МОЛЯРНЫЙ ОБЪЕМ: ПОНЯТИЕ И ФОРМУЛА, РАСЧЕТ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Мольный объем является интенсивное свойство , которое указывает на то, сколько места занимает один моль определенного вещества или соединения. Он представлен символом V _m и выражается в единицах дм ³ / моль для газов и см ³ / моль для жидкостей и твердых тел, поскольку последние в большей степени ограничены своими большими межмолекулярными силами.

Это свойство часто встречается при изучении термодинамических систем с участием газов; поскольку для жидкостей и твердых тел уравнения для определения V _m становятся более сложными и неточными. Поэтому, что касается базовых курсов, молярный объем всегда связан с теорией идеального газа.

Объем молекулы этилена внешне ограничен зеленым эллипсоидом и числом Авогадро, умноженным на это количество. Источник: Габриэль Боливар.

Это связано с тем, что структурные аспекты не имеют значения для идеальных или идеальных газов; все его частицы визуализируются как сферы, которые упруго сталкиваются друг с другом и ведут себя одинаково независимо от их массы или свойств.

В этом случае моль любого идеального газа при заданных давлении и температуре будет занимать тот же объем V _m . Затем говорят, что при нормальных условиях P и T, 1 атм и 0 ºC, соответственно, один моль идеального газа будет занимать объем 22,4 литра. Это значение полезно и приблизительно даже при оценке реальных газов.

Концепция и формула

Для газов

Непосредственная формула для расчета молярного объема вида:

В _м = В / н

Где V - занимаемый объем, а n - количество частиц в молях. Проблема в том, что V _m зависит от давления и температуры, которые испытывают молекулы, и нам нужно математическое выражение, учитывающее эти переменные.

С этиленом на изображении H ₂ C = CH ₂ связан молекулярный объем, ограниченный зеленым эллипсоидом. Этот H ₂ C = CH ₂ может вращаться множеством способов, как если бы упомянутый эллипсоид перемещался в пространстве, чтобы визуализировать, какой объем он будет занимать (очевидно, незначительный).

Однако, если объем такого зеленого эллипсоида умножить на N _A , число Авогадро, мы получим моль молекул этилена; один моль взаимодействующих друг с другом эллипсоидов. При более высоких температурах молекулы отделяются друг от друга; при более высоком давлении они сжимаются и уменьшают свой объем.

Следовательно, V _m зависит от P и T. Этилен имеет плоскую геометрию, поэтому нельзя думать, что его V _m точно и точно такое же, как V _m метана, CH ₄ , тетраэдрической геометрии и способно к представляться сферой, а не эллипсоидом.

Для жидкостей и твердых тел

Молекулы или атомы жидкостей и твердых тел также имеют свои собственные V _m , которые можно примерно связать с их плотностью:

V _м = м / (дн)

Температура влияет на молярный объем жидкостей и твердых тел больше, чем давление, если последнее не изменяется резко или является чрезмерным (порядка ГПа). Точно так же, как упоминалось в отношении этилена, геометрия и молекулярные структуры имеют большое влияние на значения V _m .

Однако при нормальных условиях наблюдается, что плотности различных жидкостей или твердых тел не слишком сильно различаются по величине; то же самое происходит с его молярными объемами. Обратите внимание: чем они плотнее, тем меньше будет V _m .

Что касается твердых тел, их молярный объем также зависит от их кристаллической структуры (объема их элементарной ячейки).

Как рассчитать молярный объем?

В отличие от жидкостей и твердых тел, для идеальных газов существует уравнение, которое позволяет нам вычислить V _m как функцию P и T и их изменений; это идеальные газы:

P = nRT / V

Который приспособлен для выражения V / n:

В / п = RT / P

V _м = RT / P

Если мы используем газовую постоянную R = 0,082 л · атм · К ^-1 · моль ^-1 , то температуры должны быть выражены в кельвинах (К), а давление - в атмосферах. Обратите внимание, что здесь мы можем понять, почему V _m является интенсивным свойством: T и P не имеют ничего общего с массой газа, а с его объемом.

Эти расчеты действительны только в условиях, когда газы ведут себя близко к идеальным. Однако значения, полученные экспериментальным путем, имеют небольшую погрешность по сравнению с теоретическими.

Примеры расчета молярного объема

Пример 1

Есть газ Y, плотность которого составляет 8,5 · 10 ^-4 г / см ³ . Если у вас 16 граммов эквивалентно 0,92 моля Y, найдите его молярный объем.

По формуле плотности можно вычислить, какой объем Y занимают эти 16 граммов:

V = 16 г / (8,5 · 10 ^-4 г / см ³ )

= 18 823,52 см ³ или 18,82 л

Таким образом, V _m рассчитывается путем деления этого объема на указанное количество молей:

V _м = 18,82 л / 0,92 моль

= 20,45 л / моль или л моль ^-1 или дм ³ моль ^-1

Упражнение 2.

В предыдущем примере Y ни разу не было указано, какова температура частиц этого газа. Предполагая, что Y работал при атмосферном давлении, рассчитайте температуру, необходимую для сжатия его до определенного молярного объема.

Описание упражнения длиннее, чем его разрешение. Воспользуемся уравнением:

V _м = RT / P

Но мы решаем для T и, зная, что атмосферное давление равно 1 атм, решаем:

Т = В _м P / R

= (20,45 л / моль) (1 атм) / (0,082 л атм / К моль)

= 249,39 К

То есть один моль Y займет 20,45 литра при температуре, близкой к -23,76 ºC.

Упражнение 3.

Следуя предыдущим результатам, определите V _m при 0 ° C, 25 ° C и при абсолютном нуле при атмосферном давлении.

Преобразуя температуры в градусы Кельвина, мы сначала получаем 273,17 K, 298,15 K и 0 K. Мы решаем напрямую, подставляя первую и вторую температуры:

V _м = RT / P

= (0,082 л атм / К моль) (273,15 К) / 1 атм

= 22,40 л / моль (0 ºC)

= (0,082 л атм / К моль) (298,15 К) / 1 атм

= 24,45 л / моль (25ºC)

В начале упоминалась стоимость 22,4 литра. Обратите внимание, как V _m увеличивается с температурой. Когда мы хотим провести тот же расчет с абсолютным нулем, мы натыкаемся на третий закон термодинамики:

(0,082 л атм / К моль) (0 К) / 1 атм

= 0 л / моль (-273,15 ºC)

Газ Y не может иметь несуществующий молярный объем; это означает, что он превратился в жидкость, и предыдущее уравнение больше не действует.

С другой стороны, невозможность вычисления V _m при абсолютном нуле подчиняется третьему закону термодинамики, согласно которому невозможно охладить какое-либо вещество до температуры абсолютного нуля.

Ссылки

1. Ира Н. Левин. (2014). Основы физико-химии. Издание шестое. Мак Гроу Хилл.
2. Glasstone. (1970). Договор по физической химии. Второе издание. Агилар.
3. Wikipedia. (2019). Молярный объем. Получено с: en.wikipedia.org
4. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (08 августа 2019 г.). Определение молярного объема в химии. Получено с: thinkco.com
5. BYJU. (2019). Формула молярного объема. Получено с: byjus.com
6. Гонсалес Моника. (28 октября 2010 г.). Молярный объем. Получено с: quimica.laguia2000.com