Газовая постоянная, справочная таблица

Решение задач

Главное значение закона – возможность проводить химические расчёты. На основе первого следствия закона можно вычислить количество газообразного вещества через объём по формуле:

n = V/Vm,

где V – объём газа, Vm – молярный объём, n – количество вещества, измеряемое в молях.

Второй вывод из закона Авогадро касается расчёта относительной плотности газа (ρ). Плотность высчитывается по формуле m/V. Если рассматривать 1 моль газа, то формула плотности будет выглядеть следующим образом:

ρ(газа) = M/Vm,

где M – масса одного моля, т.е. молярная масса.

Для расчёта плотности одного газа по другому газу необходимо знать плотности газов. Общая формула относительной плотности газа выглядит следующим образом:

D(y)x = ρ(x) / ρ(y),

где ρ(x) – плотность одного газа, ρ(y) – второго газа.

Если подставить в формулу подсчёт плотности, то получится:

D(y)x = M(х) / Vm / M(y) / Vm.

Молярный объём сокращается и остаётся

D(y)x = M(х) / M(y).

Рассмотрим практическое применение закона на примере двух задач:

  • Сколько литров СО2 получится из 6 моль MgCO3 при реакции разложения MgCO3 на оксид магния и углекислый газ (н.у.)?
  • Чему равна относительная плотность CO2 по водороду и по воздуху?

Сначала решим первую задачу.

Дано:

n(MgCO3) = 6 моль

V(СО2) = ?

Решение:

MgCO3 = MgO+CO2

Количество карбоната магния и углекислого газа одинаково (по одной молекуле), поэтому n(CO2) = n(MgCO3) = 6 моль. Из формулы n = V/Vm можно вычислить объём:

V = nVm, т.е. V(CO2) = n(CO2) ∙ Vm = 6 моль ∙ 22,4 л/моль = 134,4 л

Ответ: V(СО2) = 134,4 л

Решение второй задачи:

  • D(H2)CO2 = M(CO2) / M(H2) = 44 г/моль / 2 г/моль = 22;
  • D(возд)CO2 = M(CO2) / M(возд) = 44 г/моль / 29 г/моль = 1,52.

Рис. 3. Формулы количества вещества по объёму и относительной плотности.

Формулы закона Авогадро работают только для газообразных веществ. Они не применимы к жидкостям и твёрдым веществам.

Что мы узнали?

Согласно формулировке закона равные объёмы газов при одинаковых условиях содержат одинаковое количество молекул. При нормальных условиях (н.у.) величина молярного объёма постоянна, т.е. Vm для газов всегда равняется 22,4 л/моль. Из закона следует, что одинаковое количество молекул разных газов при нормальных условиях занимают одинаковый объём, а также относительная плотность одного газа по другому – отношение молярной массы одного газа к молярной массе второго газа.

Знаки химических элементов

Химический знак или химический символ элемента – это первая или две первые буквы от латинского названия этого элемента.

Например: Ferrum – Fe, Cuprum – Cu,  Oxygenium – O и т.д.

Таблица 1: Информация, которую дает химический знак

Сведения

На примере Cl
Название элемента Хлор
Принадлежность элемента к данному классу химических элементов Неметалл, галоген
Один атом элемента 1 атом хлора
Относительная атомная масса (Ar) данного элемента Ar(Cl) = 35,5
Абсолютная атомная масса химического элемента

m = Ar · 1,66·10-24г = Ar · 1,66 · 10-27кг

M(Cl) = 35,5 · 1,66 · 10-24 = 58,9 · 10-24г

Название химического знака в большинстве случаев читается как название химического элемента. Например, К – калий, Са – кальций, Mg – магний, Mn – марганец.

Случаи, когда название химического знака читается иначе, приведены в таблице 2:

Название химического элемента Химический знак Название химического знака

(произношение)

Азот N Эн
Водород H Аш
Железо Fe Феррум
Золото Au Аурум
Кислород O О
Кремний Si Силициум
Медь Cu Купрум
Олово Sn Станум
Ртуть Hg Гидраргиум
Свинец Pb Плюмбум
Сера S Эс
Серебро Ag Аргентум
Углерод C Цэ
Фосфор P Пэ

Таблица: относительные плотности газов по воздуху по возрастанию в т.ч. горючих и опасных + плотности газов, химические формулы газов и молекулярные веса.

Таблица: относительные плотности газов в т.ч. горючих и опасных по воздуху по возрастанию + плотности газов, химические формулы газов и молекулярные веса.
Газ Химическая
формула
Относительная плотность газа по воздуху Молекулярный
вес
Плотность
кг/м3 футов/фут3(lb/ft3)
Водород / Hydrogen H2 0,07 2.016 0.08992) 0.00562)
Гелий / Helium He 0,14 4.02 0.16641)
0.17852)
0.010391)
0.0111432)
Светильный газ угольный газ (горючий газ, состоящий из 20-30% метана и 50% водорода
получаемый из каменного угля в процессе его полукоксования и частичного термического крекинга / Coal gas
0,45 0.5802)
Пригодный газ = натуральный газ / Natural gas 0,55-0,70 19.5 0.7 — 0.92) 0.044 — 0.0562)
Метан / Methane CH4 0,56 16.043 0.6681)
0.7172)
0.04171)
0.04472)
Аммиак / Ammonia NH3 0,60 17.031 0.7171)
0.7692)
0.04481)
0.04802)
Водяной пар / Water Vapor, steam H2O 0,67 18.016 0.804 0.048
Неон / Neon Ne 0,70 20.179 0.89992) 0.0561792)
Продукты сгорания = смесь продуктов полного сгорания в виде CO2, Н2О, SO2 и золы + неполного сгорания в виде СО, Н2, и др., а также азота и кислорода / Combustion products 0,86 1.112) 0.0692)
Ацетилен = этин / Acetylene (ethyne) C2H2 0,91 26 1.0921)
1.1702)
0.06821)
0.07292)
Азот / Nitrogen N2 0,97 28.02 1.1651)
1.25062)
0.07271)
0.0780722)
Угарный газ, моноксид углерода / Carbon monoxide CO 0,97 28.01 1.1651)
1.2502)
0.07271)
0.07802)
Этилен / Ethylene C2H4 0,98 28.03 1.2602) 0.07862)
Воздух / Air 1 29 1.2051)
1.2932)
0.07521)
0.08062)
Двукосиь азота / Nitric oxide NO 1,04 30.0 1.2491) 0.07801)
Этан / Ethane C2H6 1,05 30.07 1.2641) 0.07891)
Кислород / Oxygen O2 1,11 32 1.3311)
1.42902)
0.08311)
0.0892102)
Сероводород = сернистый водород / Hydrogen Sulfide H2S 1,19 34.076 1.4341) 0.08951)
Соляная кислота = хлористый водород / Hydrochloric Acid = Hydrogen Chloride HCl 1,27 36.5 1.5281) 0.09541)
Аргон / Argon Ar 1,38 39.948 1.6611)
1.78372)
0.10371)
0.1113532)
Пропен = пропилен / Propene (propylene) C3H6 1,45 42.1 1.7481) 0.10911)
Углекислый газ = двуокись углерода, диоксид углерода / Carbon dioxide CO2 1,53 44.01 1.8421)
1.9772)
0.11501)
0.12342)
Пропан / Propane C3H8 1,57 44.09 1.8821) 0.11751)
Веселящий газ, закись азота / Nitrous Oxide N2O 1,65 44.013 1.9801) 0.114
Озон / Ozone O3 1,78 48.0 2.142) 0.125
Оксид серы (II)= диоксид серы = двуокись серы = сернистый ангидрид = сернистый газ / Sulfur Dioxide SO2 1,90 64.06 2.2791)
2.9262)
0.17031)
0.18282)
Бутилен = Бутен / Butylene (Butene) C4H8 2,03 56.11 2.504 0.1482)
Бутан / Butane C4H10 2,07 58.1 2.4891)
2.52)
0.15541)
0.1562)
Хлор / Chlorine Cl2 2,49 70.906 2.9941) 0.18691)
Бензол / Benzene C6H6 2,90 78.11 3.486 0.20643
Криптон / Krypton Kr 2,90 83,8 3.742)
Метилбензол = толуол / Toluene C7H8 3,42 92.141 4.111 0.2435
Ксенон / Xenon Xe 4,54 131,293 5.862)

1)NTP — Нормальная температура и давление (Normal Temperature and Pressure) — 20oC (293.15 K, 68oF) при 1 атм ( 101.325 кН/м2, 101.325 кПа, 14.7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 мм.рт.ст)

2)STP — Стандартная температура и давление (Standard Temperature and Pressure) — 0oC (273.15 K, 32oF) при 1 атм (101.325 кН/м2, 101.325 кПа, 14.7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 torr=мм.рт.ст)

1.2.1 Закон Авогадро и следствие из него

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.

Графические формулы

Для получения более полной информации о веществе пользуются графическими формулами, которые указывают порядок соединения атомов в молекуле и валентность каждого элемента.

Графические формулы веществ, состоящих из молекул, иногда, в той или иной степени, отражают и строение (структуру) этих молекул, в этих случаях их можно назвать структурными.

Для составления графической (структурной) формулы вещества необходимо:

  • Определить валентность всех химических элементов, образующих вещество.
  • Записать знаки всех химических элементов, образующих вещество, каждый в количестве, равном числу атомов данного элемента в молекуле.
  • Соединить знаки химических элементов черточками. Каждая черточка обозначает электронную пару, осуществляющую связь между химическими элементами и поэтому одинаково принадлежит обоим элементам.
  • Число черточек, окружающих знак химического элемента, должно соответствовать валентности этого химического элемента.
  • При составлении формул кислородсодержащих кислот и их солей атомы водорода и атомы металлов связываются с кислотообразующим элементом через атом кислорода.
  • Атомы кислорода соединяют друг с другом только при составлении формул пероксидов.

Примеры графических формул:

Определение формул веществ по химическим свойствам.

  1. Пример 9.
    Определить формулу алкадиена, если г его могут обесцветить 80 г 2%-го раствора брома.

Решение примера 9.

  1. Общая формула алкадиенов — СnH2n−2.
    Запишем уравнение реакции присоединения брома к алкадиену, не забывая, что в молекуле диена две двойные связи и, соответственно, в реакцию с 1 моль диена вступят 2 моль брома:СnH2n−2 + 2Br2 СnH2n−2Br4
  2. Так как в задаче даны масса и процентная концентрация раствора брома, прореагировавшего с диеном, можно рассчитать количества вещества прореагировавшего брома:

    m(Br2) = mраствора • ω = 80 • 0,02 = 1,6 г
    ν(Br2) = m / M = 1,6 / 160 = 0,01 моль.

  3. Так как количество брома, вступившего в реакцию, в 2 раза больше, чем алкадиена, можно найти количество диена и (так как известна его масса) его молярную массу:

    0,005 0,01
    СnH2n−2  + 2Br2  СnH2n−2Br4

    Мдиена = m / ν = 3,4 / 0,05 = 68 г/моль.

  4. Находим формулу алкадиена по его общей формул, выражая молярную массу через n:

    14n − 2 = 68
    n = 5.

    Это пентадиен С5Н8.

Ответ: C5H8.

  1. Пример 10.
    При взаимодействии 0,74 г предельного одноатомного спирта с металлическим натрием выделился водород в количестве, достаточном для гидрирования 112 мл пропена (н. у.). Что это за спирт?

Решение примера 10.

  1. Формула предельного одноатомного спирта — CnH2n+1OH. Здесь удобно записывать спирт в такой форме, в которой легко составить уравнение реакции — т.е. с выделенной отдельно группой ОН.
  2. Составим уравнения реакций (нельзя забывать о необходимости уравнивать реакции):

    2CnH2n+1OH + 2Na 2CnH2n+1ONa + H2
    C3H6 + H2 C3H8

  3. Можно найти количество пропена, а по нему — количество водорода. Зная количество водорода, по реакции находим количество вещества спирта:

    ν(C3H6) = V / Vm = 0,112 / 22,4 = 0,005 моль => ν(H2) = 0,005 моль,
    νспирта = 0,005 • 2 = 0,01 моль.

  4. Находим молярную массу спирта и n:

    Mспирта = m / ν = 0,74 / 0,01 = 74 г/моль,
    14n + 18 = 74
    14n = 56
    n = 4.

    Спирт — бутанол С4Н7ОН.

Ответ: C4H7OH.

  1. Пример 11.
    Определить формулу сложного эфира, при гидролизе 2,64 г которого выделяется 1,38 г спирта и 1,8 г одноосновной карбоновой кислоты.

Решение примера 11.

  1. Общую формулу сложного эфира, состоящего из спирта и кислоты с разным числом атомов углерода можно представить в таком виде:CnH2n+1COOCmH2m+1
    Соответственно, спирт будет иметь формулуCmH2m+1OH,
    а кислотаCnH2n+1COOH.
    Уравнение гидролиза сложного эфира:CnH2n+1COOCmH2m+1 + H2O CmH2m+1OH + CnH2n+1COOH
  2. Согласно закону сохранения массы веществ, сумма масс исходных веществ и сумма масс продуктов реакции равны.
    Поэтому из данных задачи можно найти массу воды:

    mH2O = (масса кислоты) + (масса спирта) − (масса эфира) = 1,38 + 1,8 − 2,64 = 0,54 г
    νH2O = m / M = 0,54 / 18 = 0,03 моль

    Соответственно, количества веществ кислоты и спирта тоже равны моль.
    Можно найти их молярные массы:

    Мкислоты = m / ν = 1,8 / 0,03 = 60 г/моль,
    Мспирта = 1,38 / 0,03 = 46 г/моль.

    Получим два уравнения, из которых найдём m и n:

    MCnH2n+1COOH = 14n + 46 = 60, n = 1 — уксусная кислота
    MCmH2m+1OH = 14m + 18 = 46, m = 2 — этанол.

    Таким образом, искомый эфир — это этиловый эфир уксусной кислоты, этилацетат.

Ответ: CH3COOC2H5.

  1. Пример 12.
    Определить формулу аминокислоты, если при действии на 8,9 г её избытком гидроксида натрия можно получить 11,1 г натриевой соли этой кислоты.

Решение примера 12.

  1. Общая формула аминокислоты (если считать, что она не содержит никаких других функциональных групп, кроме одной аминогруппы и одной карбоксильной):NH2–CH(R)–COOH.
    Можно было бы записать её разными способами, но для удобства написания уравнения реакции лучше выделять в формуле аминокислоты функциональные группы отдельно.
  2. Можно составить уравнение реакции этой аминокислоты с гидроксидом натрия:NH2–CH(R)–COOH + NaOH NH2–CH(R)–COONa + H2O
    Количества вещества аминокислоты и её натриевой соли — равны. При этом мы не можем найти массу какого-либо из веществ в уравнении реакции. Поэтому в таких задачах надо выразить количества веществ аминокислоты и её соли через молярные массы и приравнять их:

    M(аминокислоты NH2–CH(R)–COOH) = 74 + МR
    M(соли NH2–CH(R)–COONa) = 96 + МR
    νаминокислоты = 8,9 / (74 + МR),
    νсоли = 11,1 / (96 + МR)
    8,9 / (74 + МR) = 11,1 / (96 + МR)
    МR = 15

    Легко увидеть, что R = CH3.
    Можно это сделать математически, если принять, что R — CnH2n+1. 14n + 1 = 15, n = 1.
    Это аланин — аминопропановая кислота.

Ответ: NH2–CH(CH3)–COOH.

Природный газ – экологичное моторное топливо

90% загрязнения атмосферы приходится на долю транспортных средств. 

Перевод транспорта на экологически чистое моторное топливо – природный газ – позволяет сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, непредельных углеводородов и окислов азота.

При сжигании 1000 л жидкого нефтяного моторного топлива в воздух вместе с отработавшими газами выбрасывается 180-300 кг оксида углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг окислов азота. При использовании природного газа вместо нефтяного топлива выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 2-3 раза по оксиду углерода, по окислам азота – в 2 раза, по углеводородам – в 3 раза, по задымленности – в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, отсутствует.

Рабочие чертежи газоснабжения

Рабочие чертежи систем газоснабжения необходимо выполнять в полном соответствии со всеми требованиями, изложенными в упомянутом выше государственном стандарте, а также других стандартов, касающихся строительной документации. Кроме того, они должны полностью отвечать тем нормам, которые приняты и действуют на сегодняшний день в отношении проектирования систем газоснабжения.

Рабочие чертежи систем газоснабжения должны включать в себя:

• Общие данные;

• Чертежи, разрезы, виды и планы расположения самих газопроводов, газового оборудования, газовых КИП (контрольно-измерительных приборов);

• Схемы систем газоснабжения;

• Эскизные чертежи и чертежи общих видов нетиповых конструкций и устройств систем газоснабжения;

• Чертежи, разрезы, виды, схемы и планы установок газоснабжения.

Основной комплект рабочих чертежей марки ГСВ должен дополняться такими документами, как ведомость потребности в материалах и спецификация оборудования. Их надлежит выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 21.109–80.

На технических чертежах для обозначения газопроводов необходимо использовать графические изображения, которые предусмотрены ГОСТ 21.106–78.

Диаметр, который имеет газопровод, и толщина его стенки указывается на полке выносной линии.

Для тех газопроводов, которые строятся из стальных водогазопроводных труб, указываются такие параметры, как толщина стенки и диаметр его условного прохода.

Для тех газопроводов, которые изготавливаются из стальных электросварных и прочих труб, указываются такие параметры, как толщина стенки и наружный диаметр.

В таких случаях, когда обозначение газопровода состоящего из букв и цифр указывается на полке выносной линии, такие параметры, как его диаметр и толщина стенки размещают под ней.

Для обозначения стояков газопроводов используют марку, которая состоит из буквенной комбинации « » и порядкового номера проектируемого стояка в пределах строения, указывающегося через дефис, например: , .

Газообразное состояние вещества

Газообразное состояние представляет собой одно из трех агрегатных состояний. Его основной характеристикой является то, что составляющее субстанцию частицы (атомы, молекулы или ионы) находятся между собой в очень слабой связи и являются весьма подвижными. Они практически постоянно перемещаются, достаточно часто сталкиваясь друг с другом, причем это движение – неупорядоченное, хаотическое, свободное. Частицы часто меняют направление своего перемещения.

Газ нередко определяют как то вещество, температура которого уравнена или же выше некоторой критической, при которой оно не сжимается и не переходит в жидкое агрегатное состояние. Именно в этом состоит разница между газом и паром, состоящим из мельчайших частиц жидкости.

Пар – это такое состояние вещества, при котором оно может перейти или в жидкое, или в твердое состояние.

Так же, как и жидкости, газы сопротивляются деформации и обладают текучестью. Однако они не имеют некоего фиксированного объема, стремясь заполнить собой весь тот, который им доступен. Кроме того, в отличие от жидкостей газы не образуют свободной поверхности.

Природный газ — безопасное моторное топливо

Концентрационные* и температурные** пределы воспламенения природного газа значительно выше, чем у бензина и дизельного топлива. Метан в два раза легче воздуха и при утечке быстро растворяется в атмосфере.

Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности» МЧС России,компримированный природный газ отнесен к самому безопасному, четвертому классу, а пропан-бутан – ко второму.

* Образование взрывоопасной концентрации происходит при содержании паров газа в воздухе от 5 % до 15 %. В открытом пространстве образование взрывоопасной смеси не происходит.
** Нижний предел самовоспламенения метана – 650°C.

Физические свойства СПГ

Физические свойства сжиженного природного газа зависят от компонентного состава и от давления. Например, для плотности в различных источниках указываются следующие диапазоны значений: 370-430, 430-470, 410-500, 400-420 кг/м3. В нижеследующей таблице отражены изменения плотности и температуры кипения СПГ в зависимости от различных значений избыточного давления и компонентного состава газа.

Основные физические характеристики сжиженного газа

  • Температура кипения при атмосферном давлении: –162°C
  • Плотность сжиженного газа при атмосферном давлении: 420 кг/м3
  • Низшая теплота сгорания (при 0°C и 101,325 КПа): 35,2 МДж/м3(или 11500 ккал/кг)
  • Пределы воспламенения при газификации: 4…16% (объемных)
  • Минимальная температура воспламенения газовоздушной смеси: 557°C (830 К)

В процессе регазификации СПГ из одного объема жидкости при стандартных условиях (21°C, 1 атмосфера) получается около 618 объемов природного газа. Жидкий газ обычно хранится в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается за счет испарения СПГ.

При сжижении природного газа повышается как калорийность газа, получаемого последующей регазификацией, так и самого СПГ. С одной стороны, в процессе сжижения удаляется углекислый газ, а с другой – ШФЛУ, входящая в состав СПГ, повышает калорийность, так как этан, пропан и бутаны обладают большей высшей теплотой сгорания (высшей удельной теплотворной способностью), чем метан (на кубометр газа или на кубометр СПГ; если сравнивать по весу, то выигрыш незначителен). Этот аспект можно учесть, проводя экономические расчеты за поставляемый СПГ на калориметрической основе (а не на волюметрической). Для примера, расчеты показывают, что энергетическая ценность СПГ, получаемого из газа нижнего мела месторождений полуострова Ямал, может достигать 23 MBTU/м3 (24,5 ГДж/м3), что на 10% больше, чем для СПГ, получаемого из сухого газа.

Примечание:

Высшая теплотворная способность газа в жидком виде при 15°C:

  • Метан – 16,672 ГДж/м3 (рассчитано условно как для идеального газа)
  • Этан – 18,459 ГДж/м3
  • Пропан – 25,358 ГДж/м3
  • n-бутан –28,715 ГДж/м3)

1.2.2 Закон Дальтона

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

2 + О2 = 2О(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).

Ссылка на основную публикацию