычислить?

Количество вещества

Количественные расчеты проводят с целью, чтобы в реальности осуществить тот или иной процесс или узнать состав и строение определенного вещества. Эти расчеты неудобно производить с абсолютными значениями массы атомов или молекул из-за того, что они очень малы. Относительные атомные массы также в большинстве случаев невозможно использовать, так как они не связаны с общепринятыми мерами массы или объема вещества. Поэтому введено понятие количество вещества, которое обозначается греческой буквой v (ню) или n. Количество вещества пропорционально числу содержащихся в веществе структурных единиц (молекул, атомных частиц).

моль – это такое количество вещества, которое содержит столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода.

Масса 1 атома равна 12 а. е. м., поэтому число атомов в 12 г изотопа углерода равно:

Физическая величина Na называется постоянной Авогадро. Один моль любого вещества содержит 6,02*10 в степени 23 частиц.

Рис. 1. Закон Авогадро.

Молярный объем газа

Молярный объем газа – это отношение объема вещества к количеству этого вещества. Эту величину вычисляют при делении молярной массы вещества на его плотность по следующей формуле:

где Vm – молярный объем, М – молярная масса, а p – плотность вещества.

Рис. 2. Молярный объем формула.

В международной системе Си измерение молярного объема газообразных веществ осуществляется в кубических метрах на моль (м 3 /моль)

Молярный объем газообразных веществ отличается от веществ, находящихся в жидком и твердом состоянии тем, что газообразный элемент количеством 1 моль всегда занимает одинаковый объем (если соблюдены одинаковые параметры).

Объем газа зависит от температуры и давления, поэтому при расчетах следует брать объем газа при нормальных условиях. Нормальными условиями считается температура 0 градусов и давление 101,325 кПа. Молярный объем 1 моля газа при нормальных условиях всегда одинаков и равен 22,41 дм 3 /моль. Этот объем называется молярным объемом идеального газа. То есть, в 1 моле любого газа (кислород, водород, воздух) объем равен 22,41 дм 3 /м.

Рис. 3. Молярный объем газа при нормальных условиях.

В следующей таблице представлен объем некоторых газов:

Газ	Молярный объем, л
H₂	22,432
O₂	22,391
Cl₂	22,022
CO₂	22,263
NH₃	22,065
SO₂	21,888
Идеальный	22,41383

Что мы узнали?

Молярный объем газа, изучаемый по химии (8 класс) наряду с молярной массой и плотностью являются необходимыми величинами для определения состава того или иного химического вещества. Особенностью молярного газа является то, что в одном моле газа всегда содержится одинаковый объем. Этот объем называется молярным объемом газа.

Читайте также: