3.2.4. Закон простых объемных отношений

Французский ученый Гей-Люссак, изучая соотношение между объемами газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, в 1805 году пришел к обобщению, известному под названием закона простых объемных отношений:

объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам образующихся газообразных продуктов реакции, как небольшие целые числа.

Например, в реакции синтеза хлороводорода из элементов, протекавшей по уравнению:

1 Моль 1 моль 2 моль

Н₂ + Сl₂= 2НС1

22.4 л 22.4 л 2 ∙ 22.4 л

один объем водорода реагирует с одним объемом хлора и образуется два объема хлороводорода (при одинаковых условиях)

V(Н₂) :V(Сl₂) :V(НС1) = 1 : 1 : 2.

3.2.5. Закон Авогадро

В 1811 году итальянский физик А. Авогадро объяснил простые отношения между объемами газообразных участников реакции на основании установленного им закона. Закон Авогадро формулируется следующим образом:

в равных объемах любых газов и паров при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул.

Закону Авогадро подчиняются только газообразные вещества. В газах промежутки между молекулами велики по сравнение с их размерами, а собственный же объем молекул очень мал. Общий объем газов определяется, главным образом, расстояниями между молекулами, примерно одинаковыми у всех газов (при одинаковых внешних условиях).

Если вещество находится в твердом или жидком состоянии, то его объем зависит от размеров самих молекул. Допустим, мы имеем моль воды и моль этилового спирта. Учитывая, что молярная масса воды М (Н₂О) = 18 г/моль, а плотность воды равна примерно 1 г/мл, найдем, что 1 моль воды, имеющий массуm= 18 г, займет объем при комнатной температуре:

V=m/= 18 г/1 г/мл = 18 мл.

Моль этилового спирта, имеющий массу 46 г и плотность при тех же условиях(С₂Н₅ОН) = 0,8 г/мл, займет объем:

V=m/= 46 г/0,8 г/мл = 57,5мл.

Если же воду и спирт испарить и полученные объемы паров привести к нормальным условиям, то они будут равны и составят 22400 мл, то есть увеличатся в среднем в 1000 раз. Это говорит об увеличении расстояний между молекулами веществ при переходе их из твердого или жидкого состояния в газообразное.

Из закона Авогадро выведены следующиеследствия:

Следствие 1.

Моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем, равный приблизительно 22,4 л.

Этот объем называется молярным объемоми обозначается V_мол :

V_мол= 22,4 л/моль = 22,4 м³/кмоль.

Масса одного и того же объема газа тем больше, чем больше масса его молекул. Если в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, то, очевидно, что отношение масс равных объемов газов будет равно отношению их молекулярных масс или отношению численно равных им молярных масс, то есть

m₁/m₂=M₁/M₂,

гдеm₁масса объема первого газа,m₂масса такого же объема второго газа, М₁ молярная масса первого газа, М₂молярная масса второго газа.

Отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа, взятого при тех же условиях, называется относительной плотностью первого газа ко второму(обозначается буквойD).

D=m₁/m₂ приV₁=V₂.

Относительная плотность первого газа по второму газу может быть рассчитана как отношение молярных масс этих газов

D=M₁/M₂,

откуда

М₁= М₂∙D.

Обычно плотность газов определяют по отношению к водороду М(H₂) = 2 г/моль или к воздуху М (возд.) = 29 г/моль.

В итоге получим:

М₁= 2D_H2и

М₁= 29D_возд.

Таким образом, зная плотность газа по водороду или по воздуху, можно легко определить его молярную, а следовательно, и относительную молекулярную массу и сформулировать2-е следствие из закона Авогадро.

Следствие II.

Молярная масса вещества (М), а значит, и относительная молекулярная масса (Мr) вещества в газообразном состоянии численно равна удвоенной плотности паров этого вещества по водороду.

Измерения объемов газов обычно производят при условиях, отличных от нормальных.

Нормальными условиямисчитаются:

давлениеР₀= 101,325 кПа (760 мм рт. ст., 1 атм. ),

температураТ₀= 273 К (t₀= 0 С).

Для приведения объема газа к нормальным условиям можно пользоваться уравнением, объединяющим газовыезаконы Бойля-Ма-риотта и Гей-Люссака:

где Vобъем газа при давленииРи температуре Т,V₀ объем газа при нормальном давленииР₀ = 101,3 кПа и температуреТ₀= 273 К.