Уравнение Клайперона – Менделеева

Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клайперона – Менделеева:

pV = (m / M) RT

 

где m - масса газа; М – молекулярная масса; р – давление; V – объём; Т – абсолютная температура (˚К); R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль • К) или 0,082 л атм/(моль • К)).

Для данной массы конкретного газа отношение m/М постоянно, поэтому из уравнения Клайперона-Менделеева получается объединенный газовый закон.

 

Пример.

Какой объём займет при температуре 17˚С и давления 250 кПа оксид углерода (ІІ) массой 84 г?

 

Решение.

Количество моль СО равно:

_(СО) = m_(СО) / М _(СО) = 84 / 28 = 3 моль

Объём СО при н.у. составляет

3 • 22,4 л = 67,2 л

 

Из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

 

(P • V) / T = (P₀ • V₀) / T₂

 

Следует

V_(CO) = (P₀ • T • V₀) / (P • T₀) = (101,3 • (273 + 17) • 67,2) / (250 • 273) = 28,93 л

 

Относительная плотность газов показывает, во сколько раз 1 моль одного газа тяжелее (или легче) 1 моля другого газа.

 

D_A(B) = _{(B) (A)} = M_(B) / M_(A)

 

Средняя молекулярная масса смеси газов равна общей массе смеси, деленной на общее число молей:

 

М_ср = (m₁ + …. + m_n) / ( ₁ + …. + _n) = (M₁ • V₁ + …. M_n • V_n) / ( ₁ +….+ _n)

 

Пример 1.

Плотность некоторого газообразного вещества по водороду равна 17. Чему равна плотность по воздуху (М_ср = 29)?

 

Решение.

DН₂ = M_в-ва / МН₂ = М_в-ва / 2

 

М_в-ва = 2DН₂ = 34

 

D_возд = М_в-ва / М_{возд. ср} = 34 / 29 = 1,17

 

Пример 2.

Определите плотность по воздуху смеси азота, аргона и углекислого газа, если массовые доли компонентов составляли 15,50 и 35% соответственно.

 

Решение.

D_{смеси (по воздуху)} = М_смеси / М_возд. = М_смеси / 29

 

М_смеси = (15 • 28 + 50 • 40 + 35 • 44) / 100 = (420 + 2000 + 1540) / 100 = 39,6

 

D_{смеси (по воздуху)} = М_смеси / 29 = 39,6 / 29 = 1,37

 

 

Занятие 2.

Тема 2: Краткие сведения по физике и химии (2 часа).

 

Агрегатные состояния вещества. Растворение, испарение, кипение. Давление и разряжение. Понятие о вакууме. Понятие о химических элементах и периодической системе Д.И.Менделеева. Валентность. Металлы и неметаллы. Простые и сложные вещества.

 

Агрегатные состояния вещества (от лат. Aggrego – присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении р = 101 325 Па = 760 мм ртутного столба и при температуре t = 0⁰ С. кристаллизуется в лёд, а при 100 ⁰С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твердого тела это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твердых телах – конденсированных средах – молекулы (атомы) расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее.

Это приводит к сохранению жидкостями и твердыми телами своего обычного объёма. Однако, характер движения молекул в твердых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств.

У твердых тел в кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической решетки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности – дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть.

Плавление – это переход вещества из твердого агрегатного состояния (см. Агрегатные состояния вещества) в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 ⁰С.

Свинец запросто плавится на газовой плите, например, в ложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки-600-850 ⁰С, а температура плавления стали – 1300-1500⁰С).

Если, плавя свинец, измерять его температуру, то можно обнаружить, что сначала она плавно возрастает, но после некоторого момента остается постоянной, несмотря на дальнейшее нагревание. Этот момент соответствует плавлению. Температура держится постоянной до тех пор, пока весь свинец не расплавится, и только после этого начинает повышаться снова. При охлаждении жидкого свинца наблюдается обратная картина: температура падает до момента начала затвердевания и остается постоянной все время, пока свинец не перейдет в твердую фазу, а потом вновь понижается.

Аналогичным образом ведут себя все чистые вещества. Постоянство температуры при плавлении имеет большое практическое значение, поскольку позволяет градуировать термометры, изготавливать плавкие предохранители и индикаторы, которые расплавляются при строго заданной температуре.

Что же происходит при плавлении? Самое очевидное явление – нарушения в пространственной кристаллической решетке, то есть в порядке расположения атомов, характерном для вещества, находящегося в твердом состоянии.

Атомы в кристалле колеблются около своих положений равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает и достигает некоторой критической величины, после чего кристаллическая решетка разрушается. Для этого требуется дополнительная тепловая энергия, поэтому в процессе плавления температура не повышается, хотя тепло продолжает поступать.

Температура плавления вещества зависит от давления. Для веществ, у которых объём при плавлении возрастает (а таких подавляющее большинство), повышение давления повышает температуру плавления и наоборот. У воды объём при плавлении уменьшается (поэтому, замерзая вода разрывает трубы), и при повышении давления лед плавится при более низкой температуре. Аналогичным образом ведут себя висмут, галлий и некоторые марки чугунов.

При затвердевании атомы вновь выстраиваются в определенном порядке, и выделяется теплота затвердевания. Как только тело полностью затвердевает, его температура начинает понижаться.

В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Это определяет ряд своеобразных свойств плазмы.

Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния в менее упорядоченное могут происходить не только при определенных температуре и давлении, но и непрерывно. Возможность непрерывных переходов указывает на некоторую условность выделения агрегатных состояний вещества. Это подтверждается существованием аморфных твердых тел, сохраняющих структуру жидкости, несколько видов кристаллического состояния у некоторых веществ, существование жидких кристаллов, существованием у полимеров особого высокоэластичного состояния, промежуточного между стеклообразным и жидким, и другое.

В связи с этим в современной физике вместо понятия агрегатного состояния пользуются более широким понятием – фазы.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

 

«Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

 

Современная формулировка:

 

«Свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».