В химических процессах объем реакционной смеси, в отличие от ее массы, может меняться. Это происходит, если в химической реакции реагируют и/или образуются газообразные реагенты и/или продукты.

Объем газа при постоянных физических условиях (T, P) пропорционален массе газа

То есть, в химических расчетах массу газов можно заменить их объемами.

Пример. Найти объем кислорода, который прореагирует с 22,4 дм3 водорода. Нормальные условия (0*С, 101325 Па).

  1. Запишем уравнение химической реакции: 2H2 + O2 = 2H2O;
  2. Рассчитаем объем кислорода: V(O2) = V(H2) * (1 моль (O2) * VM) / (2 моль (H2) * VM) = 22,4 * (1 * 22,4) / (2 * 22,4) = 11,2 дм3

Объемные соотношения в химических реакциях между газами определяет закон объемных отношений, который был установлен опытным путем французским ученым Жозеф-Луи Гей-Люссаком (1808):

В химических реакциях объемы газообразных веществ (реагентов и продуктов) относятся между собой как небольшие целые числа

Пример.

  1. Одна объемная доля водорода и такая же объемная часть хлора образуют две объемные доли хлороводорода:

H2 + Cl2 → HCl + HCl

  1. Две объемные доли диоксида серы и одна объемная доля кислорода образуют две объемные доли триоксида серы:

 SO2 + SO2 + O2 → SO3 + SO3

В каждой реакции единичный объем любого газа один и тот же, а сама реакция протекает при постоянном давлении и температуре.

Химический газовый закон Гей-Люссака не уточняет, в виде каких частиц (атомов или молекул) участвуют одноэлементные газы в реакциях. В то время считалось, что газы состоят из атомов, а поскольку размеры атомов различных газов неодинаковы, то и число атомов в равных объемах различных газов должно быть различным; это противоречило экспериментальным наблюдениям Гей-Люссака. В дальнейшем, это противоречие было снято, поскольку оказалось, что многие газы (водород, кислород, хлор и др.) Состоят из двухатомных молекул.

Основным газовым законом является закон Авогадро, открытый как гипотеза итальянским физиком и химиком Амедео Авогадро:

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (T, p) содержится одинаковое число молекул

Именно Авогадро своими исследованиями заложил основы молекулярной теории и ввел в науку представление о молекулах как о более сложных частицах, чем атомы. Закон Авогадро объясняет простые объемные отношения между реагирующими и образующимися газами, установленные ранее Гей-Люссаком.

Число молекул в 1 см3 при 101325 Па (1 атм) и 0*С первым определил Лошмидт, тем самым подтвердив закон Авогадро.

Исходя из своей гипотезы, Авогадро разработал способ определения молярной массы M неизвестного газа B (или пара) через измеренную относительную плотности d этого газа по другому (известному) газау A:

M(B) = dAM(A) (P, T = const)

Наиболее часто используют относительную плотность газа по водороду dH2:

M(B) = 2,016 * dH2 г./моль

Относительную плотность газа по водороду определяют экспериментально.

Закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален его давлению

V2 / V1 = P1 / P2; T = const

Закон Гей-Люссака-Шарля: при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален абсолютной температуре

V2 / V1 = T2 / T1; p = const

или при постоянном объема давление газа прямо пропорционален абсолютной температуре

P2 / P1 = T2 / T1; V = const

Объединенный газовый закон

P1V1 / T1 = P2V2 / T2

Состояние идеального газа определяют три параметра — давление, температура и объем. Все они связаны между собой — уравнение Клапейрона-Менделеева:

PV = nRT

где R — газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К.

При смешивании различных газов образуются однородные смеси. Общее давление газов закон Дальтона равно сумме парциальных давлений всех газов, которые входят в смесь:

Р = P1 + P2 + … + Pi

Парциальное давление газа — это давление, которое создавал бы газ, если бы он занимал объем смеси.