Газовые законы в химии

Многие вещества (кислород, водород, азот, углекислый газ, аммиак и др.) существуют в газообразном состоянии. Состояние газа описывается определенными законами. Экспериментально установлено, что все газы (при постоянной температуре) одинаково сжимаются (закон Бойля-Мариотта: PV = constилиР₁V₁ = P₂V₂ ) и обладают одинаковым термическим коэффициентом расширения (законы Гей-Люссака и Шарля: constпри постоянном давлении и = const при постоянном объеме ). Сочетание этих законов находит свое выражение в уравнении Клапейрона:

Уравнение Клапейрона используется для приведения объемов газов от одних условий (температуры и давления) к другим.

На основе этих газовых законов и своих наблюдений Авогадро сформулировал следующий закон (1811): в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

Если взять 1 моль любого газа, то легко убедиться измерением объемов, что при нормальных условиях он займет объем 22,4 л. Это мольный ( или молярный ) объем газа. Эта постоянная величина, обозначается V_m, единича измерения – л/моль.

Нормальные условия в Международной системе единиц (СИ): давление 1,013×10⁵ Па (в других единицах давления это 760 мм рт.ст. или 1 атм.); температура 273 К (0 ºС).

Если условия отличаются от нормальных, мольный объём имеет другое значение, для расчетов которого можно воспользоваться уравнением Клапейрона–Менделеева:

,

где Р - давление газа, V - объем, m - масса газа, М - молярная масса, Т - температура (К), R - молярная (универсальная) газовая постоянная, численное выражение которой зависит от единиц, определяющих объем газа и его давление.

В системе СИ: R = 8,314 Дж/моль·К или 8,314 Па×м³/ моль×К.

Для внесистемных единиц измерения давления и объема величина R имеет значения:

R = 62400 мм рт. ст.×мл/моль×К; R = 0,082 атм×л/моль×К; R = 1,99 кал/моль·К.

Газовые законы сыграли большую роль в установлении атомно-молекулярного учения и в разработке молекулярно-кинетической теории газов. В настоящее время они широко используются в химических расчетах, когда в реакциях участвуют и (или) образуются газообразные вещества.

Пример 4. Найти массу 200 л хлора при н.у.

Решение. 1 моль газообразного хлора (Сl₂) имеет массу 71 г и занимает объем 22,4 л. Составляем и решаем пропорцию:

71 г - 22,4 л

Х г - 200 л Х = 200∙71/ 22,4 = 633,2 г.