4.3.2. Расчеты объемных отношений газов при химических реакциях.
Закон Авогадро:
Равные объемы любых газов в одних и тех же условиях содержат одинаковое число молекул.
Следствием из этого закона является то, что объемы газов, вступающих в химическую реакцию, а также образующихся в результате нее, относятся друг к другу так же, как коэффициенты перед этими же веществами в уравнении реакции.
Так, например, если мы рассмотрим реакцию:
N2 + 3H2 = 2NH3
то окажется, что объемы азота и водорода, вступающих в реакцию, а также объем аммиака, образующийся в результате нее, всегда относятся друг другу как соответствующие коэффициенты в уравнении:
V(N2) : V(H2) : V(NH3) = k(N2) : k(H2) : k(NH3) = 1 : 3 : 2
Пример 1
В результате обжига пирита в кислороде было получено 20 литров газообразного продукта. Каков объем потребовавшегося для этого кислорода?
Решение:
В задачах на объемные отношения газов нередко возникает ошибка в написании уравнения реакции, в частности, в расстановке коэффициентов. Записываем уравнение взаимодействия пирита с кислородом:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2↑
Как уже было сказано, объемы газов, вступающих в химическую реакцию, а также образующихся в результате нее, относятся друг к другу так же, как коэффициенты перед этими же веществами в уравнении реакции. Поэтому мы можем записать:
Следовательно:
Ответ: V(O2) = 27,5 л
Пример 2
Какой объем водорода теоретически должен понадобиться для синтеза 50 л аммиака, если объемы газов измерены при одинаковых условиях?
Решение:
Запишем уравнение реакции:
N2 + 3H2 = 2NH3
Так как условия одинаковы, то объем водорода, вступившего в реакцию, относится к объему образовавшегося аммиака так же, как соответствующие коэффициенты в уравнении:
Следовательно:
Ответ: V(H2) = 75 л.
Пример 3
При нагревании нитрата серебра выделилось 6 л газов. Какой объем оксида азота образовался при этом?
Решение:
Запишем уравнение реакции разложения нитрата серебра:
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
Исходя из следствия закона Авогадро:
Т.е.
Из условия:
Т.е. мы получили систему из двух уравнений:
Следовательно:
Ответ: V(NO2) = 4 л
Расчёты объёмных отношений газов
при химических реакциях
Элемент ЕГЭ: 4.3.3. Расчёты объёмных отношений газов при химических реакциях.
Расчёты объёмных отношений газов при химических реакциях основаны на законе Гей-Люссака (химический закон объёмных отношений). В англоязычной литературе закон Гей-Люссака обычно называют законом Шарля.
Закон Гей-Люссака — закон пропорциональной зависимости объёма газа от абсолютной температуры при постоянном давлении (то есть в изобарном процессе), названный в честь французского физика и химика Жозефа Луи Гей-Люссака. Математически закон выражается следующим образом: V ∼ T или V/T = const, P = const, где V — объём газа, T — температура, P — давление.
Если известно состояние газа при неизменном давлении и двух разных температурах, закон может быть записан в следующей форме: V1 : T1 = V2 : T2 или V1T2 = V2T1.
В результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка. Число атомов (в отличие от молекул) до реакции и после ее протекания остается неизменным. Это учитывается с помощью стехиометрических коэффициентов в уравнениях химических реакций.
Коэффициенты в уравнениях реакций показывают числа объемов реагирующих и образовавшихся газообразных веществ. Например: 2 объема водорода и 1 объем кислорода дают 2 объема водяного пара:
2H2 + O2 = 2H2O.
В реакции, уравнение которой 3Н2 + N2 = 2NH3, объемы реагирующих азота и водорода и объем образовавшегося аммиака связаны следующим соотношением:
V(Н2) : V(N2) : V(NH3) = 3 : 2 : 1
Однако эти соотношения выполняются только между веществами, участвующими в одной и той же химической реакции. Если реагент участвует в двух параллельных реакциях, то его количества веществ в этих реакциях никак не связаны друг с другом и могут находиться в любых соотношениях.
Следствие из закона Авогадро. При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. Объем газа количеством 1 моль, измеренный при н. у., называют молярным объемом и обозначают Vm. Следовательно: n = V : Vm, где V — объем газа, n — количество газа. Молярный объем газообразных веществ выражается в л/моль: Vm = 22,4 л/моль.
Обозначения: V – объем; Р – давление; Т – температура; n – количество вещества; m – масса вещества; М – молярная масса вещества; R – универсальная газовая постоянная.
R = 8,314 Дж/(К•моль) = 0,08205 л•атм/(К•моль).
Нормальные условия: 0 °С и 1,013 • 105 Па.
Нормальное давление: 1,013 • 105 Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
на Расчёты объёмных отношений газов
Задача № 1.
Какой объём аммиака получится, если в реакцию синтеза вступает азот объёмом 10 м3 (объёмы всех газов измерялись при одинаковых условиях)?
Правильный ОТВЕТ: V(NH3) = 20 м3.
Смотреть РЕШЕНИЕ задачи в тетради
Задача № 2.
Найдите массу 33,6 м3 аммиака NH3 при н. у.
Правильный ОТВЕТ: m(NH3) = 25,5 кг.
Смотреть РЕШЕНИЯ заданий в тетради
Задача № 3.
Как изменится объем определенного количества газа при увеличений давления от 1,013 • 105 Па до 2,026 • 105 Па (температура при этом остается постоянной)?
Правильный ОТВЕТ: уменьшится в 2 раза.
Смотреть указания к решению
Задача № 4.
Как изменится объем определенного количества газа при нагревании от 20 до 40 °С при постоянном давлении?
Правильный ОТВЕТ: увеличится в 1,07 раз.
Смотреть указания к решению
Задача № 5.
Образец газа при 0 °С и давлении 1,013 • 105 Па занимает объем 22,4 л. Какой объем он будет занимать: а) при 25 °С и 1,52 • 105 Па ; б) 50 °С и 2,53 • 105 Па; в) 100 °С и 1,013 • 106 Па ?
Правильный ОТВЕТ: а) 16,3 л; б) 10,6 л; в) 3,06 л.
Смотреть указания к решению
Задача № 6.
Водяной пар при 100 °С и давлении 1,013 • 105 Па занимает объем 200 см3. Приведите его объем к нормальным условиям.
Правильный ОТВЕТ: 146 см3
Смотреть указания к решению
Задачи с ответами
на Расчёты объёмных отношений газов
Задача № 7.
При взаимодействии серы с водой при температуре > 400 °С образовалось 2 л сероводорода. Определите объем (л) второго продукта реакции. (Записывайте ответ с точностью до десятых.)
Правильный ОТВЕТ: 1,0 л.
Задача № 8.
При сжигании сероводорода истрачено 6 л кислорода. Определите объем (л) образовавшегося диоксида серы.
Правильный ОТВЕТ: 4,0 л.
Задача № 9.
Рассчитайте объем (л) кислорода, необходимого для окисления 4 л аммиака до азота (при сжигании).
Правильный ОТВЕТ: 3,0 л.
Задача № 10.
Рассчитайте объем (л) порции аммиака, полученной взаимодействием 10,08 л водорода с избытком азота.
Правильный ОТВЕТ: 6,72 л.
(с) В учебных целях использованы цитаты из пособий: «Химия / Н. Э. Варавва, О. В. Мешкова. — Москва, Эксмо (ЕГЭ. Экспресс-подготовка)» и «Химия : Новый полный справочник для подготовки к ЕГЭ / Е.В. Савинкина. — Москва, Издательство АСТ».
Вы смотрели Справочник по химии «Расчёты объёмных отношений газов при химических реакциях». Выберите дальнейшее действие:
- Перейти к Списку конспектов по химии (по классам)
- Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии
Законов в химии большое множество. В этой статье собраны и объяснены наиболее важные, для того, чтобы вы
понимали основы химии и могли успешно решать задачи.
Вы увидите множество примеров по ходу данной статьи, обратите внимание на то, что все реакции уравнены. Это
необходимое условие для решения задач.
Закон сохранения массы веществ
Гласит о том, что масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Бесспорно, данный
закон служит фундаментом решения любой химической задачи.
Массы исходных веществ и продуктов всегда будут одинаковы. Если в результате реакции образуется газ, вы можете найти количества
вещества газа и посчитать его массу. Этот закон не имеет исключений.
Объем газа легко перевести в массу, например, найдем массу
32 литров кислорода:
ν (O2) = V(O2) : VM = 32 литра : 22.4 литра/моль = 1.43 моль
m (O2) = ν(O2) × M(O2) = 1.43 моль × 32 грамм/моль = 45.76 грамм
Очевидно, что выделение газа не нарушает закон сохранения масс, напротив – является его подтверждением. Моль в химии – замечательный
посредник, который помогает переводить литры в граммы, или наоборот.
Иногда, только вспомнив про закон сохранения масс, вы можете найти массу нужного вещества для решения задачи. Представим такое задание:
Неизвестное вещество массой 124 грамма полностью прореагировало с водой, при этом образовалась соль массой 140 грамм и спирт массой 30 грамм.
… здесь много-много текста… Найдите неизвестное вещество.
Это сильно сокращенный пример задания 🙂 Решение это задачи основано на законе сохранения масс. Нам известно все необходимое,
чтобы посчитать массу воды.
Посчитав массу воды, в дальнейшем мы найдем количество вещества воды и сможем перейти к остальным веществам в задачке (не пытайтесь ее решить
до конца, она составлена мной для примера экспромтом 🙂
Мне доводилось видеть, как в сложных задачках ученики забывали об этом законе, ведь он кажется таким очевидным и простым. Не забывайте про него,
будьте уверены – он вам пригодится 😉
Закон объемных отношений газов
Установлен Ж. Л. Гей-Люссаком в 1808 году. Закон гласит о том, что при постоянном давлении и температуре объемы газов, вступающих в химическую реакцию, находятся
в простых отношениях друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции, то есть отношение объемов, в которых газы участвуют в реакции, соответствует
отношению небольших целых чисел.
Попытаемся быть чуть проще в трактовке закона, его суть в том, что объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу как стехиометрические
коэффициенты (простые числа).
Наглядно посмотрим на примеры, которые демонстрируют данный закон:
Объемы газов могут быть не равны между собой, как в реакции выше: 3 газа слева и 2 газа справа. Не существует “закона равности объемов газов”, существует
только закон сохранения массы, который не противоречит разности объемов газов, наоборот только подтверждает ее, так как данный закон выполняется.
Самостоятельно посчитайте, какое количество аммиака может образоваться при участии 15 литров азота в реакции: N2 + 3H2 = 2NH3.
Решение найдете ниже.
Иногда газов в реакции бывает избыточно, и не все они реагирую полностью. Представим следующую задачу: в синтезе аммиака участвовало 10 литров
водорода и 20 литров азота. Найдите объем образующегося аммиака и избыток газа, который не вступит в реакцию.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Объёмные отношения газов при химических реакциях. Относительная плотность газов
I. Закон объемных отношений
“Объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа”.
Следствие. Стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.
V1:V2:V3 = ν1:ν2:ν3.
Примеры:
2CO + O2 → 2CO2
При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.
V(CO):V(О2):V(CO2) = ν(CO):ν(О2):ν(CO2) = 2 : 1 : 2
При синтезе аммиака из элементов:
N2 + 3H2 → 2NH3
Один объем азота реагирует с тремя объемами водорода; образуется при этом 2 объема аммиака – объем исходной газообразной реакционной массы уменьшится в 2 раза.
V(N2):V(H2):V(NH3) = ν(N2):ν(H2):ν(NH3) = 1 : 3 : 2
II. Решите задачу по образцу
Вычислите объём кислорода, который потребуется для сжигания 5 м3 метана СН4н.у.?
Образец:
Какой объём кислорода (н.у.) потребуется для полного сгорания 10 м3 пропана С3Н8 (н.у.)?
|
Дано: V(С3Н8) = 10 м3 |
Решение: 1. Запишем УХР С3Н8 +5О2 → 3СО2+ 4Н2О 1моль 5моль 2. Согласно закону объёмных отношений для газов: V(С3Н8):V(О2) = ν(С3Н8):ν(О2) = 1 : 5 10 м3 :V(О2) = 1 : 5 V(О2) = (10 · 5) /1= 50 м3 Ответ: для сжигания 10 м3 пропана потребуется 50 м3 кислорода. |
|
Найти: V(О2) = ? |
III. Относительная плотность газов
Закон Авогадро: в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. (1811 г, итальянский учёный Амедео Авогадро)
Cледствия из закона Авогадро:
2 следствие:
Отношение масс одинаковых объёмов различных газов при одинаковых условиях равно отношению их молярных масс (поскольку в равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул и, следовательно, одинаковое число молей):
Это отношение называется относительной плотностью D ( или d) одного газа по другому.
D – показывает во сколько раз один газ тяжелее или легче другого и является безразмерной величиной.
Например,
DO2 (газа)= Mr(газа)/Mr(O2)=Mr(газа)/32;
DH2 (газа)= Mr(газа)/Mr(H2)=Mr(газа)/2;
Dвоздуха (газа)= Mr(газа)/Mr(воздуха)=Mr(газа)/29.
Задача
Образец: Найдите относительную плотность газа N2 по воздуху?
|
Дано: N2 М(воздуха) = 29 |
Решение: Dвоздуха (N2)= Mr(N2)/Mr(воздуха)=Mr(N2)/29. Mr(N2) = 2·Ar(N) = 2· 14 = 28 г/моль Dвоздуха (N2)= Mr(N2)/Mr(воздуха)=Mr(N2)/29=28/29= 0,97 |
|
Найти: Dвоздух – ? |
Ответ: газ азот легче воздуха в 0,97 раз Dвоздуха (N2)= 0,97 |
Задачи для самостоятельного решения
- Найдите относительную плотность газа О2 по водороду?
- Найдите относительную плотность газа СО2 по воздуху?
Решите задачуи для закрепления:
- Относительная плотность газа этана по водороду равна 15. Найдите молярную массу этана.
- Найдите относительную плотность газов по воздуху следующих газов: О2, Аr.
- Параграф 39
- Стр. 130 упр. 2,3 (письменно); тест
Команда “Газы!” была объявлена еще две недели назад. И что?! Легкие задачи порешали и расслабились?! Или вы думаете, что задачи на газы касаются только 28-х заданий ЕГЭ?! Как бы не так! Если газов пока еще не было в 34-х заданиях, это ничего не значит! Задач на электролиз тоже не было в ЕГЭ до 2018 года. А потом как врезали, мама не горюй! Обязательно прочитайте мою статью “Тайны задач по химии? Тяжело в учении – легко в бою!”. В этой статье очень подробно рассказывается о новых фишках на электролиз. Статья вызвала шквал самых разных эмоций у преподавателей химии. До сих пор мне и пишут, и звонят, и благодарят, и бьются в конвульсиях. Просто цирк с конями, в котором я – зритель в первом ряду.
Однако, вернемся к нашим баранам, вернее, Газам. Я прошла через огонь и воду вступительных экзаменов и знаю точно – хочешь завалить абитуриента, дай ему задачу на Газы. Почитайте на досуге сборник задач И.Ю. Белавина. Я процитирую одну такую “мозгобойню”, чтобы вам жизнь медом не казалась. Попробуйте решить.
И.Ю. Белавин, 2005, задача 229
“Два из трех газов (сероводород, водород и кислород) смешали и получили газовую смесь, плотность которой оказалась равной плотности оставшегося газа. Полученную газовую смесь вместе с равным ей объемом третьего газа под давлением поместили в замкнутый сосуд емкостью 4 л, содержавший азот при н.у. и нагревали при 600 С до окончания химических реакций, затем постепенно охладили. Определите массы веществ, содержавшихся в сосуде после охлаждения, если плотность газовой смеси в сосуде перед нагреванием равнялась 9,25г/л. (Ответ: m(S) = 7,5 г, m(SO2) = 15 г, m(Н2О) = 9 г)”
Ну как, решили? Нет?! А ваши репетиторы?! Извините, это был риторический вопрос. Кстати, мои ученики, абитуриенты 2003-2008 гг. такие задачи щелкали, как семечки, на экзаменах во 2-й медицинский (теперь РНИМУ им. Н.И. Пирогова). Надеюсь, вам понятно, что 34-м задачам ЕГЭ еще есть куда усложняться, perfectio interminatus est (нет предела совершенству), с газами нужно работать, работать и работать. Поэтому команду “Газы!” отменять рано. Итак, поехали!
Сегодня мы поговорим о газовых смесях, затронем понятие плотности газа (абсолютной и относительной), средней молярной массы, решим задачи: определение средней молярной массы и плотности газа по компонентам смеси и наоборот.
• Газовая смесь – смесь отдельных газов НЕ вступающих между собой в химические реакции. К смесям газов относятся: воздух (состоит из азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и др.), природный газ (смесь предельных и непредельных углеводородов, оксида углерода, водорода, сероводорода, азота, кислорода, углекислого газа и др.), дымовые газы (содержат азот, углекислый газ, пары воды, сернистый газ и др.) и др.
• Объемная доля – отношение объема данного газа к общему объему смеси, показывает, какую часть общего объема смеси занимает данный газ, измеряется в долях единицы или в процентах.
• Мольная доля – отношение количества вещества данного газа к общему количеству вещества смеси газов, измеряется в долях единицы или в процентах.
• Плотность газа (абсолютная) – определяется как отношение массы газа к его объему, единица измерения (г/л). Физический смысл абсолютной плотности газа – масса 1 л, поэтому молярный объем газа (22,4 л при н.у. t° = 0°C, P = 1 атм) имеет массу, численно равную молярной массе.
• Относительная плотность газа (плотность одного газа по другому) – это отношение молярной массы данного газа к молярной массе того газа, по которому она находится
• Средняя молярная масса газа – рассчитывается на основе молярных масс составляющих эту смесь газов и их объемных долей
Настоятельно рекомендую запомнить среднюю молярную массу воздуха Мср(в) = 29 г/моль, в заданиях ЕГЭ часто встречается.
Обязательно посетите страницу моего сайта “Изучаем Х-ОбХ-04. Закон Авогадро. Следствия из закона Авогадро. Нормальные условия. Молярный объем газа. Абсолютная и относительная плотность газа. Закон объемных отношений” и сделайте конспекты по теории. Затем возьмите бумагу и ручку и решайте задачи вместе со мной.
ВАНГУЮ: чует мое сердце, что ЕГЭ по химии 2019 года устроит нам газовую атаку, а противогазы не выдаст!
Задача 1
Определить плотность по азоту газовой смеси, состоящей из 30% кислорода, 20% азота и 50% углекислого газа.
Задача 2
Вычислите плотность по водороду газовой смеси, содержащей 0,4 моль СО2, 0,2 моль азота и 1,4 моль кислорода.
Задача 3
5 л смеси азота и водорода имеют относительную плотность по водороду 12. Определить объем каждого газа в смеси.
Несколько задач со страницы моего сайта
Задача 4
Плотность по водороду пропан-бутановой смеси равна 23,5. Определите объемные доли пропана и бутана
Задача 5
Газообразный алкан объемом 8 л (н.у.) имеет массу 14,28 г. Чему равна его плотность по воздуху
Задача 6
Плотность паров альдегида по метану равна 2,75. Определите альдегид
Ну как? Пошло дело? Если туго, вернитесь к задачам и решайте их самостоятельно до тех пор, пока не щелкнет! А для стимуляции – десерт в виде еще одной задачи И.Ю. Белавина на газы. Наслаждайтесь ее решением самостоятельно!
И.Ю. Белавин, 2005, задача 202
“Сосуд емкостью 5,6 л при н.у. заполнили метаном, затем нагрели до высокой температуры, в результате чего произошло частичное разложение метана. Определите массу образовавшейся сажи, если известно, что после приведения к нормальным условиям объем полученной газовой смеси оказался в 1,6 раза больше объема исходного метана, эта газовая смесь обесцвечивает бромную воду и имеет плотность по воздуху 0,2931. (Ответ: m(C) = 0,6 г)”
Задачи И.Ю. Белавина – это крутой драйв! Попробуйте порешать, и вы откажетесь от просмотра любых ужастиков, поскольку запасетесь адреналином надолго! Но нам нужно спуститься на землю к ЕГЭ, простому и надежному, как первый советский трактор. Кстати, у меня в коллекции припасено немало сюрпризов с газовыми фишками, собранными за все годы работы и бережно хранимыми. Думаю, пришло время сказать им: “И снова здравствуйте!”, поскольку ЕГЭ с каждым годом становится “все чудесатее и чудесатее”. Но это уже совсем другая история. Читайте мои статьи – и вы подстелите соломку под свою ЕГЭшную попу.
Вы готовитесь к ЕГЭ и хотите поступить в медицинский? Обязательно посетите мой сайт Репетитор по химии и биологии http://repetitor-him.ru. Здесь вы найдете огромное количество задач, заданий и теоретического материала, познакомитесь с моими учениками, многие из которых уже давно работают врачами. Позвоните мне +7(903)186-74-55, приходите ко мне на курс, на бесплатные Мастер-классы “Решение задач по химии”. Я с удовольствием вам помогу.
Репетитор по химии и биологии кбн В.Богунова
