Como determinar o volume molar. Encontrando o volume molar dos gases. Leis dos gases ideais. Fração de volume

Para descobrir a composição de qualquer substância gasosa, é necessário poder operar com conceitos como volume molar, massa molar e a densidade da matéria. Neste artigo, consideraremos o que é volume molar e como calculá-lo?

Quantidade de substância

Cálculos quantitativos são realizados para realmente realizar um determinado processo ou descobrir a composição e estrutura de uma determinada substância. Esses cálculos são inconvenientes de fazer com os valores absolutos das massas dos átomos ou moléculas devido ao fato de serem muito pequenos. As massas atômicas relativas também são, na maioria dos casos, impossíveis de usar, uma vez que não estão relacionadas a medidas geralmente aceitas de massa ou volume de uma substância. Portanto, foi introduzido o conceito de quantidade de substância, que é denotado pela letra grega v (nu) ou n. A quantidade de uma substância é proporcional ao número de unidades estruturais (moléculas, partículas atômicas) contidas na substância.

A unidade de quantidade de uma substância é o mol.

Um mol é a quantidade de uma substância que contém tantas unidades estruturais quantos átomos existem em 12 g de um isótopo de carbono.

A massa de 1 átomo é 12 a. e. m., então o número de átomos em 12 g do isótopo de carbono é:

Na \u003d 12g / 12 * 1,66057 * 10 elevado a -24g \u003d 6,0221 * 10 elevado a 23

A quantidade física Na é chamada de constante de Avogadro. Um mol de qualquer substância contém 6,02 * 10 elevado à potência de 23 partículas.

Arroz. 1. Lei de Avogadro.

Volume molar de gás

O volume molar de um gás é a razão entre o volume de uma substância e a quantidade dessa substância. Este valor é calculado dividindo a massa molar de uma substância pela sua densidade de acordo com a seguinte fórmula:

onde Vm é o volume molar, M é a massa molar e p é a densidade da substância.

Arroz. 2. Fórmula do volume molar.

NO sistema internacional A medição de Si do volume molar de substâncias gasosas é realizada em metros cúbicos por mol (m 3 / mol)

O volume molar das substâncias gasosas difere das substâncias nos estados líquido e sólido, pois um elemento gasoso de 1 mol sempre ocupa o mesmo volume (se os mesmos parâmetros forem observados).

O volume de gás depende da temperatura e pressão, portanto, o cálculo deve levar o volume de gás em condições normais. As condições normais são consideradas uma temperatura de 0 graus e uma pressão de 101,325 kPa. O volume molar de 1 mol de gás em condições normais é sempre o mesmo e igual a 22,41 dm 3 /mol. Esse volume é chamado de volume molar. gás ideal. Ou seja, em 1 mol de qualquer gás (oxigênio, hidrogênio, ar), o volume é 22,41 dm 3 / m.

Arroz. 3. Volume molar de gás em condições normais.

Tabela "volume molar de gases"

A tabela a seguir mostra o volume de alguns gases:

Gás	Volume molar, l
H2	22,432
O2	22,391
Cl2	22,022
CO2	22,263
NH3	22,065
SO2	21,888
Ideal	22,41383

Onde m é a massa, M é a massa molar, V é o volume.

4. Lei de Avogadro. Fundada pelo físico italiano Avogadro em 1811. Os mesmos volumes de quaisquer gases, tomados à mesma temperatura e à mesma pressão, contêm o mesmo número de moléculas.

Assim, o conceito da quantidade de uma substância pode ser formulado: 1 mol de uma substância contém um número de partículas igual a 6,02 * 10 23 (chamado constante de Avogadro)

A consequência dessa lei é que 1 mol de qualquer gás ocupa em condições normais (P 0 \u003d 101,3 kPa e T 0 \u003d 298 K) um volume igual a 22,4 litros.

5. Lei Boyle-Mariotte

À temperatura constante, o volume de uma dada quantidade de gás é inversamente proporcional à pressão sob a qual ele está:

6. Lei de Gay-Lussac

A pressão constante, a variação do volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura:

V/T = const.

7. A relação entre volume de gás, pressão e temperatura pode ser expressa a lei combinada de Boyle-Mariotte e Gay-Lussac, que é usado para trazer volumes de gás de uma condição para outra:

P 0 , V 0 ,T 0 - pressão de volume e temperatura em condições normais: P 0 =760 mm Hg. Arte. ou 101,3 kPa; T 0 \u003d 273 K (0 0 C)

8. Avaliação independente do valor de molecular massas M pode ser feito usando o chamado equações de estado para um gás ideal ou as equações de Clapeyron-Mendeleev :

pV=(m/M)*RT=vRT.(1.1)

Onde R- pressão do gás em um sistema fechado, V- volume do sistema, t- massa de gás T- temperatura absoluta, R- constante de gás universal.

Observe que o valor da constante R pode ser obtido substituindo os valores que caracterizam um mol de gás em N.C. na equação (1.1):

r = (p V) / (T) \u003d (101,325kPa 22,4 l) / (1 mol 273K) \u003d 8,31J / mol.K)

Exemplos de resolução de problemas

Exemplo 1 Levando o volume de gás para condições normais.

Que volume (n.o.) ocupará 0,4 × 10 -3 m 3 de gás a 50 0 C e uma pressão de 0,954 × 10 5 Pa?

Solução. Para trazer o volume de gás para condições normais, use Fórmula geral, que combina as leis de Boyle-Mariotte e Gay-Lussac:

pV/T = p 0 V 0 /T 0 .

O volume de gás (n.o.) é, onde T 0 \u003d 273 K; p 0 \u003d 1,013 × 10 5 Pa; T = 273 + 50 = 323 K;

M 3 \u003d 0,32 × 10 -3 m 3.

Quando (n.o.) o gás ocupa um volume igual a 0,32×10 -3 m 3 .

Exemplo 2 Cálculo da densidade relativa de um gás a partir de seu peso molecular.

Calcule a densidade do etano C 2 H 6 a partir do hidrogênio e do ar.

Solução. Segue-se da lei de Avogadro que a densidade relativa de um gás sobre o outro é igual à razão das massas moleculares ( M h) desses gases, ou seja, D=M 1 /M 2. Se um M 1С2-6 = 30, M 2 H2 = 2, o peso molecular médio do ar é 29, então a densidade relativa do etano em relação ao hidrogênio é D H2 = 30/2 =15.

Densidade relativa do etano no ar: D ar= 30/29 = 1,03, ou seja o etano é 15 vezes mais pesado que o hidrogênio e 1,03 vezes mais pesado que o ar.

Exemplo 3 Determinação do peso molecular médio de uma mistura de gases por densidade relativa.

Calcule o peso molecular médio de uma mistura de gases composta por 80% de metano e 20% de oxigênio (em volume) usando os valores da densidade relativa desses gases em relação ao hidrogênio.

Solução. Muitas vezes os cálculos são feitos de acordo com a regra de mistura, que é a razão entre os volumes de gases em uma mistura gasosa de dois componentes é inversamente proporcional às diferenças entre a densidade da mistura e as densidades dos gases que compõem essa mistura. . Vamos denotar a densidade relativa da mistura gasosa em relação ao hidrogênio através de D H2. será maior que a densidade do metano, mas menor que a densidade do oxigênio:

80D H2 - 640 = 320 - 20 D H2; D H2 = 9,6.

A densidade do hidrogênio dessa mistura de gases é 9,6. peso molecular médio da mistura gasosa M H2 = 2 D H2 = 9,6×2 = 19,2.

Exemplo 4 Cálculo da massa molar de um gás.

A massa de 0,327 × 10 -3 m 3 de gás a 13 0 C e uma pressão de 1,040 × 10 5 Pa é 0,828 × 10 -3 kg. Calcule a massa molar do gás.

Solução. Você pode calcular a massa molar de um gás usando a equação de Mendeleev-Clapeyron:

Onde mé a massa do gás; Mé a massa molar do gás; R- constante de gás molar (universal), cujo valor é determinado pelas unidades de medida aceitas.

Se a pressão é medida em Pa e o volume em m 3, então R\u003d 8,3144 × 10 3 J / (kmol × K).

3.1. Ao realizar medições de ar atmosférico, ar da área de trabalho, bem como emissões industriais e hidrocarbonetos em gasodutos, há um problema de trazer os volumes de ar medidos para condições normais (padrão). Muitas vezes, na prática, ao realizar medições de qualidade do ar, a conversão das concentrações medidas para condições normais não é usada, resultando em resultados não confiáveis.

Segue um trecho da Norma:

“As medições são trazidas para condições padrão usando a seguinte fórmula:

C 0 \u003d C 1 * P 0 T 1 / R 1 T 0

onde: C 0 - o resultado, expresso em unidades de massa por unidade de volume de ar, kg/cu. m, ou a quantidade de substância por unidade de volume de ar, mol/cu. m, em temperatura e pressão padrão;

C 1 - o resultado, expresso em unidades de massa por unidade de volume de ar, kg/cu. m, ou a quantidade de substância por unidade de volume

ar, mol/cu. m, à temperatura T 1, K e pressão P 1, kPa.

A fórmula para trazer às condições normais de forma simplificada tem a forma (2)

C 1 \u003d C 0 * f, onde f \u003d P 1 T 0 / P 0 T 1

fator de conversão padrão para normalização. Os parâmetros de ar e impurezas são medidos em diferentes temperaturas, pressões e umidade. Os resultados levam a condições padrão para comparar parâmetros de qualidade do ar medidos em diferentes locais e climas.

3.2 Condições normais da indústria

As condições normais são as condições físicas padrão com as quais as propriedades das substâncias são geralmente correlacionadas (temperatura e pressão padrão, STP). As condições normais são definidas pela IUPAC (União Internacional de Química Prática e Aplicada) da seguinte forma: Pressão atmosférica 101325 Pa = 760 mm Hg. Temperatura do ar 273,15 K = 0° C.

As condições padrão (Temperatura e Pressão Ambiente Padrão, SATP) são temperatura e pressão ambiente normal: pressão 1 Bar = 10 5 Pa = 750,06 mm T. St.; temperatura 298,15 K = 25°C.

Outras áreas.

Medições de qualidade do ar.

Os resultados das medições das concentrações de substâncias nocivas no ar da área de trabalho levam às seguintes condições: temperatura de 293 K (20°C) e pressão de 101,3 kPa (760 mm Hg).

Os parâmetros aerodinâmicos das emissões de poluentes devem ser medidos de acordo com as normas estaduais vigentes. Os volumes de gases de escape obtidos a partir dos resultados das medições instrumentais devem ser levados às condições normais (n.s.): 0 ° C, 101,3 kPa ..

Aviação.

organização Internacional aviação Civil(ICAO) define a Atmosfera Padrão Internacional (ISA) ao nível do mar com temperatura de 15°C, pressão atmosférica de 101325 Pa e umidade relativa de 0%. Esses parâmetros são usados no cálculo do movimento da aeronave.

Economia de gás.

Indústria de gás Federação Russa em assentamentos com consumidores, usa condições atmosféricas de acordo com GOST 2939-63: temperatura 20 ° C (293,15 K); pressão 760 mm Hg. Arte. (101325 N/m²); umidade é 0. Assim, a massa de um metro cúbico de gás de acordo com GOST 2939-63 é um pouco menor do que sob condições normais "químicas".

Testes

Para máquinas de teste, instrumentos e outros produtos técnicos, os seguintes são considerados valores normais de fatores climáticos ao testar produtos (condições normais de teste climático):

Temperatura - mais 25°±10°С; Humidade relativa – 45-80%

Pressão atmosférica 84-106 kPa (630-800 mmHg)

Verificação de instrumentos de medição

Os valores nominais das grandezas de influência normal mais comuns são selecionados da seguinte forma: Temperatura - 293 K (20°C), pressão atmosférica - 101,3 kPa (760 mmHg).

Racionamento

As diretrizes para estabelecer padrões de qualidade do ar indicam que os MPCs no ar ambiente são definidos em condições internas normais, ou seja, 20 C e 760 milímetros. art. Arte.