Газы водорода и гелий широко используются в промышленности благодаря уникальным свойствам. От правильного определения такого фундаментального параметра как молярная масса зависит эффективность многих технологических процессов. Давайте разберемся с расчетами для этих важных газов.
Основные понятия и определения
Молярная масса - это масса одного моля вещества в граммах. Она показывает, сколько весит частица, содержащая столько молекул или атомов, сколько атомов в 12 граммах углерода-12.
Молярная масса (M) – это масса 1 моля вещества в граммах или килограммах на киломоль.
Численно молярная масса любого вещества равна его относительной молекулярной массе - безразмерной величине, показывающей, во сколько раз масса молекулы или атома тяжелее атома углерода-12.
- Молярная масса H2 = 2 г/моль
- Молярная масса He = 4 г/моль
Знание молярной массы необходимо для многих расчетов - количества вещества, объема газов, концентрации растворов и других важных параметров.
Способы определения молярной массы
Существует несколько основных способов нахождения молярной массы газов:
- По относительной атомной или молекулярной массе химических элементов
- Экспериментально по объему газа при нормальных условиях
- Из уравнения состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона
- Для смесей - через среднюю молярную массу компонентов
Рассмотрим подробно каждый из методов применительно к водороду и гелию.
1. По относительной атомной массе
Водород представляет собой двухатомную молекулу H2. Молярная масса молекулы равна сумме атомных масс атомов, ее образующих:
M(H2) = 2 × M(H) = 2 × 1,008 = 2,016 г/моль
Гелий - одноатомный газ. Его молярная масса равна атомной массе гелия по таблице Менделеева:
M(He) = 4,003 г/моль
Этот самый простой способ хорошо подходит для чистых веществ, состоящих из атомов одного элемента.
Для более сложных молекул и ионов требуются дополнительные расчеты с учетом зарядов и кратности связей.
2. Экспериментальное определение
Точное значение молярной массы можно получить опытным путем, используя закон Авогадро. Согласно ему, при одинаковых условиях (температуре и давлении) равные объемы любых газов содержат одинаковое число молекул.
Чтобы найти молярную массу, достаточно измерить массу 22,4 л газа (объем 1 моля) при нормальных физических условиях:
- Давление - 101 325 Па
- Температура - 0 °С (273 К)
| Объем газа | 22,4 л |
| Температура | 0 °C (273 K) |
| Давление | 101 325 Па |
Полученная масса газа в граммах и есть его молярная масса. На практике так определяют эталонные значения.
3. Из уравнения Менделеева-Клапейрона
Для идеальных газов молярную массу можно рассчитать по параметрам состояния, используя уравнение:
Где:
- p - давление газа
- V - объем
- m - масса
- T - температура (в К)
- R - универсальная газовая постоянная
Подставляя известные величины для заданных условий, можно определить молярную массу искомого газа.
4. Для газовых смесей
Молярная масса смеси равна среднему взвешенному значению молярных масс компонентов. Учитываются их доли по массе или объему.
Например, при известном составе можно легко посчитать молярную массу воздуха.
Расчет средней молярной массы газовой смеси
Рассмотрим конкретный пример определения средней молярной массы для смеси азота и кислорода. Известно, что объемная доля азота составляет 80%, кислорода - 20%.
Сначала запишем молярные массы каждого газа:
- M(N2) = 28 г/моль
- M(O2) = 32 г/моль
Далее рассчитаем среднюю молярную массу по формуле:
Где Xi - мольная доля i-го компонента, Mi - его молярная масса.
Подставляя значения, получаем:
Мсмеси = 0,8·28 + 0,2·32 = 28,8 г/моль
Пример расчета молярной массы водорода
определите молярные массы водорода гелия
Для нахождения молярной массы водорода H2 воспользуемся значением относительной атомной массы водорода из Периодической системы Д.И. Менделеева.
Водород - это двухатомная молекула, состоящая из двух атомов. Следовательно, молярная масса H2 равна:
Где 1,008 - это атомная масса водорода в атомных единицах массы.
Ответ: молярная масса H2 = 2,016 г/моль.
Определение молярной массы гелия
какова молярная масса гелия
Гелий - одноатомный газ, поэтому его молярная и атомная массы совпадают. Согласно Периодической системе элементов, атомная масса гелия равна:
M(He) = 4,003 г/моль
Таким образом, молярная масса гелия также равна 4,003 г/моль. Это довольно простой и точный способ ее определения для одноатомных газов.
Расчет параметров газа по молярной массе
определите
Зная молярную массу газа, можно рассчитать многие важные параметры. Например, массу газа по известному количеству вещества:
Где:
- m - масса газа
- M - молярная масса
- n - количество вещества (моль)
Также по молярной массе газа можно определить плотность газа, рассчитать состав смеси и многие другие параметры.
