Как найти количество вещества через молярный объем

Есть множество формул для нахождения объема. В первую очередь необходимо определить в каком агрегатном состоянии находится вещество, для которого мы ищем объем. Для объема газа подходят одни формулы, а для объема раствора совершенно другие.

Одна из формул объема раствора: V = m/p, где V – объем раствора (мл) , m – масса (г) , p – плотность (г/мл) . Если требуется дополнительно найти массу, то это можно сделать, зная формулу и количество нужного вещества. С помощью формулы вещества мы найдем его молярную массу, сложив атомные массы всех элементов, входящих в его состав. Например, M(AgNO3) = 108+14+16*3 = 170 г/моль. Далее находим массу по формуле: m = n*M, где m – масса (г) , n – количество вещества (моль) , M – молярная масса вещества (г/моль) . Подразумевается, что количество вещества дано в задаче.
2

Следующая формула для нахождения объема раствора выводится из формулы молярной концентрации раствора: с = n/V, где c – молярная концентрация раствора (моль/л) , n – количество вещества (моль) , V – объем раствора (л) . Выводим: V = n/c. Количество вещества можно дополнительно найти по формуле: n = m/M, где m – масса, M – молярная масса.
3

Далее приведены формулы для нахождения объема газа. V = n*Vm, где V – объем газа (л) , n – количество вещества (моль) , Vm – молярный объем газа (л/моль) . При нормальных условиях, т. е. давлении равным 101 325 Па и температуре 273 К молярный объем газа является величиной постоянной и равен 22,4 л/моль.
4

Для газовой системы существует формула: : q(x) = V(x)/V, где q(x)(фи) – объемная доля компонента, V(x) – объем компонента (л) , V – объем системы (л) . Из этой формулы можно вывести 2 другие: V(x) = q*V, а также V = V(x)/q.
5

Если в условии задачи присутствует уравнение реакции, решать задачу следует с помощью него. Из уравнения можно найти количество любого вещества, оно равно коэффициенту. Например, CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O. Отсюда видим, что при взаимодействии 1 моля оксида меди и 2 моль соляной кислоты получилось 1 моль хлорида меди и 1 моль воды. Зная по условию задачи количество вещества всего одного компонента реакции, можно без труда найти количества всех веществ. Пусть, количество вещества оксида меди равно 0,3 моль, значит n(HCl) = 0,6 моль, n(CuCl2) = 0,3 моль, n(H2O) = 0,3 моль.

Итак, количество вещества в химии обозначается греческой буквой “ню”.

Помню, как в 9-м классе мой учитель физики Игорь Юрьевич учил меня правильно писать букву “ню”. До этого она у меня получалась немного коряво.

Но поскольку на БВ не проходят греческие буквы, я буду обозначать количество вещества латинской буквой v. Латинская v очень похожа на греческую “ню”.

Рассмотрим следующие случаи.

1) Если нам известно количество частиц вещества, то количество вещества можно найти по формуле:

v = n/NA

где

v — количество вещества;

n — количество частиц вещества. Это безразмерная величина, то есть это просто число. Правда, это число бывает очень большим, например, 5*(10^24).

NA — постоянная Авогадро. Постоянная Авогадро представляет собой универсальную константу. NA = 6,022*(10^23) моль^(–1).

2) Если нам известна масса вещества, то количество вещества находится по следующей формуле:

v = m/M

где

v — количество вещества;

m — масса вещества;

M — молярная масса вещества находится по химической формуле вещества, при помощи периодической системы Д. И. Менделеева, путём суммирования атомных масс всех входящих в молекулу атомов с учётом имеющихся индексов.

3) Если нам известен объём газообразного вещества, то мы можем найти количество вещества газа по такой формуле:

v = V/Vm

где

v — количество вещества;

V — объём газа;

Vm — молярный объём газов. Молярный объём газов — это универсальная константа. Vm = 22,414 л/моль = 22414 м3/моль.

Повторюсь, что формула v = V/Vm верна только для газов!

Наконец, рассмотрим Ваш случай.

Вам по условию даны объём и объёмная доля.

Я рискну предположить, что у Вас задача примерно такого рода:

“Объём газовой смеси составляет 240 л. Объёмная доля кислорода в смеси равна 45%. Вычислите количество вещества кислорода в смеси”.

Такая задача решается в два действия.

1) Находим объём кислорода:

V (O2) = V0 * ф / 100 = 240 л * 45 / 100 = 108 л.

(Ф — это объёмная доля, она обозначается греческой буквой “фи”. Вместо неё приходится писать русскую ф).

2) Находим количество вещества кислорода. Кислород — это газ, значит, мы имеем право воспользоваться формулой v = V/Vm.

v (O2) = V/Vm = 108 л : 22,414 л/моль = 4,818 моль. Округление произведено до тысячных.

В этой статье мы коснемся нескольких краеугольных понятий в химии, без которых совершенно невозможно
решение задач. Старайтесь понять смысл физических величин, чтобы усвоить эту тему.

Я постараюсь приводить как можно больше примеров по ходу этой статьи, в ходе изучения вы увидите множество примеров
по данной теме.

Относительная атомная масса – A_r

Представляет собой массу атома, выраженную в атомных единицах массы. Относительные атомные массы указаны в периодической
таблице Д.И. Менделеева. Так, один атом водорода имеет атомную массу = 1, кислород = 16, кальций = 40.

Относительная молекулярная масса – M_r

Относительная молекулярная масса складывается из суммы относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав вещества.
В качестве примера найдем относительные молекулярные массы кислорода, воды, перманганата калия и медного купороса:

M_r (O₂) = (2 × A_r(O)) = 2 × 16 = 32

M_r (H₂O) = (2 × A_r(H)) + A_r(O) = (2 × 1) + 16 = 18

M_r (KMnO₄) = A_r(K) + A_r(Mn) + (4 × A_r(O)) = 39 + 55 + (4 * 16) = 158

M_r (CuSO₄*5H₂O) = A_r(Cu) + A_r(S) + (4 × A_r(O)) + (5 × ((A_r(H) × 2) +
A_r(O))) = 64 + 32 + (4 × 16) + (5 × ((1 × 2) + 16)) = 160 + 5 * 18 = 250

Моль и число Авогадро

Моль – единица количества вещества (в системе единиц СИ), определяемая как количество вещества, содержащее столько же структурных единиц
этого вещества (молекул, атомов, ионов) сколько содержится в 12 г изотопа ¹²C, т.е. 6 × 10²³.

Число Авогадро (постоянная Авогадро, N_A) – число частиц (молекул, атомов, ионов) содержащихся в одном моле любого вещества.

Больше всего мне хотелось бы, чтобы вы поняли физический смысл изученных понятий. Моль – международная единица количества вещества, которая
показывает, сколько атомов, молекул или ионов содержится в определенной массе или конкретном объеме вещества. Один моль любого вещества
содержит 6.02 × 10²³ атомов/молекул/ионов – вот самое важное, что сейчас нужно понять.

Иногда в задачах бывает дано число Авогадро, и от вас требуется найти, какое вам дали количество вещества (моль). Количество вещества в химии
обозначается N, ν (по греч. читается “ню”).

Рассчитаем по формуле: ν = N/N_A количество вещества 3.01 × 10²³ молекул воды и 12.04 × 10²³ атомов углерода.

Мы нашли количества вещества (моль) воды и углерода. Сейчас это может показаться очень абстрактным, но, иногда не зная, как найти
количество вещества, используя число Авогадро, решение задачи по химии становится невозможным.

Молярная масса – M

Молярная масса – масса одного моля вещества, выражается в “г/моль” (грамм/моль). Численно совпадает с изученной нами ранее
относительной молекулярной массой.

Рассчитаем молярные массы CaCO₃, HCl и N₂

M (CaCO₃) = A_r(Ca) + A_r(C) + (3 × A_r(O)) = 40 + 12 + (3 × 16) = 100 г/моль

M (HCl) = A_r(H) + A_r(Cl) = 1 + 35.5 = 36.5 г/моль

M (N₂) = A_r(N) × 2 = 14 × 2 = 28 г/моль

Полученные знания не должны быть отрывочны, из них следует создать цельную систему. Обратите внимание: только что мы рассчитали
молярные массы – массы одного моля вещества. Вспомните про число Авогадро.

Получается, что, несмотря на одинаковое число молекул в 1 моле (1 моль любого вещества содержит 6.02 × 10²³ молекул),
молекулярные массы отличаются. Так, 6.02 × 10²³ молекул N₂ весят 28 грамм, а такое же количество молекул
HCl – 36.5 грамм.

Это связано с тем, что, хоть количество молекул одинаково – 6.02 × 10²³, в их состав входят разные атомы, поэтому и
массы получаются разные.

Часто в задачах бывает дана масса, а от вас требуется рассчитать количество вещества, чтобы перейти к другому веществу в реакции.
Сейчас мы определим количество вещества (моль) 70 грамм N₂, 50 грамм CaCO₃, 109.5 грамм HCl. Их молярные
массы были найдены нам уже чуть раньше, что ускорит ход решения.

ν (CaCO₃) = m(CaCO₃) : M(CaCO₃) = 50 г. : 100 г/моль = 0.5 моль

ν (HCl) = m(HCl) : M(HCl) = 109.5 г. : 36.5 г/моль = 3 моль

Иногда в задачах может быть дано число молекул, а вам требуется рассчитать массу, которую они занимают. Здесь нужно использовать
количество вещества (моль) как посредника, который поможет решить поставленную задачу.

Предположим нам дали 15.05 × 10²³ молекул азота, 3.01 × 10²³ молекул CaCO₃ и 18.06 × 10²³ молекул
HCl. Требуется найти массу, которую составляет указанное число молекул. Мы несколько изменим известную формулу, которая поможет нам связать
моль и число Авогадро.

Теперь вы всесторонне посвящены в тему. Надеюсь, что вы поняли, как связаны молярная масса, число Авогадро и количество вещества.
Практика – лучший учитель. Найдите самостоятельно подобные значения для оставшихся CaCO₃ и HCl.

Молярный объем

Молярный объем – объем, занимаемый одним молем вещества. Примерно одинаков для всех газов при стандартной температуре
и давлении составляет 22.4 л/моль. Он обозначается как – V_M.

Подключим к нашей системе еще одно понятие. Предлагаю найти количество вещества, количество молекул и массу газа объемом
33.6 литра. Поскольку показательно молярного объема при н.у. – константа (22.4 л/моль), то совершенно неважно, какой газ мы
возьмем: хлор, азот или сероводород.

Запомните, что 1 моль любого газа занимает объем 22.4 литра. Итак, приступим к решению задачи. Поскольку какой-то газ
все же надо выбрать, выберем хлор – Cl₂.

Моль (количество вещества) – самое гибкое из всех понятий в химии. Количество вещества позволяет вам перейти и к
числу Авогадро, и к массе, и к объему. Если вы усвоили это, то главная задача данной статьи – выполнена 🙂

Относительная плотность и газы – D

Относительной плотностью газа называют отношение молярных масс (плотностей) двух газов. Она показывает, во сколько раз одно вещество
легче/тяжелее другого. D = M (1 вещества) / M (2 вещества).

В задачах бывает дано неизвестное вещество, однако известна его плотность по водороду, азоту, кислороду или
воздуху. Для того чтобы найти молярную массу вещества, следует умножить значение плотности на молярную массу
газа, по которому дана плотность.

Запомните, что молярная масса воздуха = 29 г/моль. Лучше объяснить, что такое плотность и с чем ее едят на примере.
Нам нужно найти молярную массу неизвестного вещества, плотность которого по воздуху 2.5

Предлагаю самостоятельно решить следующую задачку (ниже вы найдете решение): “Плотность неизвестного вещества по
кислороду 3.5, найдите молярную массу неизвестного вещества”

Относительная плотность и водный раствор – ρ

Пишу об этом из-за исключительной важности в решении
сложных задач, высокого уровня, где особенно часто упоминается плотность. Обозначается греческой буквой ρ.

Плотность является отражением зависимости массы от вещества, равна отношению массы вещества к единице его объема. Единицы
измерения плотности: г/мл, г/см³, кг/м³ и т.д.

Для примера решим задачку. Объем серной кислоты составляет 200 мл, плотность 1.34 г/мл. Найдите массу раствора. Чтобы не
запутаться в единицах измерения поступайте с ними как с самыми обычными числами: сокращайте при делении и умножении – так
вы точно не запутаетесь.

Иногда перед вами может стоять обратная задача, когда известна масса раствора, плотность и вы должны найти объем. Опять-таки,
если вы будете следовать моему правилу и относится к обозначенным условным единицам “как к числам”, то не запутаетесь.

В ходе ваших действий “грамм” и “грамм” должны сократиться, а значит, в таком случае мы будем делить массу на плотность. В противном случае
вы бы получили граммы в квадрате 🙂

К примеру, даны масса раствора HCl – 150 грамм и плотность 1.76 г/мл. Нужно найти объем раствора.

Массовая доля – ω

Массовой долей называют отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Важно заметить, что в понятие раствора входит
как растворитель, так и само растворенное вещество.

Массовая доля вычисляется по формуле ω (вещества) = m (вещества) / m (раствора). Полученное число будет показывать массовую долю
в долях от единицы, если хотите получить в процентах – его нужно умножить на 100%. Продемонстрирую это на примере.

Решим несколько иную задачу и найдем массу чистой уксусной кислоты в широко известной уксусной эссенции.

Общее понятие

Физическая величина применяется для вычисления количества конструкционных частиц в материальной субстанции. Понятие используется в случае, когда для численного определения количества вещества в химии требуется описание микроскопического строения формы материи.

Представление процессов в этом ключе нужно при проведении электролиза, получении азота и идеального газа, а также в других областях физики, которые рассматривают варианты превращения и передачи энергии.

Количество вещества является удобным понятием при характеристике различных химических процессов в отличие от массы. Это случается из-за того, что структурные электрические частицы реагируют независимо от их массы в объемах, которые являются кратными целым числам.

Примером служит процесс горения водорода, где число кислорода требуется в 2 раза меньше: О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О.

В этой реакции водородная масса меньше кислородной примерно в 8 раз из-за того, что атомная масса водорода меньше в 16 раз аналогичного показателя кислорода. Применение понятия количества элементов снижает неудобство при составлении уравнений. При этом взаимное соотношение между объемом веществ выражается уравнительным коэффициентом.

Формулы, которые применяются:

1. Количество вещества закон Авогадро определяет на основании объема: n = V / V m, где V — объем порции газа в нормальном состоянии, а V m означает молярную величину объема субстанции в аналогичных условиях и равняется 22,4 л/моль.
2. Другая формула показывает определение количества в зависимости от количества конструктивных элементов с применением постоянной Авогадро: n = N / N a, где N — число звеньев, а N a — постоянная константа Авогадро.
3. В зависимости от массы и молярного веса расчет ведется по формуле: n = m / M, где m — масса субстанции, а М представляет его молярную массу.

Непосредственное число молекул не используется при расчете, т. к. это количество в реальности очень большое. Вместо обозначения молекул в штуках, применяется измерение в молях. Фактическое содержание единиц в 1 моле материи носит наименование числа Авогардо, при этом Na = 6,022141 х 10²³ шт./моль.

Значение моля

Вес отдельных структурных элементов формы материи отличается, поэтому одинаковые объемы имеют различные массовые показатели. Моль — это количество материи, которое содержит число молекул, являющееся аналогичным количеству углеродных атомов в 12 г углекислого газа.

Массовый показатель не служит мерой количества субстанции, например:

• 1025 водородных молекул весят 33,5 г;
• 1025 кислородных частиц имеют массу 531,5 г.

Один моль составляет столько же нейтральных частиц, сколько их есть в 1 грамме водорода, такое положение принимается для удобства химических расчетов. При использовании наименования конструктивные элементы конкретизируются.

Понятия молекулы и моля взаимосвязаны между собой. Второе слово означает число, осязаемое множество и массу, а нейтральная частица рассматривается в качестве маленькой тяжести. Моль рассматривается в виде такого количества, которое можно отнести к понятию большой массы, состоящей из небольших весов отдельных элементов.

Молярная и молекулярная масса применяются не только к субстанциям, которые в основе конструкции имеют молекулы, но и к ионным и атомарным материальным формам.

Использование массы нейтральных частиц

В прошлом веке обнаружился научный факт, что если 2 газа содержатся в емкостях с одним и тем же объемом, то количество молекул остается одинаковым в этих субстанциях при соблюдении идентичного давления и нормальной температуры. Это значит, что важные характеристики тела определяются количеством структурных частиц, а не общим весом.

Количественное значение молярной массы M и показатели относительного молекулярного веса остаются равными, но первый предел измеряется в г/моль или моль, а вторая записывается в молях. Константа Авогадро обеспечивает пропорциональность и позиционирует переход к молярному соотношению.

Для расчета количества структурных элементов используется понятие молярной массы. Оно означает массу, которую составляет 1 моль вещества и получается от произведения молекулярной массы на количественный состав молекул в моле (число Авогардо). Молярная масса, для измерения которой используется единица грамм/ ммоль, является аналогичной по числу с относительным весом нейтральных частиц.

Примеры отмеривания равных молекулярных пропорций:

1. 1 моль воды соответствует 6 х 10²³ молекул Н 2 О.
2. 1 моль хлора — 6 х 10²³ атомов Fe.
3. 1 моль ионов хлора — 6 х 10²³ ионов Cl.
4. 1 моль хлора — 6 х 10²³ молекул Cl 2.
5. 1 моль электронов е^– — 6 х 10²³ электронов е^–.

Разница между молярной и молекулярной массой заключается в том, что они одинаковы в численном соотношении, но отличаются постоянной размерностью. Используется суммирование молярных масс составляющих элементов смеси для нахождения этой величины у многокомпонентных соединений. Для расчета молярной массы воды применяется калькулятор: М (Н 2 О) = М (О) + М (Н) = (16 + 2^.1) = 18 моль.

Показатель относительного веса

Относительная молекулярная масса представляет собой вес молекулы, который выражается в атомных единицах. В расчетах используются не абсолютные веса, а относительные, т. к. масса молекулы очень мала. Например, молекула воды весит 3.10~26 кг, и частицы остальных веществ имеют значения подобного порядка. Нахождение показателя можно провести онлайн в соответствии с международными стандартами, которые сравнивают массы структурных элементов с 1/12 долей веса углеродного атома.

Успешное решение задачи связывается с тем, что углекислый газ является компонентом различных химических веществ. Принимается, что 1 атомная единица (1 а. е. м) соответствует весу водородного атома. Относительный атомный вес рассчитывается как масса неделимой частицы, выраженная в атомных единицах, при этом значение показателя берется из таблицы Д. И. Менделеева.

Относительные молекулярные массы сложных соединений находятся суммированием аналогичных показателей веса составляющих компонентов. Для подсчета требуется знание химической формулы и значение относительных атомных масс входящих элементов.

Например, молекулярный вес метана СН 4 равен 16 а. е. м (4+12), значит, при горении вещества применяется формула 2О + СН 4 = СО 2 + 2Н 2 О. Из 1 моля метана выходит 2 единицы воды, при этом 16 г газа служит для получения 36 г воды (пропорциональное соответствие).

Химические реакции

При реакции горения метана на каждую молекулу вещества требуется использовать 2 частицы кислорода. Но в условиях открытого воздуха содержание кислорода всегда является достаточным для прохождения реакции. В ограниченных условиях подводных или космических работ требуется точное определение количества вещества и молекул реагентов. Например, если в топку космического агрегата попадает больше кислорода, чем требуется, то снижается тяга и перерасходуется топливо.

Примеры использования относительного веса в реакциях:

1. Сероводород имеет формулу H 2 S. Молекулярная масса его частицы рассчитывается в виде суммы относительных масс атомов, являющихся компонентами M r (H 2 S) = A r (S) + 2· Ar (H). Для расчета молекулярной массы используется уравнение Mr (H 2 S) = 2х1+32 = 2+32 = 34.
2. Гелий в нормальных обстоятельствах работает, как идеальный газ, поэтому значение молярной массы рассчитывается по формуле Клайперона — Менделеева pV = mRT /М, где p — давление газа, V — объем, M — масса субстанции, Т — значение абсолютной температуры, R — постоянная константа, составляет 8,3.
3. Серная кислота применяется в виде двухосновной сильной кислоты H 2 SO 4. Она отвечает за степень серного окисления. В технических реакциях используется смесь с водой и ангидридом серы S О 3. Молярная масса составляет 98,08 ± 0,006 г/миллимоль.

Химики применяют такие пропорции взаимодействия, которые имеют в составе равное число молекул для удобства работы. Точность весов в лаборатории составляет 1 мг, поэтому получается, что 1 млн молекул не всегда удается взвесить. Значит, выбирается не миллион, а другая порция, в которой число n больше этого количества.

Подсчет количества элементов

Примером простой реакции, когда в результате взаимодействия двух продуктов образовывается третья субстанция, является формула А + Б = В. Остается решить весовое количество веществ А и Б, чтобы хватило для реагирования и не осталось исходных материалов, в ином случае продукт В будет загрязнен одним из начальных компонентов.

В качестве примера подходит реакция с участием кальция: Н 2 О + С а О = С а (ОН) 2. Если простейшие формы А и Б состоят из различных атомных наборов Н 2 О и С а О, которые отличаются по весу. Соответственно, в них содержится неодинаковое число частиц, при реакции часть из них не будет использована. Если берется пропорция С а О с содержанием N молекул и порция воды с N частиц, то после взаимодействия не останется никаких веществ и получится количество N молекул.

Отсчет невидимых молекул можно выполнить с помощью взвешивания вещества, для этого требуется вес одной частицы. На весы помещается определенное количество субстанции в граммах, чтобы отмерить требуемое число молекул. Для определения величины вещества в граммах требуется сложить вес составляющих атомов, показатели которых приводятся в периодической таблице.

Атомный вес кальция составляет 40 а. е. м, кислорода — 16 а. е. м, значит, молекулярный вес Са О будет 56 а. е. м. (40+16). Неудобно брать малые количества, например, по 10 молекул субстанции для проведения реакции, поэтому нужно взвесить по миллиону структурных частиц каждого компонента. Для этого высчитывается вес будущей порции, для удобства делается переход из килограммов в граммы, при этом вес 1 а. е. м составляет 1,67х10^-24 г. Для подсчета веса умножается это число на 56, получается 56х (1,67^-24г) = 93,5х10^-24.

Чтобы получить вес, который должен быть на весах, полученный результат умножается на миллион молекул, возникает результат 93,5х10^-18 г. При увеличении количества оксида кальция и воды в одинаковое число раз порции частиц возрастают пропорционально, например, 0,1 моль кальция прореагирует с 0,1 молем воды, увеличение кальция до 10 моль потребует повышения числа моль воды также до 10.

Константа Авогадро для газов

Закон Авогадро всегда точно выполняется как для газов в идеальном состоянии, так и для реальных газообразных смесей. Для последних субстанций понятие моля выражается в том, что любой объем газа всегда соответствует определенному количеству молекул. Примером служит реакция, где из аммиака и хлористого водорода выходит аммония хлорид в форме кристаллической твердой субстанции: NH 3 (газ) + HCL (газ) = NH 4 CL (крист.).

Для реагирования требуются одинаковые объемы газообразных веществ, т. к. после окончания реакции не должно оставаться избытка:

1. В результате проведения опыта в замкнутом пространстве выяснилось, что при взрыве нужно 2 части водорода и одна порция кислорода, при этом получается 2 объема водяных паров в газовой консистенции О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О (все субстанции в виде газа).
2. Одна порция водорода при реакции с 1 частью хлора преобразовывается в хлористый водород Cl 2 + H 2 = 2 HCL (все компоненты в газообразной форме).

Выводом из этого эксперимента следует то, что газы вступают в реакцию, и требуется объемные отношения с применением целочисленных показателей. Частицы в газе не связываются прочными контактами в отличие от атомов твердых субстанций. Занимаемый объем в похожих условиях зависит от количества молекул, но не от определенного типа газа. Исходя из этого положения, равные объемы газообразных субстанций всегда реагируют друг с другом без остатка.