Гази (від французького gaz — цю наз-ву запропонував голландський учений Я. Б. Гельмонт) – агрегатний стан речовини, у якому її частки не зв’язані або доволі слабко зв’язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий їм об’єм.
Речовини в газоподібному стані широко розповсюджені в природі. Гази утворюють атмосферу Землі, у значних кількостях містяться у твердих земних породах, розчинені у воді океанів, морів та річок. Сонце, зірки, хмари міжзоряної речовини складаються з газів — нейтральних або іонізованих (плазми).
І. Особливості газуватого агрегатного стану речовини
Гази цікавили багатьох учених, які на основі вивчення їхніх властивостей відкрили закони: Закон об’ємних відношень (Гей-Люссак), Закон Авогадро (А. Авогадро), Закон Менделєєва-Клапейрона, Закон Дальтона.
Гази володіють низкою характерних властивостей. Вони повністю заповнюють судину, в якій знаходяться, і набувають форми судини. На відміну від твердих тіл і рідин, об’єм газів істотно залежить від тиску і температури. Коефіцієнт об’ємного розширення газів у звичайних умовах (0—100 °С) на два порядки вищий, ніж у рідин. У газів є унікальна властивість проникати крізь найтонші мембрани — це дифузія. На основі дифузії досліджено явища осмосу і діалізу в рідинах, які в нашому організмі відіграють величезну роль. Закон про дифузію газів відкрив Т. Грем у ХХ столітті. Важко переоцінити внесок вчених-хіміків у хімічну науку, а ще важче уявити сучасне життя, медицину без знань про газові закони.
Наприклад, процес дихання — це дифузія. Газообмін у легенях можливий тільки за рахунок дифузії кисню з повітря крізь мембрани легеневих пухирців у крові, а вуглекислого газу — з крові в повітря. Апарат «штучне серце-легені» працює також на основі закону про дифузію, а апарат «штучна нирка» застосовується в клініках при захворюваннях органів виділення. Цей апарат призначено для очищення крові від шкідливих продуктів життєдіяльності людини (гемодіаліз).
Будь-яку речовину можна перевести в газоподібний стан належним підбором тиску і температури. Тому можливу область існування газу зручно позначати: тиск — Р , температура — Т , об’єм — V.
ІІ. Молекулярно-кінетична теорія
У другій половині ХІХ століття Л. Больцман, Дж. Максвел та інші вчені пояснювали більшість властивостей газів на підставі нескладної теорії поведінки газових молекул, яку тепер називають молекулярно-кінетичною, і яка ґрунтується на основних положеннях.
Положення молекулярно-кінетичної теорії
- Будь-який газ складається з молекул, які перебувають одна від одної на відстані, що значно більша за їхні власні розміри. Тобто можна умовно розглядати молекули як надзвичайно крихітні тверді кульки.
- Молекули газу постійно перебувають у стані хаотичного руху, який переривається тільки зіткненням молекул між собою і зі стінками посудини.
- 3 Взаємодія молекул між собою і зі стінками посудини виявляється у вигляді поштовху під час зіткнення. Ці співудари є пружними, тобто не супроводжуються затратами енергії на тертя.
Д. І. Менделєєв вважав кінетичну теорію газів блискучим надбанням останньої половини ХІХ століття, тому що вона демонструє важливість розуміння явищ природи, показує тісний взаємозв’язок між природничими науками, а саме фізикою, хімією, математикою. Як бачимо, хімія і фізика перебувають у тісному зв’язку, і в цьому ми ще не раз переконаємося. Багато речовин за нормальних умов перебувають у газоподібному стані. При розв’язуванні задач в умові це вказують як (н.у.)
Що ж це таке – нормальні умови?
ІІІ. Газуваті речовини підпорядковуються газовим законам (таблиця)
ІV. Приклади задач на газові закони (додаток)
Нормальні умови
- Це температура t = 0 °C
- Тиск Р = 1,01325·105 Па = 101,325 кПа = 1 атм = 760 мм рт. ст.
- У системі одиниць СІ тиск Р вимірюється в Па, об’єм V в — м3 (кПа — л)
- 1 Па = 1Н/м2 = 1 Дж/м3
- 1 моль/л = 1 кмоль / м3 = 103 моль / м3
Що ж це таке – стандартні умови?
- Це температура t = 25 °C (20 °C)
- Тиск Р = 1,01325·105 Па
Що ж це таке – сталі величини?
- R — універсальна газова стала = 8,314 Дж/(К·моль) = 0,082 л·атм/(К·моль) = 62360мл·мм рт. ст./моль·К
- Т = t °C +273 °К
- RT = 2,4789 (кДж/моль) (за 298 °К)
Розв’язок задач
1.1. Спочатку знайдемо, скільки літрів чистого озону та чистого кисню міститься у суміші.
1) 2 · 0,05 = 0,1(л) — об’єм озону;
2) 2 – 0,1 = 1,9(л) — об’єм кисню;
3) При нагріванні озон розкладається згідно з рівнянням реакції : 2О3 = 3О2;
4) Визначимо об’єм кисню, що утвориться при розкладанні 0,1 л озону. V(О2) = = 0,15 (л).
5) Загальний об’єм кисню становитиме V(О2) =
= 1,9 + 0,15 = 2,05 (л).
6) За рівнянням реакції горіння водню 2Н2 + О2 =
= 2Н2О випливає:
V(H2) = 2V(O2) = 2∙2,05 = 4,1 (л).
Відповідь: V(H2) = 4,1 (л).
2.1. Спочатку запишемо основні формули:
На основі наслідку із закону Авогадро ми знаємо, що 1 моль будь-якого газу при незмінних нормальних умовах займатиме об’єм 22,4 л.
Об’єм 1 моль газу називають молярним об’ємом і позначають Vm.
Молярний об’єм — це фізична величина, що дорівнює відношенню об’єму газу до відповідної кількості речовини цього газу.
Vm = V/n; [V] = л, [n] = моль, отже
[Vm] = л/моль.
Знаючи молярний об’єм газу, можна визначати кількість речовини, об’єм будь-якої кількості речовини та кількість структурних частинок у певному об’ємі газу.
З формули Vm = V/n → n = V/Vm, або n = V/22,4.
Знаючи, що N = NA∙n, можемо записати:
N = NA∙V/22,4.
n = m/M = N/NA = V/Vm
М = m∙Vm / V; φ = V(речовини) / V(суміші) (у %)
Згідно з формулою М(Суміші) = 1,43 ∙ 22,4 = 32,03 (г/моль).
1) Припустимо, що 1 моль суміші, що містить
х моль СО та (1‑х) моль СО2.
2) При М(СО) = 28 г/моль, М(СО2) = 44 г/моль складаємо рівняння:
32,03 = 28х + 44 – 44 х
х = 0,7481 (моль).
Тоді , n(СО2) = 1 – 0,7481 = 0,2519 (моль).
φ(СО) = 0,7481/1 = 0,7481 = 74,81%.
φ(СО2) = 100 – 74,81 = 25,19%.
Відповідь: φ(СО) = 74,81%; φ(СО2) = 25,19%.
3.1. Спочатку запишемо основні формули:
n = m/M = N/NA = V/Vm; m/M = V/Vm
1) З формули PV/T = P0V0/T0 обчислимо об’єм газової суміші за нормальних умов. V(суміші) =
= 273∙3,75∙5,28/300 = 18,02 л.
2) Припустимо, що у вихідній суміші містилось
х л СО та (18,02 – х) л СН4.
3) n(СО) = х / 22,4 (моль); n(СН4) = 18,02 –
– x / 22,4 (моль).
4) m(CO) = 28x / 22,4 = 1,25х (г); m(СН4) = 16 ´
´ (18,05 – х) / 22,4 = (12,87 – 0,7143х) г.
5) Тепер можна записати рівняння та знайти х: 19,4 = 1,25х + 12,87 – 0,7143х; звідки х = 12,19 (л).
6) V(СН4) = V(суміші) – V(СО); V(СН4) = 18,02 – 12,19 =
= 5,83 (л).
7) Складемо рівняння горіння метану та карбон(ІІ )оксиду:
№ 1 СН4 + 2О2 = СО2 + = 2Н2О
№ 2 2СО + О2 = 2СО2
8) За рівнянням № 1 — V (О2) = 2∙ 5,83 = 11,66 (л);
9) За рівнянням № 2 — V (О2) = 1/2 ∙ 12, 19 =
= 6,095 (л)
10) Загальний об’єм кисню складатиме Vзаг.(О2) =
= 11,66 + 6,095 = 17,755 (л).
11) Тоді об’єм повітря (у якому об’ємна частка кисню — 21%) становитиме 17,755 / 0,21 = 84,5 (л).
Відповідь: Vповітря = 84,5 (л).
4.1. Складаємо рівняння реакцій, враховуючи, що з хлоридною кислотою реагує лише цинк.
1) Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑
2) За рівнянням реакції визначаємо кількість речовини цинку та водню: n(Zn) = 1 моль; n(H2) = 1 моль.
3) Переводимо тиск у Па, складаючи пропорцію
760 мм рт ст = 101 325Па
740 мм рт ст — х Па;
х = 99658,55 Па.
4) За рівнянням Менделєєва-Клапейрона:
n(H2) = PV/RT = 99658,55 Па · 720·10‑6м3 / 8,314 Дж / (моль·К) · (273 + 27)К = 0,0285 моль.
5) За рівнянням рекції n(Zn) = n(H2) = 1:1 =
= 0,0285 моль.
6) Маса цинку у вихідній суміші:
m(Zn) = M(Zn) · n(Zn) = 65 г/моль ·0,0285моль =
= 1,85 г.
а) w(Zn) = m (Zn)/ m (Zn, Cu) = 1,85 / 2 = 0,925 або 92,5 %.
б) w(Cu) = 100% – 92,5% = 7,5%.
Відповідь: w(Zn) = 92,5%; w (Cu) = 7,5%.
Використані джерела
- Голуб О. А. Українська номенклатура в неорганічній хімії. К.: КУ, 1992.
- Кириченко В. І. Загальна хімія. К.: Вища шк., 2005.
- Рейтер Л. Г., Степаненко О. М., Басов В. П. Теоретичні розділи загальної хімії. К.: Каравела, 2003.
- Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія. Київ: Вищ. шк., 1998.
- Телегус В. С., Бодак О. І., Заречнюк О. С. Основи загальної хімії. Л.:Світ, 2000.
Зоя Левченко, учителька хімії вищої категорії
Сумської ЗОШ № 20
газета “Хімія.Шкільний світ”, №3 березень 2018
