Закону, підлягають усі гази незалежно від розмірів їх молекул. Не підлягають йому гази за умов високого тиску та низької температури та речовини в рідкому та газоподібному станах.
Розглянемо, чому закону Авогадро підлягають гази і не підлягають рідкі та тверді речовини.
1. Об'єм, що займає певна кількість речовини в будь-якому агрегатному стані, обумовлюється трьома параметрами: кількістю речовини (числом молекул або інших складових часток - структурних елементів речовини), віддалями між складовими частинами та їх розмірами.
2. У газах за умов низького тиску віддалі між молекулами приблизно в 1000 разів більші за розміри самих молекул, тобто розміри молекул можна не враховувати.
3. Внаслідок цього об'єм газу обумовлюється двома параметрами: числом молекул та відстанями між ними.
4. За однакових умов (тиск та температура) відстані між молекулами в різних газах однакові. Ось чому за однакових умов рівні об'єми різних газів містять одне і те ж число молекул і навпаки. В рідинах та твердих речовинах відстані між частинками мають такий же порядок, як і розміри цих частинок. За низьких температур та під високим тиском відстані між молекулами в газах зменшуються і наближаються до розмірів молекули. Тому за таких умов і гази підлягають закону Авогадро.
На основі закону були визначені молярний об'єм газу за нормальних умов, молекулярні маси та відносні густини газів, стала Авогадро та універсальна газова стала. Закон використовується в розрахунках за хімічними рівняннями.
З закону Авогадро випливає два наслідки.
Перший наслідок:
Один моль будь-якого газу за однакових умов займає однаковий об’єм.
За нормальних умов (при тиску 1 атм., або 101325 Па, та температурі 273,15 К, або 0˚С) об’єм 1 моль будь-якого газу буде дорівнювати 22,4 л. Стала 22,4 л/моль називається молярним об’ємом газу за нормальних умов (н.у.).
Молярний об’єм газу – це величина, що дорівнює відношенню об’єму газу за даних умов до кількості речовини цього газу:
Молярний об’єм газу можна обчислити знаючи молярну масу газу та його густину:
Vm = ,
де Vm – молярний об’єм газу, м3/моль (л/моль),
M – молярна маса газу, кг/моль (г/моль),
ρ – густина газу, кг/м3 (г/л).
Другий наслідок:
Маса того самого об’єму газу тим більша, чим більша маса його молекул. Якщо в однакових об’ємах газів за тих самих умов міститься однакова кількість молекул, то:
а) відношення мас однакових об’ємів газів за тих самих умов дорівнює відношенню їхніх молярних мас:
,
де m1 і m2 – маси певного об’єму першого та другого газів;
М1 і М2 – молярні маси відповідно першого та другого газів.
б) відношення маси певного газу до маси такого самого об’єму іншого газу (взятих за однакових температури і тиску) називається відносною густиною першого газу за другим:
або
Тому можна стверджувати, що густини різних газів, що взяті за однакових умов, пропорційні їх молярним масам:
Приклад 12. Яким рівнянням потрібно проводити розрахунки параметрів газів, якщо умови відмінні від нормальних.
Відповідь:
Якщо умови відмінні від нормальних, то при розрахунках параметрів газів використовують рівнянням Клапейрона – Менделєєва:
pV= RT, де
М –мольна маса газу (г/моль);
m – маса газу (г);
T – температура (К);
V – об’єм газу (м3);
p – тиск газу (Па);
R – універсальна газова стала (8,314 Дж/К∙моль).
При розв’язуванні задач з використанням цього рівняння якщо температура подається в С˚, то її треба перевести в К (Т = С˚+273), відповідно переводять тиск в Па (1 атм = 101325 Па, 1 мм. рт. ст. = 133,322 Па).
Приклад 13. Взято дві посудини однакового об’єму. В одну з них вмістили аміак, а в іншу – хлор. Маси газів однакові, тиск також однаковий. Чи однакова температура у посудинах?
Відповідь:
За рівнянням Менделєєва – Клапейрона:
, відрізняються тільки молярні маси газів.
М(NH3) = 17 г/моль
М(Cl2) = 71 г/моль
Поскільки молярна маса хлору більша за молярну масу аміаку, то й температура в посудині з хлором буде більша.
Приклад 14. Визначіть молекулярну масу газу, якщо 0,2 кг його при температурі 67˚С і тискові 4 атм займають об’єм 30,32 л.
Дано: m = 0,2 кг = 0,2∙103 г Т = 67 + 273 = 340 К Р = 4 атм =4∙101325 Па V =30,32 л=30,32∙10-3м3 | Розв’язання: = = 46г/моль |
Знайти: М (газу) -?
Відповідь: молекулярна маса газу дорівнює 46 а.о.м.
Приклад 15. Який об’єм Н2S можна спалити у 800 л повітря? Визначте об’єм сульфур (ІV) оксиду, який одержиться при цьому згорянні.
Дано: V (повітря)=800л | Розв’язання: У 800 л повітря міститься 800 ∙ 0,21=168л кисню. Із рівняння реакції: 2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2 Видно, що для спалювання 2 об’єми H2S потрібно 3 об’єми кисню, тобто: =112 л |
Знайти: V(H2S) -? |
Відповідь: 112 л H2S
Приклад 16. Який об’єм ацетилену теоретично можна спалити в 1 м3 повітря? Який об’єм СО2 одержується при цьому? Обчисліть зменшення об’єму із врахуванням, що пара конденсується у воду.
Дано: V (повітря)=1 м3 | Розв’язання: 1. В 1 м3 повітря міститься 0,21 м3 або 210 л кисню. 2. Із рівняння реакції: 2С2Н2 + 5O2 = 4СO2 + 2Н2O 2 об’єми ацетилену згоряє в 5 об’ємах повітря, тобто: =84 л (С2Н2) |
Знайти: V(СО2) -? Зменшення об’єму системи -? |
Об’єм СО2, який утворюється, у два рази більший, ніж об’єм ацетилену: 84 ∙ 2 = 168 л
Рівняння реакції показує, що із 7 об’ємів газів одержиться 4 об’єми, тобто проходить зменшення на три об’єми. Об’єм використаних газів: 210 + 84 = 294 л, а зменшення об’єму становить 3/7, тобто 126 л.
Відповідь: 84 л(С2Н2); зменшення об’єму до 126 л.
Приклад 17. Розрахувати масові частки елементів у ортофосфатній кислоті.
Дано: | Розв’язок: Визначаємо відносну молярну масу ортофосфатної кислоти та відносні атомні маси Гідрогену, Фосфору і Оксигену: ; ; . |
Знайти: ; ; -? |
Обчислюємо масові частки Гідрогену, Фосфору і Оксигену у ортофосфатній кислоті:
,
де - число атомів у молекулі.
Відповідь: масові частки Гідрогену –3,06%;
Фосфору – 31,63%;
Оксигену. – 65,31%.
Приклад 18. Яку масу мають 30 л азоту при нормальних умовах?
Дано: | Розв’язок: Молярний об’єм газу при нормальних умовах . Враховуючи це, знаходимо кількість молей азоту: (моль) Молярна маса азоту г/моль, тобто 1 моль азоту має масу 28 г. |
Знайти: -? |
Визначаємо масу 1,34 моль азоту:
Відповідь: маса 30 л азоту при н. у. 37,52 г.
Приклад 19. Обчислити густину і відносну густину
карбон (IV) оксиду за воднем і за повітрям.
Дано: | Розв’язок: Обчислюємо молярні маси необхідних речовин: г/моль г/моль г/моль. Густину карбон (IV) оксиду обчислюємо за формулою: ; |
Знайти: -? |
Відносну густину карбон (IV) оксиду за воднем обчислюємо за формулою:
;
Відносну густину карбон (IV) оксиду за повітрям обчислюємо за формулою:
;
Відповідь: густина дорівнює 1,96 г/л; відносна густина за воднем – 22, за повітрям – 1,5, тобто у 22 рази важчий за водень та в 1,5 рази важчий за повітря.
Приклад 20. Відносна густина газу за повітрям дорівнює 1,517. Обчислити кількість речовини цього газу, що міститься в його зразку масою 11 г.
Дано: | Розв’язок: Обчислюємо молярну масу за формулою: г/моль. Обчислюємо кількість речовини газу : |
Знайти: -? |
Відповідь: кількість речовини газу дорівнює 0,25 моль.
Приклад 21. Посудина містить водень масою 0,24 г та кисень масою 4 г. Обчисліть об’ємну та молярну частки водню в цій газовій суміші.
Дано: | Розв’язок: Кількість речовини водню в посудині становить: Об’єм водню дорівнює: |
Знайти: -? |
де - молярний об’єм газу за даних умов.
Обчислюємо кількість речовини кисню:
;
Визначаємо об’єм кисню: ;
Об’єм газової суміші становить: ;
Розраховуємо об’ємну частку водню в суміші:
; або 49%.
Визначаємо молярну частку водню: ;
або 49%.
Відповідь: молярна частка газу в газовій суміші дорівнює об’ємній частці цього газу, що випливає із закону Авогадро.