§ 6.1. Молярная концентрация газа

Газообразные вещества, в отличие от твёрдых и жидких, занимают весь предоставленный им объём. Поэтому в одном и том же сосуде может находиться разное количество газа. От этого количества будет зависеть давление в системе.

Определение количества газа и его доли в газовой смеси важно для разных практических целей. Например, следует выяснить, опасен ли для жизни уровень содержания метана или угарного газа в воздухе, пригоден ли для дыхания воздух в помещении с большим количеством углекислого газа или воздух на высоте 10 км, взрывоопасна ли данная смесь воздуха с водородом, в каком соотношении пары бензина должны смешиваться с воздухом в двигателе внутреннего сгорания.

Для решения подобных задач в качестве количественной характеристики используют молярную концентрацию газообразного вещества, которая показывает количество данного газообразного вещества в единице объёма.

Молярная концентрация газообразного вещества — величина, равная отношению его количества к объёму, который этот газ занимает:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi mathvariant=¨bold-italic¨»c«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»(«/mo»«mi mathvariant=¨bold¨»X«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»)«/mo»«mo mathvariant=¨bold¨»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi mathvariant=¨bold-italic¨»n«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»(«/mo»«mi mathvariant=¨bold¨»X«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»)«/mo»«/mrow»«mrow»«mi mathvariant=¨bold-italic¨»V«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»(«/mo»«mi mathvariant=¨bold¨»X«/mi»«mo mathvariant=¨bold¨»)«/mo»«/mrow»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math»

Молярная концентрация газов измеряется в моль/дм³.

Например, молярная концентрация СО₂ при нормальных условиях составляет:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi»c«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»CO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»CO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»CO«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»22«/mn»«mo»,«/mo»«mn»4«/mn»«mo»§#160;«/mo»«msup»«mi»§#1076;§#1084;«/mi»«mn»3«/mn»«/msup»«/mrow»«/mfrac»«mo»§#8776;«/mo»«mn»0«/mn»«mo»,«/mo»«mn»0446«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo»/«/mo»«msup»«mi»§#1076;§#1084;«/mi»«mn»3«/mn»«/msup»«mo».«/mo»«/math»

Из приведённой выше формулы следует, что количество газообразного вещества в сосуде есть произведение молярной концентрации газа на объём сосуда, так как газ заполняет весь объём:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mi»c«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«mi»§#1089;§#1086;§#1089;§#1091;§#1076;§#1072;«/mi»«mo»)«/mo»«mo».«/mo»«/math»

Понятие молярной концентрации газообразного вещества сходно с понятием молярной концентрации растворённого вещества, с которым вы ознакомились в курсе химии 8-го класса:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi»c«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1088;«/mi»«mo»-«/mo»«mi»§#1088;§#1072;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math»

Причиной сходства является то, что растворённое вещество равномерно распределяется во всём объёме раствора, как и газообразное — во всём объёме сосуда.

Вопросы, задания, задачи

1. Установите соответствие между величинами.

2. Определите молярную концентрацию аммиака количеством 0,7 моль в сосуде объёмом 14 дм³.

3. Определите массу сернистого газа в сосуде объёмом 400 см³, если молярная концентрация SO₂ равна 0,5 моль/дм³.

4. Определите и сравните молярные концентрации трёх газов — водорода, азота и кислорода, если известно, что они находятся в сосудах объёмом по 5 дм³, а масса каждого из газов равна 7 г.

5. Сосуд объёмом 50 дм³ содержит гелий массой 10 г. В этот сосуд добавили гелий массой 8 г. Во сколько раз изменилась молярная концентрация газа? Как на исходную концентрацию гелия повлияет добавление аргона массой 8 г?

6. При газификации угля образовалась смесь газов, в которой на 1 дм³ СО приходится 4 дм³ Н₂, 1 дм³ СН₄, 3 дм³ СО₂. Рассчитайте молярную концентрацию каждого газа в смеси.

7. Озон относится к веществам класса высокой опасности. Его предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны равна 0,1 мг/м³. При этом порог человеческого обоняния приблизительно равен 0,01 мг/м³. Рассчитайте молярную концентрацию озона в воздухе при его содержании 0,01 мг/м³.

8. Рассчитайте молярную концентрацию кислорода в воздухе (объёмная доля кислорода равна 21 %).

9. При действии соляной кислоты на твёрдое вещество выделился газ, относительная плотность которого по воздуху составляет 1,172. Какое из веществ использовал экспериментатор: СаС₂, СаСО₃, CaS, СаСl₂?

10. Определите объём углекислого газа, выделившегося при действии соляной кислоты объёмом 0,5 дм³ на мрамор (карбонат кальция). Молярная концентрация кислоты составляет 2,7 моль/дм³.

Самоконтроль

1. Молярную концентрацию можно рассчитать по формулам:

а) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«mi»c«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«mi»§#1089;§#1086;§#1089;§#1091;§#1076;§#1072;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math»;

б) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«mi mathvariant=¨normal¨»§#969;«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1069;«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»A«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»r«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1069;«/mi»«mo»)«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mfrac»«mi mathvariant=¨normal¨»x«/mi»«msub»«mi»M«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»r«/mi»«/msub»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math»;

в) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«mi»c«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1088;«/mi»«mo»-«/mo»«mi»§#1088;§#1072;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math»;

г) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»N«/mi»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»X«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/msub»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math».

2. Молярная концентрация газообразного вещества имеет размерность:

• а) дм³/моль;
• б) моль/дм³;
• в) г/дм³;
• г) моль^–1.

3. При н. у. объём 22,4 дм³ имеют вещества количеством 1 моль, формулы которых:

• а) СаС₂;
• б) С₂Н₆;
• в) СО₂;
• г) О₃.

4. Молярная концентрация азота массой 5,6 г, находящегося в сосуде объёмом 20 дм³, равна (моль/дм³):

• а) 0,001;
• б) 0,01;
• в) 0,02;
• г) 0,1.

5. При нормальных условиях в сосуде объёмом 5 дм³ содержится газ массой 5,6 г. Его молярная концентрация составляет 0,04 моль/дм³. Этим газом может быть:

• а) С₂Н₄;
• б) С₂Н₆;
• в) N₂;
• г) CО.