§ 17. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

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

Газуваті речовини реагують та утворюються в об’ємних відношеннях, що відповідають невеликим цілим числам. Ці числа чисельно дорівнюють коефіцієнтам у рівнянні хімічної реакції.

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

Закон Гей-Люссака дозволяє обчислювати об’єми газів, що беруть участь у реакції, безпосередньо за хімічним рівнянням без використання молярних мас чи об’ємів. Співвідношення коефіцієнтів перед формулами газуватих речовин у рівнянні реакції показує відношення 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.

Дано:
Реагенти: $H_2S, O_2$
Продукти: $SO_2, H_2O$

Знайти:
$V(H_2S) : V(O_2) - ?$

Розв’язання:
Записуємо рівняння реакції горіння сірководню:
$2H_2S + 3O_2 = 2SO_2 + 2H_2O$
Згідно з коефіцієнтами рівняння, об’єми реагентів — сірководню та кисню — відносяться як $2 : 3$.

Відповідь: 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.

Закон об’ємних відношень газів встановлює прямий зв’язок між об’ємами газуватих реагентів і продуктів через стехіометричні коефіцієнти. Використання цього закону значно спрощує хімічні розрахунки, оскільки дозволяє оперувати об’ємами газів так само як і їхніми кількостями речовини (молями), уникаючи зайвих обчислень через молярний об’єм.

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 такая.

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

Дано:
$V(N_2) = 10 \text{ л}$
$V(H_2) = 30 \text{ л}$

Знайти:
$\Delta V - ?$

Розв’язання:
$N_2 + 3H_2 = 2NH_3$
Співвідношення об’ємів $1:3:2$.
З $10$ л $N_2$ і $30$ л $H_2$ утвориться $20$ л $NH_3$.
Початковий об’єм: $10 + 30 = 40 \text{ л}$.
Кінцевий об’єм: $20 \text{ л}$.
Об’єм зменшиться вдвічі.

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) Залишатиметься постійним. Рівняння: $CH_4 + Cl_2 = CH_3Cl + HCl$. $1+1 \rightarrow 1+1$.
б) Збільшуватиметься. Рівняння: $2NH_3 + 3Cl_2 = N_2 + 6HCl$. $2+3 \rightarrow 1+6$ ($5 \rightarrow 7$).
в) Збільшуватиметься. Рівняння: $2CH_4 = C_2H_2 + 3H_2$. $2 \rightarrow 1+3$ ($2 \rightarrow 4$).
г) Збільшуватиметься. Рівняння: $2O_3 = 3O_2$. $2 \rightarrow 3$.
д) Залишатиметься постійним. Рівняння: $N_2 + O_2 = 2NO$. $1+1 \rightarrow 2$.
е) Збільшуватиметься. Рівняння: $3N_2H_4 = 4NH_3 + N_2$. $3 \rightarrow 4+1$ ($3 \rightarrow 5$).

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

Дано:
$V(O_2) = 2,5 \text{ л}$
$V(CO) = 2,5 \text{ л}$

Знайти:
Чи вистачить $O_2$?

Розв’язання:
$2CO + O_2 = 2CO_2$
За рівнянням на 2 л $CO$ потрібно 1 л $O_2$.
На 2,5 л $CO$ потрібно: $V_{необх}(O_2) = 2,5 / 2 = 1,25 \text{ л}$.
Оскільки $2,5 > 1,25$, кисню вистачить (він навіть у надлишку).

Відповідь: так, вистачить.

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:
$CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$
За законом об’ємних відношень, на $1$ об’єм метану витрачається $2$ об’єми кисню.
$V(O_2) = 2 \cdot V(CH_4) = 2 \cdot 2 \text{ л} = 4 \text{ л}$.

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 суміші та об’єми після реакції.

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

1. Обчислимо, який газ у надлишку:
   Для реакції з $4$ л $NO$ потрібно $4 / 2 = 2$ л $O_2$.
   Маємо $3$ л кисню, отже він у надлишку: $V_{надл}(O_2) = 3 - 2 = 1 \text{ л}$.
2. Об’єм утвореного продукту $NO_2$ дорівнює об’єму $NO$, що прореагував: $V(NO_2) = 4 \text{ л}$.

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:

1. Об’єм газів, що вступили в реакцію: $V_{реакц} = 40 - 10 = 30 \text{ мл}$.
2. $2H_2 + O_2 = 2H_2O$. Співвідношення $H_2 : O_2 = 2 : 1$.
   Нехай $V(O_2)_{\text{прор}} = x$, тоді $V(H_2) = 2x$.
   $x + 2x = 30 \Rightarrow 3x = 30 \Rightarrow x = 10 \text{ мл}$.
3. Прореагувало $10$ мл $O_2$ і $20$ мл $H_2$.
4. Початкові об’єми:
   $V_{поч}(H_2) = 20 \text{ мл}$.
   $V_{поч}(O_2) = 10 \text{ (прореагував)} + 10 \text{ (залишок)} = 20 \text{ мл}$.

Відповідь: 20 мл водню та 20 мл кисню.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ (продовження)

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:
$SO_2 + O_2 \rightarrow SO_3$ (рівняння $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$)
$\phi(O_2 \text{ в пов}) = 1/5$

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

Розв’язання:

1. Співвідношення $SO_2 : O_2 = 2 : 1$.
2. Оскільки $V(O_2) = 1/5 V_{пов}$, то $V_{пов} = 5 V(O_2)$.
3. Відношення $V(SO_2) : V_{пов} = 2 : 5$.

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:
$2H_2 + O_2 = 2H_2O$
$2CO + O_2 = 2CO_2$
В обох реакціях співвідношення пального газу до кисню $2 : 1$.
Отже, на весь об’єм суміші потрібно вдвічі менший об’єм кисню:
$V(O_2) = 200 / 2 = 100 \text{ мл}$.

Відповідь: 100 мл. Знати склад не обов’язково.

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.

Дано:
$V(\text{спол}) = 1 \text{ об'єм}$
$V(N_2) = 1 \text{ об'єм}$
$V(H_2O) = 2 \text{ об'єми}$

Знайти:
Формула сполуки - ?

Розв’язання:
За законом Гей-Люссака, відношення об’ємів газів дорівнює відношенню коефіцієнтів у рівнянні.
Схема реакції:
$1 \cdot N_xH_y + O_2 \rightarrow 1 \cdot N_2 + 2 \cdot H_2O$
Згідно із законом збереження маси (число атомів кожного елемента зліва і справа однакове):

• Для Нітрогену: $x = 1 \cdot 2 \Rightarrow x = 2$.
• Для Гідрогену: $y = 2 \cdot 2 \Rightarrow y = 4$.
  Формула сполуки — $N_2H_4$ (гідразин).
  Рівняння реакції:
  $N_2H_4 + O_2 = N_2 + 2H_2O$.

Відповідь: $N_2H_4$.

У КОМАНДІ

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

Відкриттю закону передували спільні дослідження Жозефа Луї Гей-Люссака та Александра фон Гумбольдта у 1805 році. Вивчаючи вибухову суміш водню та кисню, вони встановили, що вода утворюється при сполученні цих газів точно у відношенні $2 : 1$ за об’ємом. У 1808 році Гей-Люссак узагальнив результати досліджень реакцій за участю інших газів (зокрема, синтезу амоніаку, хлороводню) і сформулював закон, згідно з яким об’єми реагуючих газів відносяться 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.