План урока по химии в 8 классе понятие о газах. закон авогадро

История

Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому Гей-Люссаку. Он является автором законов о тепловом расширении газов и закона объемных отношений. Эти законы были теоретически объяснены в 1811 году итальянским физиком Амедео Авогадро.
Примечательным является тот факт, что при жизни открытие Авогадро осталось незамеченым из-за критики со стороны авторитетных химиков той эпохи — Йёнса Якоба Берцелиуса и Джона Дальтона, которые отрицали возможность существования двухатомных молекул простых веществ. И только в 1858 г. работа Авогадро была случайно обнаружена итальянским химиком Станислао Канниццаро и обнародована в 1860 г. на Первом международном химическом конгрессе химиков в Карлсруэ (Германия).

АВОГАДРО ЗАКОН И ЧИСЛО

Итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776—1856) родился в Турине. Он получил юридическое образование. Но интерес и склонность к естественным наукам побудили его заняться самостоятельным изучением физики и математики. В 1806 г. он начинает преподавать физику в университетском лицее в Турине, а в 1820 г. становится профессором математической физики в Туринском университете.

Научные работы Авогадро посвящены различным областям физики и химии. В 1811 г. ученый высказал гипотезу, согласно которой молекулы простых газов состоят из одного или нескольких атомов. На ее основе он сформулировал один из основных законов идеальных газов, получивший название закона Авогадро. Этот закон гласит: «В равных объемах любых газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул». (Под одинаковыми условиями имеются в виду температура и давление.) Закон Авогадро послужил одной из основ, на которой в дальнейшем стало развиваться атомно-молекулярное учение.

Из этого закона следует, что плотности газов, измеренные при одинаковых внешних условиях, относятся как их молярные массы. Если принять произвольно молярную массу какого-либо газа за единицу (обычно 1/12 массы моля углерода), то можно, зная плотности газов, вычислять их относительные молярные массы.

Впоследствии один из основоположников физической химии — нидерландский ученый Я. Вант-Гофф распространил законы идеальных газов на разбавленные растворы, исходя из следующей аналогии: «Растворенное вещество распространяется по всему объему растворителя, подобно тому как газ распространяется по пустому пространству, занимая весь объем».

Вант-Гофф показал, что, подобно тому как газ оказывает давление на стенки сосуда, где он находится, растворенное вещество вызывает специфическое давление, которое ученый назвал осмотическим. Осмотическое давление равно давлению газа, которое наблюдалось бы, если бы мы удалили растворитель, а растворенное вещество заполнило бы тот же объем в виде газа. Таким образом, измеряя осмотическое давление данного вещества в каком-либо растворителе, можно узнать плотность этого вещества в газообразном состоянии и вычислить при помощи закона Авогадро его молекулярную массу. Так удалось определить молекулярные массы веществ, которые трудно или невозможно получить в газообразном состоянии, например сахара.

Молем называют количество данного вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. Тогда закон Авогадро можно сформулировать еще и так: «Моль любого вещества содержит одно и то же число молекул». Это число получило название числа Авогадро. Оно равно моль-1. Число Авогадро определяют различными методами, некоторые из них основаны на изучении броуновского движения. Вторая формулировка закона Авогадро справедлива не только для газов, но и для жидкостей и твердых тел.

Знание числа Авогадро дает представление о масштабах микромира, о размерах молекул. Возьмем воды; его масса 1 г, что составляет моля воды; следовательно, воды содержит молекул воды. Стало быть, на долю одной молекулы приходится объем

Считая, что в жидкости молекулы плотно прилегают друг к другу, найдем, что линейный размер молекулы, т. е. величина порядка корня кубического из ее объема, составляет около , или 0,3 нм.

Линейные размеры других атомов и молекул также величины порядка десятых долей нанометра. Наименьшие частицы, доступные наблюдению в оптическом микроскопе, имеют размеры в несколько десятых микрометра, т. е. они содержат около 10 млрд. атомов. Однако с помощью электронного микроскопа и некоторых других приборов (например, ионного проектора) можно наблюдать отдельные атомы.

Комментарии

  1. Число Авогадро A есть кратная единица измерения очень больших безразмерных величин, численно равная постоянной Авогадро, то есть A в NA раз больше исходной величины — 1-й штуки. Число Авогадро используют для количественного описания систем, содержащих настолько большое число любых объектов (обычно частиц и групп частиц вещества), что указывать количество этих объектов в штуках становится малоудобно и малонаглядно. Например, 1 А теннисных мячей покроют поверхность планеты Земля слоем толщиной 100 км; 1 А долларовых банкнот закроют все материки Земли плотным двухкилометровым слоем; в пустыне Сахара содержится немногим менее 3 А песчинок.

Современные оценки

Один из оптиков австралийского ACPO держит однокилограммовый монокристаллический шар из кремния для проекта International Avogadro Coordination.

Официально принятое в 2010 году значение числа Авогадро было измерено при использовании двух сфер, изготовленных из кремния-28. Сферы были получены в Институте кристаллографии имени Лейбница и отполированы в австралийском Центре высокоточной оптики настолько гладко, что высоты выступов на их поверхности не превышали 98 нм. Для их производства был использован высокочистый кремний-28, выделенный в нижегородском Институте химии высокочистых веществ РАН из высокообогащённого по кремнию-28 тетрафторида кремния, полученного в Центральном конструкторском бюро машиностроения в Санкт-Петербурге.

Располагая такими практически идеальными объектами, можно с высокой точностью подсчитать число атомов кремния в шаре и тем самым определить число Авогадро. Согласно полученным результатам, оно равно 6,02214084(18)·1023 моль−1.

Однако в январе 2011 года были опубликованы результаты новых измерений, считающиеся более точными: NA = 6,02214078(18)⋅1023 моль−1.

На 24-й Генеральной конференции по мерам и весам 17—21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии СИ переопределить моль таким образом, чтобы число Авогадро было равным точно 6,02214X⋅1023 моль−1, где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в окончательном релизе на основании наиболее точных рекомендаций CODATA. В этой же резолюции предложено таким же образом определить как точные значения постоянную Планка, элементарный заряд, постоянную Больцмана и максимальную световую эффективность монохроматического излучения для дневного зрения.

Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2010 году, составляло:

NA = 6,022 141 29(27)⋅1023 моль−1.

Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2014 году, составляло:

NA = 6,022 140 857(74)⋅1023 моль−1

Противники гипотезы

У закона Авогадро было много противников. Отчасти это было связано с тем, что в те времена отсутствовала простая и ясная запись уравнений и формул химических реакций. Главным недоброжелателем был Йенс Берцелиус – шведский химик, имеющий непререкаемый авторитет. Он считал, что у всех атомов есть электрические заряды, а сами молекулы состоят из атомов с противоположными зарядами, которые притягиваются друг к другу. Так, у атомов водорода был положительный заряд, а у атомов кислорода – отрицательный. С этой точки зрения молекулы кислорода, состоящей из 2-х одинаково заряженных атомов, просто не существует. Но если молекулы кислорода всё же одноатомны, то в реакции азота с кислородом пропорция соотношения объёмов должна быть 1:1:1. Данное утверждение противоречит эксперименту, где из 1 литра кислорода и 1 литра азота получали 2 литра оксида азота. Именно по этой причине Берцелиус и другие химики отвергали закон Авогадро. Ведь он абсолютно не соответствовал экспериментальным данным.

Следствия закона

Первое следствие из закона Авогадро: один моль (одинаковое количество молей) любого газа при одинаковых — изобаричных и изотермичных — условиях занимает одинаковый объём.

Согласно закону Авогадро, одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. С другой стороны, 1 моль любого вещества содержит (по определению) одинаковое число частиц (англ.)русск. (например, молекул). Отсюда следует, что при определённых температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объём.

В частности, при нормальных условиях, т. е. при 0 °C (273 К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа равен 22,413(962) л (л/моль). Этот объём называют молярным объёмом газа Vm. Пересчитать эту величину на другие температуру и давление можно с помощью уравнения Клапейрона:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл не найден; См. math/README — справку по настройке.): \frac{PV}{T} = \frac{101,3 ~ kPa\cdot 22,414 ~ l}{273 ~ K}
.

Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа ко второму.

Положение это имело громадное значение для развития химии (химии идеального газа), так как оно дает возможность определять частичный вес тел, способных переходить в газообразное или парообразное состояние (см. Атомно-молекулярное учение). Если через m мы обозначим частичный вес тела, и через d — удельный вес его в парообразном состоянии, то отношение m / d должно быть постоянным для всех тел. Опыт показал, что для всех изученных тел, переходящих в пар без разложения, эта постоянная равна 28,9, если при определении частичного веса исходить из удельного веса воздуха, принимаемого за единицу; но эта постоянная будет равняться 2, если принять за единицу удельный вес водорода. Обозначив эту постоянную, или, что то же, общий всем парам и газам частичный объём через С, мы из формулы имеем с другой стороны m = dC. Так как удельный вес пара определяется легко, то, подставляя значение d в формулу, выводится и неизвестный частичный вес данного тела.

Элементарный анализ, например, одного из полибутиленов указывает, в нём пайное отношение углерода к водороду, как 1 к 2, а потому частичный вес его может быть выражен формулой СН2 или C2H4, C4H8 и вообще (СН2)n. Частичный вес этого углеводорода тотчас определяется, следуя закону Авогадро, раз мы знаем удельный вес, т. е. плотность его пара; он определен Бутлеровым и
оказался 5,85 (по отношению к воздуху); т. е. частичный вес его будет 5,85 · 28,9 = 169,06. Формуле C11H22 отвечает частичный вес 154, формуле C12H24 — 168, а C13H26 — 182. Формула C12H24 близко отвечает наблюдаемой величине, а потому она и должна выражать собою величину частицы нашего углеводорода (CH2)n.

Возрождение закона

До шестидесятых годов девятнадцатого столетия в химии наблюдался произвол. Причём он распространялся как на оценку молекулярных масс, так и на описание химических реакций. Об атомном составе сложных веществ было вообще много неверных представлений. Некоторые учёные даже планировали отказаться от молекулярной теории. И только в 1858 году химик из Италии по имени Канниццаро нашёл в переписке Бертолле и Ампера ссылку на закон Авогадро и следствия из него. Это упорядочило запутанную картину химии того времени. Два года спустя Канниццаро рассказал о законе Авогадро в Карлсруэ на Международном конгрессе по химии. Его доклад произвёл на учёных неизгладимое впечатление. Один из них сказал, что он как будто прозрел, все сомнения испарились, а взамен появилось чувство уверенности.

После того как закон Авогадро признали, учёные могли не только определять состав молекул газов, но и рассчитывать атомные и молекулярные массы. Эти знания помогали в расчёте массовых соотношений реагентов в различных химических реакциях. И это было очень удобно. Измеряя массу в граммах, исследователи могли оперировать молекулами.

Особенности строения веществ в различных агрегатных состояниях

В твердых телах, по сравнению с жидкостями и тем более газами, частицы вещества находятся в тесной взаимосвязи, на небольших расстояниях. В газообразных же веществах расстояния между молекулами настолько велики, что практически исключает взаимодействие между ними.

Рис. 1. Модели строения вещества в разных агрегатных состояниях

При отсутствии взаимодействия между молекулами их индивидуальность не проявляется. Значит, можно считать, что между молекулами в любых газах расстояния одинаковые. Но при условии, что эти газы находятся в одинаковых условиях – при одинаковых давлении и температуре.

Предисловие к главе

Слово «Газ» происходит от хорошо известного греческого слова хаос. Химики гораздо позже подошли к изучению газов, чем других веществ. Твердые и жидкие вещества было значительно легче опознавать и отличать друг от друга, а представление о различных «воздухах» зарождалось очень медленно. Диоксид углерода был получен из известняка только в 1756 г. Водород открыли в 1766 г., азот — в 1772 г., а кислород — в 1781 г. Несмотря на столь позднее открытие газов, они являлись первыми веществами, физические свойства которых удавалось объяснить при помощи простых законов. Оказалось, что когда вещества, находящиеся в этом трудноуловимом состоянии, подвергаются изменениям температуры и давления, они ведут себя по гораздо более простым законам, чем твердые и жидкие вещества. Более того, одним из важнейших испытаний атомистической теории оказалась ее способность объяснить поведение газов. Эта история излагается в данной главе.

Заключив в замкнутый сосуд образец какого-либо газа, мы можем измерить его массу, объем, давление на стенки сосуда, вязкость, температуру, теплопроводность и скорость распространения  нем звука. Легко также измерить скорость эффузии (истечения) газа через отверстие в сосуде и скорость, с которой один газ диффундирует (проникает) в другой. В данном разделе будет показано, что все эти свойства не являются независимыми друг от друга, а связаны при помощи довольно простой теории, основанной на предположении, что газы состоят из непрерывно движущихся и сталкивающихся частиц.

Модели молекул некоторых газообразных веществ

Свою гипотезу Авогадро использовал для объяснения результатов опытов с газообразными веществами. В процессе рассуждений он смог сделать важные выводы о составе молекул некоторых веществ.

Рассмотрим результаты экспериментов, на основании которых Авогадро смог смоделировать молекулы некоторых веществ.

Вы уже знаете, что при пропускании через воду электрического тока, вода разлагается на два газообразных вещества  — водород и кислород.

Опыт по разложению воды проведем в электролизере. При пропускании электрического тока через воду на электродах начнут выделяться газы, которые вытеснят воду из пробирок. Газы получатся чистыми, потому что воздуха в пробирках, заполненных водой, нет. Причем объем выделившегося водорода будет в 2 раза больше, чем объем выделившегося кислорода.

Какой вывод сделал из этого Авогадро? Если объем водорода в два раза больше объема кислорода, значит, молекул водорода образовалось тоже в 2 раза больше. Следовательно, в молекуле воды на два атома водорода приходится один атом кислорода.

Рассмотрим результаты других опытов, которые позволяют сделать предположение о строении молекул веществ. Известно, что при разложении 2 л аммиака образуется 1 л азота и 3 л водорода (Рис. 2).

Рис. 2. Соотношение объемов газов, участвующих в реакции

Отсюда можно сделать вывод, что в молекуле аммиака на один атом азота приходится три атома водорода. Но почему тогда для реакции потребовалось не 1л аммиака, а 2л?

Если воспользоваться моделями молекул водорода и аммиака, которые предложил Д. Дальтон, то получил результат, противоречащий эксперименту, т.к. из 1 атома азота и трех атомов водорода получится только 1 молекула аммиака. Таким образом, по закону Авогадро объем разложившегося аммиака в этом случае будет равен 1 л.

Рис. 3. Объяснение результатов эксперимента с позиций теории Д. Дальтона

Если же предположить, что каждая молекула водорода и азота состоит из двух атомов, то у модели не будет противоречия с экспериментальным результатом. В этом случае  одна молекула азота и три молекулы водорода образуются из двух молекул аммиака.

Рис. 4. Модель реакции разложения аммиака

Рассмотрим результаты еще одного опыта. Известно, что при взаимодействии 1 л кислорода с 2 л водорода образовалось 2 л паров воды (т.к. реакцию проводят при температуре больше 100 С). Какой вывод можно сделать о составе молекул кислорода, водорода и воды?Такое соотношение можно объяснить, если предположить, что молекулы водорода и кислорода состоят из двух атомов:

Рис. 5. Модель реакции между водородом и кислородом

Из двух молекул водорода и 1 молекулы кислорода образуется 2 молекулы воды.

Список рекомендованной литературы

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.

2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.26-27)

3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§11)

4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Единая коллекция цифровых
образовательных ресурсов (Источник).

2. Электронная
версия журнала «Химия и жизнь» (Источник).

3. Тесты по химии
(онлайн) (Источник).

Домашнее задание

1. с.67 № 2 из учебника «Химия: 8-й класс» (П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005).

2. №45 из Сборника задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.

1.2.3 Закон парциальных давлений

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:

1 моль любого газа при н.у. занимает объем, равный 22,4 л;

объем 1 моля любого газа значительно превышает объем 1 моля жидкого или твердого вещества (сравните: 1 моль жидкой воды — 18 смз(0,018 л), 1 моль водяного пара — 22,4 л) и в общем объеме системы объемом жидких и твердых веществ можно пренебречь.

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

Таким образом, используя понятие «моль вещества» в совокупности с другими определениями, для любого химического соединения (вещества) можно определить:

массу одного атома или молекулы конкретного химического вещества;

число атомов или молекул вещества в заданной его массе;

объем заданной массы газа при нормальных условиях;

массы реагирующих и образующихся веществ;

параметры газа и смеси газов.

Учебник по физике10 класс

§ 3.8. Законы Авогадро и Дальтона

Следует сказать еще о двух газовых законах. Один из них касается числа молекул различных газов при одинаковых давлениях и температурах, а другой относится к смеси газов.

Закон Авогадро

В начале XIX в. было установлено правило кратных отношений для газов, вступающих в химическую реакцию. Если температуры и давления газов, соединяющихся друг с другом, равны, то их объемы находятся в простых отношениях: 1:1, 1 : 2, 1 : 3 и т. д.

На основании этого правила Авогадро в 1811 г. высказал смелую для того времени гипотезу: в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул. При отношении 1 : 1 молекулы реагирующих газов соединяются попарно. Если отношение объемов равно 1 : 2, то каждая молекула первого газа присоединяет к себе две молекулы второго и т. д.

В настоящее время гипотеза Авогадро строго доказана и носит название закона Авогадро.

Согласно закону Авогадро различные газы, взятые в количестве 1 моль, имеют одинаковые объемы при одинаковых давлениях р и температурах t, так как число молекул в них одно и то же. При нормальных условиях, т. е. при температуре 0 °С и атмосферном давлении 101 325 Па, этот объем, как показывают измерения, равен

Объем VMO называют молярным при нормальных условиях.

Почему же в равных объемах газов при одинаковых давлениях и температурах всегда обнаруживается одно и то же число молекул независимо от того, какой газ взят? Объяснить это можно только с помощью молекулярно-кинетической энергии (см. § 4.5).

Закон Дальтона

Чаще имеют дело не с чистым газом — кислородом, водородом и т. д., а со смесью газов. Атмосферный воздух, в частности, представляет собой смесь азота, кислорода и многих других газов. Каждый из газов смеси вносит свой «вклад» в суммарное давление на стенки сосуда. Давление, которое имел бы каждый из газов, составляющих смесь, если удалить из сосуда остальные газы, называют парциальным (т.е. частным) давлением.

Простейшее предположение, которое можно сделать, состоит в том, что давление смеси газов р равно сумме парциальных давлений всех газов p1, p2, р3 . . .:

Английский химик Д. Дальтон установил, что для достаточно разреженных газов именно так и есть в действительности. Соотношение (3.8.2) называют законом Дальтона.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории закон Дальтона выполняется потому, что взаимодействие между молекулами идеального газа пренебрежимо мало. Поэтому каждый газ оказывает на стенку сосуда такое давление, как если бы остальных газов не было.

Моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Это значение объема установлено экспериментально. В смеси газов каждый из них оказывает давление на стенки сосуда независимо от присутствия других газов.

Ссылка на основную публикацию