Вопросы и задания, страница 99 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

Объясните, почему объёмы газов, принимающих участие в химической реакции, относятся друг к другу как соответствующие коэффициенты в уравнении химической реакции.

Соотношение объемов газов, участвующих в химической реакции, и стехиометрических коэффициентов в уравнении этой реакции объясняется законом Авогадро и его следствием для химических расчетов. Раскроем эту связь подробнее.

1. Значение коэффициентов в уравнении реакции.

Стехиометрические коэффициенты в сбалансированном химическом уравнении показывают мольное соотношение веществ, вступающих в реакцию и образующихся в ее результате. Например, рассмотрим реакцию горения метана:

$CH_4(г) + 2O_2(г) \rightarrow CO_2(г) + 2H_2O(г)$

Коэффициенты в этом уравнении (1 перед $CH_4$, 2 перед $O_2$, 1 перед $CO_2$ и 2 перед $H_2O$) означают, что 1 моль метана реагирует с 2 молями кислорода, в результате чего образуется 1 моль углекислого газа и 2 моля водяного пара. Соотношение количеств веществ ($\nu$) будет следующим:

$\nu(CH_4) : \nu(O_2) : \nu(CO_2) : \nu(H_2O) = 1 : 2 : 1 : 2$

2. Закон Авогадро и молярный объем газа.

Закон Авогадро гласит, что в равных объемах любых газов при одинаковых температуре ($T$) и давлении ($P$) содержится одинаковое число молекул, а следовательно, и одинаковое количество вещества (число молей, $\nu$).

Из этого закона вытекает важное следствие, которое также можно получить из уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева-Клапейрона $PV = \nu RT$): при постоянных $T$ и $P$ объем газа ($V$) прямо пропорционален количеству вещества ($\nu$).

$V = \nu \cdot const$ или $V \propto \nu$

Отношение объема газа к количеству вещества при заданных условиях называется молярным объемом ($V_m$) и является постоянной величиной для всех газов при этих условиях: $V_m = V/\nu$. Например, при нормальных условиях (0 °C и 1 атм) молярный объем любого газа составляет приблизительно 22,4 л/моль.

3. Связь между объемом и коэффициентами.

Поскольку объем газа прямо пропорционален количеству вещества ($V = \nu \cdot V_m$), а количество вещества в реакции пропорционально стехиометрическим коэффициентам, то и объемы газов (измеренные при одинаковых $T$ и $P$) будут находиться в том же соотношении, что и их коэффициенты.

Вернемся к нашему примеру с горением метана. Запишем соотношение объемов, подставив $V = \nu \cdot V_m$:

$V(CH_4) : V(O_2) : V(CO_2) : V(H_2O) = (\nu(CH_4) \cdot V_m) : (\nu(O_2) \cdot V_m) : (\nu(CO_2) \cdot V_m) : (\nu(H_2O) \cdot V_m)$

Так как молярный объем $V_m$ для всех газов в данных условиях одинаков, его можно сократить в этом соотношении:

$V(CH_4) : V(O_2) : V(CO_2) : V(H_2O) = \nu(CH_4) : \nu(O_2) : \nu(CO_2) : \nu(H_2O)$

А так как соотношение молей равно соотношению коэффициентов, то получаем:

$V(CH_4) : V(O_2) : V(CO_2) : V(H_2O) = 1 : 2 : 1 : 2$

Это означает, что 1 литр метана реагирует с 2 литрами кислорода, образуя 1 литр углекислого газа и 2 литра водяного пара (при условии, что все объемы измерены при одинаковых и достаточно высоких температуре и давлении, чтобы вода была в газообразном состоянии).

Данное правило известно как закон объемных отношений Гей-Люссака.

Ответ: Объемы газов, участвующих в химической реакции, относятся друг к другу как соответствующие коэффициенты в уравнении реакции, потому что, согласно закону Авогадро, при одинаковых внешних условиях (температуре и давлении) объемы газов прямо пропорциональны их количествам вещества (числу молей). А поскольку стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции как раз и задают соотношение молей реагирующих и образующихся веществ, то и соотношение их объемов будет таким же.