Среди веществ с различным агрегатным состоянием необходимо выделить газы, которые играют огромную роль не только в нашей жизни, но в различных технологических процессах. Необходимо помнить, что для количественной характеристики любого газа используют давление, температуру и занимаемый объем. Наиболее часто применяют так называемые нормальные условия (н.у.), которые соответствуют давлению Р=105 Па и температуре Т=273 К.
Согласно закону Авогадро: одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержат одинаковое число молекул.
Большое практическое значение имеет следствие из закона Авогадро: при нормальных условиях (н.у.) один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л.
Объем 22,4 л называют молярным (мольным) объемом газа и обозначают соответственно VM = 22,4 л/моль.
Пример: углекислый газ CO2. Имеем М(CO2) = 44 г/моль. Значит, один моль CO2 имеет массу 44 г и занимает объем (при н.у.), равный 22,4 л, а также содержит в этом объеме 6,02·1023 молекул газа.
Нетрудно показать, что связь между массой m и объемом V конкретного газа при н.у. определяется формулой:
 | (1.3) |
Если условия, в которых находится газ отличается от нормальных, то используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое связывает все основные параметры идеального газа:
 | (1.4) |
где: P - давление газа, Па;
V - объем газа, м3;
m - масса газа, г;
M - мольная масса газа, г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль·К);
T - температура газа, К.
Если мы вернемся к уравнению химической реакции, рассматриваемой в разделе 1.1.1, то, с учетом молярных объемов газов, его можно представить в следующем виде
| 2Н2 | + | О2 | = | 2Н2О(газ) |
| 2 молекулы | 1 молекулы | 2 молекулы | ||
| 200 молекул | 100 молекул | 200 молекул | ||
| 2·6,02·1023 молекул | 1·6,02·1023 молекул | 2·6,02·1023 молекул | ||
| 2 моль | + | 1 моль | = | 2 моль |
| 2·2,24 л | 1·2,24 л | 2·2,24 л | ||
Из приведенного примера видно, что массы газов заменены на мольные объемы. Отсюда следует формулировка закона Дальтона: объемы реагирующих газов и продуктов их реакций относятся друг к другу как небольшие целые числа (коэффициенты уравнения реакции).
На практике часто приходится встречаться со смесью различных газов (например, воздух), В этом случае необходимо применять вышерассмотренные газовые законы для каждого газа в отдельности и затем суммировать полученные величины. При этом пользуются также законом парциальных давлений: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих данную смесь, то есть
| Робщ = Р1 + Р2 + .. + Рп | (1.5) |
Из формулировки закона следует, что парциальное давление представляет собой частичное давление, создаваемое отдельным газом. И действительно, парциальное давление - это такое давление, которое бы создавал данный газ, если бы он один занимал весь объем.
Пример: определить давление газовой смеси, если в объеме 11,2 л при н.у. содержится 4 г Н2, 14 г СО и 56 г N2 .
Решение
Определим с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона парциальные давления каждого из газов, составляющих данную газовую смесь:
Р(Н2) = (m/M)RT/V = (4г/2г/моль)·8,31·273К/0,0112мз = 4·105 Па,
Р(СО) = (14г/28г/моль)·8,31·273К/0,0112мз = 105 Па,
Р(N2) = (56г/28г/моль)·8,31·273К/0,0112мз = 4·105 Па.
Общее давление газовой смеси равно:
Робщ = Р(Н2) + Р(СО) + Р(N2) = 9·105 Па
Величина парциального давления определяется несколькими способами, но наиболее часто встречающийся практически способ основан на использовании формулы
 | (1.6) |
где А - содержание данного газа в газовой смеси в объемных %.
Пример: определить массу кислорода О2, содержащегося в 1 мз воздуха при нормальных условиях, если процентное содержание кислорода в воздухе составляет 21об.%
Решение
Парциальное давление О2 в воздухе определяем по формуле
Р(О2) = 105Па·21%/100% = 0,21·105Па
Отсюда, согласно уравнения Менделеева-Клапейрона
m(O2) = PVM/RT = (0,21·105Па·1мз·32г/моль)/8,31·273К = 297 г
Рассмотрим возможность учета изменения объема или давления при протекании химической реакции, в которой участвуют или образуются газообразные продукты. Для учета этого необходимо вспомнить, что коэффициенты в уравнении химической реакции прямо пропорциональны числу молей реагирующих и образующихся веществ. Применительно к газам необходимо учесть также, что:
Таким образом, сравнивая коэффициенты исходных веществ и продуктов реакции, можно сделать вывод об изменении объема (давления) в ходе химической реакции.
Например, в химической реакции
2СО + О2 = 2СО2
все вещества являются газами, Видно, что до реакции имелось 3 моля газа (2 моля СО и 1 моль О2), а после реакции осталось 2 моля СО2. Ясно, что объем 3 молей газа (22,4·3=67,2л) больше объема 2 молей (22,4·2=44,8л), то есть Vнач> Vкон. Значит, данная реакция протекает либо с уменьшением объема (изобарный процесс), либо с уменьшение давления (изохорный процесс).
В случае химической реакции
СО2 + С = 2СО
имеем газообразные вещества СО2 и СО и твердое вещество С. Сравниваем коэффициенты только для газообразных веществ и имеем для исходных веществ 1 и конечных веществ 2. Так как 1 < 2, то объем системы в ходе химической реакции увеличивается (либо увеличивается давление при изохорном процессе).
Таким образом, используя понятие "моль вещества" в совокупности с другими определениями, для любого химического соединения (вещества) можно определить:
