Молярный объём (V
m
) является одной из фундаментальных физико-химических характеристик вещества. Он представляет собой объём, который занимает один моль любого вещества. Этот параметр позволяет связывать макроскопические свойства (объём) с микроскопическими (количество частиц или молей) и служит важным инструментом для решения задач, связанных с реакциями и расчётами газовых смесей. Понимание того, как найти молярный объём вещества, особенно газов, критически важно для стехиометрических расчётов в химии.
Для твёрдых и жидких веществ молярный объём определяется индивидуально и зависит от плотности вещества. Однако для газов существует универсальное правило, установленное законом Авогадро. Этот закон гласит, что равные объёмы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул. Отсюда выводится стандартизированное значение молярного объёма газа при нормальных условиях, что значительно упрощает расчёты, связанные с газообразными реагентами и продуктами.
Расчёт молярного объёма для твёрдых и жидких веществ
Для конденсированных фаз (жидкостей и твёрдых тел) молярный объём — это отношение молярной массы вещества к его плотности. Поскольку плотность уникальна для каждого вещества и зависит от температуры, V
m
для твёрдых и жидких веществ также является уникальной величиной.
Использование плотности и молярной массы
Формула для определения молярного объёма для твёрдых и жидких веществ выглядит следующим образом:
V
m
=
ρ
M
где:
- V
m
— молярный объём (обычно измеряется в м
3
/моль или л/моль). - M — молярная масса вещества (измеряется в г/моль или кг/моль).
- ρ — плотность вещества (измеряется в г/см
3
или кг/м
3
).
Пример расчёта: Если плотность воды при 4 °C составляет 1 г/см
3
, а её молярная масса равна 18 г/моль, молярный объём воды будет составлять:
V
m
=
1 г/см
3
18 г/моль
=18 см
3
/моль=0,018 л/моль
Молярный объём идеального газа при стандартных условиях
Для газов процесс определения молярного объёма значительно упрощается благодаря концепции идеального газа и стандартизации условий измерения. В химии используются два основных набора стандартных условий.
Нормальные условия (НУ) и их значение
Нормальные условия (НУ) — это исторически принятый стандарт, часто используемый в учебной литературе и для расчётов газовых реакций.
- Температура: 0 °C (или 273,15 K).
- Давление: 1 атмосфера (или 101,325 кПа).
При нормальных условиях молярный объём любого идеального газа составляет фиксированное значение:
V
m,НУ
=22,4 л/моль
Это значение позволяет легко переходить от объёма газа к его количеству (моль) и обратно, используя простую пропорцию. Это следствие закона Авогадро.
Стандартные условия (СТП) — новый стандарт
В физике и международной практике чаще используется более современный набор стандартных условий (СТП, или SATP), который учитывает изменение определения стандартного давления.
- Температура: 25 °C (или 298,15 K).
- Давление: 100 кПа (или 1 бар).
Молярный объём идеального газа при стандартных условиях (СТП) немного отличается от НУ:
V
m,СТП
=24,79 л/моль
При решении химических задач всегда необходимо обращать внимание на то, какие условия (НУ или СТП) указаны в задании, чтобы использовать правильное значение молярного объёма.
Расчёт объёма газа при произвольных условиях
Если температура и давление газа не соответствуют ни НУ, ни СТП, молярный объём (а, следовательно, и объём) газа определяется с помощью уравнения состояния идеального газа, известного как уравнение Клапейрона-Менделеева.
Применение уравнения Клапейрона-Менделеева
Уравнение связывает давление (P), объём (V), количество вещества (n), температуру (T) и универсальную газовую постоянную (R):
P⋅V=n⋅R⋅T
Молярный объём (V
m
) — это объём, занимаемый одним молем (n=1). Следовательно, формула для молярного объёма принимает вид:
V
m
=
n
V
=
P
R⋅T
где:
- R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль⋅К)).
- T — абсолютная температура (в Кельвинах).
- P — давление газа (в Паскалях).
Этот метод является наиболее точным для расчёта объёма газа при любых заданных условиях. Важно помнить, что температура должна быть выражена в Кельвинах (T(К)=t(
∘
С)+273,15).
Молярный объём (V
m
) — это объём, занимаемый одним молем вещества, и его определение зависит от агрегатного состояния. Для жидкостей и твёрдых тел молярный объём рассчитывается через отношение молярной массы к плотности (V
m
=M/ρ). Для газов при стандартных условиях молярный объём принимает фиксированные значения: 22,4 л/моль при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) и 24,79 л/моль при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа). Если условия произвольны, V
m
определяется с использованием уравнения Клапейрона-Менделеева (V
m
=(R⋅T)/P).