§ 17. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

У яких об’ємних відношеннях реагують і утворюються газуваті речовини?

Об’єми газів, які взаємодіють або утворюються, відносяться один до одного як невеликі цілі числа. Вони відповідають коефіцієнтам у хімічному рівнянні.

Як використовують закон об’ємних відношень газів у розв’язуванні задач?

Закон Гей-Люссака дає змогу знаходити об’єми газів за рівнянням реакції, обминаючи розрахунки молярних мас та об’ємів. Коефіцієнти перед формулами газів вказують на пряме співвідношення їхніх об’ємів.

Визначте відношення об’ємів реагентів — сірководню $H_2S$ і кисню, якщо продуктами реакції між цими газами є сірчистий газ $SO_2$ і вода.

Рівняння реакції: $$2H_2S + 3O_2 = 2SO_2 + 2H_2O$$. За коефіцієнтами, об’єми сірководню та кисню відносяться як $2 : 3$.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про закон об’ємних відношень газів у хімічних реакціях та його використання.

Цей закон пов’язує об’єми газів через коефіцієнти в рівнянні. Він суттєво спрощує розрахунки: об’єми можна рахувати так само як і молі речовини, без використання молярного об’єму.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: «Як зміниться загальний об’єм газової суміші після повної реакції між $10$ л азоту та $30$ л водню з утворенням амоніаку $NH_3$?»

Відповідь: Об’єм зменшиться вдвічі (було $40$ л, стане $20$ л). Пояснення: За рівнянням $N_2 + 3H_2 = 2NH_3$, об’єми співвідносяться як $1:3:2$. Тобто з $10$ л азоту і $30$ л водню (сумарно $40$ л) утворюється $20$ л амоніаку.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

Збільшуватиметься, зменшуватиметься чи залишатиметься постійним сумарний об’єм речовин під час кожного хімічного перетворення, якщо всі реагенти та продукти реакцій є газами: а) $CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl$; б) $NH_3 + Cl_2 \rightarrow N_2 + HCl$; в) $CH_4 \rightarrow C_2H_2 + H_2$; г) $O_3 \rightarrow O_2$; д) $N_2 + O_2 \rightarrow NO$; е) $N_2H_4 \rightarrow NH_3 + N_2$?

а) Постійний. Рівняння: $CH_4 + Cl_2 = CH_3Cl + HCl$. Співвідношення: $2 \rightarrow 2$.
б) Збільшуватиметься. Рівняння: $2NH_3 + 3Cl_2 = N_2 + 6HCl$. Співвідношення: $5 \rightarrow 7$.
в) Збільшуватиметься. Рівняння: $2CH_4 = C_2H_2 + 3H_2$. Співвідношення: $2 \rightarrow 4$.
г) Збільшуватиметься. Рівняння: $2O_3 = 3O_2$. Співвідношення: $2 \rightarrow 3$.
д) Постійний. Рівняння: $N_2 + O_2 = 2NO$. Співвідношення: $2 \rightarrow 2$.
е) Збільшуватиметься. Рівняння: $3N_2H_4 = 4NH_3 + N_2$. Співвідношення: $3 \rightarrow 5$.

Чи вистачить кисню об’ємом $2,5$ л для спалювання такого ж об’ємом чадного газу?

Так, вистачить. Згідно з рівнянням $2CO + O_2 = 2CO_2$, на $2$ об’єми $CO$ витрачається $1$ об’єм $O_2$. Для $2,5$ л $CO$ потрібно лише $1,25$ л кисню. Отже, кисню взято з надлишком.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

Обчисліть об’єм кисню, який витратиться на згоряння метану $CH_4$ об’ємом $2$ л, якщо продуктами реакції є вода і вуглекислий газ.

Дано:
$V(CH_4) = 2 \text{ л}$

Знайти:
$V(O_2) – ?$

Розв’язання:
Рівняння: $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$.
За рівнянням, на $1$ об’єм $CH_4$ потрібно $2$ об’єми $O_2$.
$V(O_2) = 2 \cdot 2 \text{ л} = 4 \text{ л}$.

Відповідь: 4 л.

У посудині змішали газ $NO$ об’ємом $4$ л і кисень об’ємом $3$ л. Які гази будуть виявлені після реакції, унаслідок якої утворюється газ $NO_2$? Обчисліть об’єм кожного із цих газів.

Дано:
$V(NO) = 4 \text{ л}$
$V(O_2) = 3 \text{ л}$

Знайти:
Склад і об’єми газів після реакції.

Розв’язання:
Рівняння: $2NO + O_2 = 2NO_2$.
Співвідношення: $2 : 1 : 2$.

1. Визначаємо надлишок: на $4$ л $NO$ потрібно $2$ л $O_2$. В наявності є $3$ л, отже, кисень у надлишку. Залишок: $3 – 2 = 1 \text{ л}$.
2. Об’єм утвореного $NO_2$ дорівнює об’єму $NO$, тобто $4$ л.

Відповідь: 4 л $NO_2$ та 1 л $O_2$.

Після реакції у $40$ мл суміші кисню з воднем залишилося $10$ мл кисню, який не прореагував. Обчисліть об’єми газів, які були в суміші до взаємодії речовин.

Дано:
$V_{сум} = 40 \text{ мл}$
$V_{зал}(O_2) = 10 \text{ мл}$

Знайти:
$V_{поч}(H_2) – ?$
$V_{поч}(O_2) – ?$

Розв’язання:
Об’єм газів, що зреагували: $40 – 10 = 30 \text{ мл}$.
Рівняння: $2H_2 + O_2 = 2H_2O$.
Співвідношення $H_2 : O_2 = 2 : 1$.
Нехай прореагувало $x$ мл $O_2$, тоді $H_2$ прореагувало $2x$ мл.
$x + 2x = 30$
$3x = 30 \Rightarrow x = 10 \text{ мл}$.
Тобто прореагувало $10$ мл $O_2$ і $20$ мл $H_2$.
Початкові об’єми:
$V_{поч}(H_2) = 20 \text{ мл}$.
$V_{поч}(O_2) = 10 \text{ (зреагувало)} + 10 \text{ (залишок)} = 20 \text{ мл}$.

Відповідь: 20 мл водню і 20 мл кисню.

У якому об’ємному відношенні необхідно змішати сірчистий газ $SO_2$ і повітря, щоб кожного реагенту вистачило для перебігу реакції $SO_2 + O_2 \rightarrow SO_3$? Вважайте, що кисень займає п’яту частину об’єму повітря. Спробуйте розв’язати задачу усно.

Дано:
Рівняння: $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$
$V(O_2) = 1/5 V_{\text{пов}}$

Знайти:
$V(SO_2) : V_{\text{повітря}} – ?$

Розв’язання:
Співвідношення газів за рівнянням: $SO_2 : O_2 = 2 : 1$.
Оскільки кисень становить п’яту частину повітря, об’єм повітря в $5$ разів більший за об’єм кисню: $V_{\text{пов}} = 5 \cdot V(O_2)$.
Тоді відношення $V(SO_2) : V_{\text{пов}} = 2 : 5$.

Відповідь: 2 : 5.

Обчисліть об’єм кисню, який витратиться на спалювання $200$ мл суміші водню та чадного газу $СО$. Чи необхідно для розв’язання задачі знати кількісний склад суміші? Відповідь аргументуйте.

Дано:
$V_{сум}(H_2, CO) = 200 \text{ мл}$

Знайти:
$V(O_2) – ?$

Розв’язання:
Рівняння:
$2H_2 + O_2 = 2H_2O$
$2CO + O_2 = 2CO_2$
В обох реакціях пальне і кисень реагують у співвідношенні $2 : 1$.
Тому на згоряння всієї суміші потрібен удвічі менший об’єм кисню:
$V(O_2) = 200 / 2 = 100 \text{ мл}$.

Відповідь: 100 мл. Знати точний склад суміші не потрібно.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

Один об’єм газуватої сполуки Нітрогену з Гідрогеном під час згоряння в кисні утворює один об’єм азоту $N_2$ і два об’єми водяної пари. Установіть формулу сполуки і запишіть рівняння відповідної реакції.

Схема:
$$1 \cdot N_xH_y + O_2 \rightarrow 1 \cdot N_2 + 2 \cdot H_2O$$

За законом збереження маси:

• Атомів $N$: $x = 1 \cdot 2 \Rightarrow x = 2$.
• Атомів $H$: $y = 2 \cdot 2 \Rightarrow y = 4$.

Формула речовини — $N_2H_4$ (гідразин).

Рівняння: $$N_2H_4 + O_2 = N_2 + 2H_2O$$

У КОМАНДІ

За матеріалами з інтернету підготуйте повідомлення про експерименти, що зумовили відкриття закону об’ємних відношень газів у хімічних реакціях.

У 1805 році Жозеф Луї Гей-Люссак та Александр фон Гумбольдт досліджували взаємодію водню і кисню. Вони виявили, що ці гази утворюють воду в чіткому об’ємному відношенні $2 : 1$. У 1808 році Гей-Люссак перевірив інші реакції (зокрема, синтез амоніаку та хлороводню) і вивів загальний закон: об’єми газів, що реагують, співвідносяться як невеликі цілі числа.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Закон об’ємних відношень газів — Law of combining volumes of gases
• Газуваті речовини — Gaseous substances
• Хімічне рівняння — Chemical equation
• Реагенти — Reactants
• Продукти реакції — Reaction products
• Стехіометричні коефіцієнти — Stoichiometric coefficients
• Об’ємна частка — Volume fraction

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

188. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.