Starea gazoasă: lecție de chimie

1pe scurtstratul 1 din 3 · rezumatul lecției

Pe scurt

Un gaz ocupă întregul volum al vasului și este compresibil. Starea sa se descrie prin presiune $p$ , volum $V$ , temperatură $T$ și cantitate de substanță $n$ . În calculele școlare, temperatura absolută se obține prin $T = t (^{\circ} C) + 273$ . La aceeași temperatură și presiune, volume egale de gaze ideale conțin același număr de molecule. În condiții normale, $0^{\circ} C$ și $1 atm$ , volumul molar este $V_{m} = 22, 4 L/mol$ , iar cantitatea de substanță este $n = V / V_{m}$ . Pentru presiune, $1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa$ . Volumul molar se schimbă la altă temperatură sau presiune.

2în detaliustratul 2 din 3 · pentru clasă și Bacalaureat

În detaliu

Modelul gazului. Particulele unui gaz sunt departe una de alta și se mișcă haotic, fără să se atragă sensibil; de aceea gazul nu are volum propriu, ci ia forma vasului. Presiunea provine din ciocnirile particulelor cu pereții vasului. Volumul se exprimă în litri ( $1 L = 1 d m^{3} = 1 0^{- 3} m^{3}$ ; $1 mL = 1 c m^{3}$ ), iar pentru presiune se mai folosește bar-ul ( $1 bar = 1 0^{5}$ Pa) alături de unitățile din rezumat.

Legile gazelor ideale pentru o cantitate constantă de gaz:

Boyle–Mariotte (temperatură constantă): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$ .
Gay-Lussac (presiune constantă, transformare izobară): $V_{1} / T_{1} = V_{2} / T_{2}$ .
Charles (volum constant, transformare izocoră): $p_{1} / T_{1} = p_{2} / T_{2}$ .

În toate relațiile cu temperatura, $T$ este în kelvini.

Exemplul 1: legea Boyle–Mariotte. Un gaz are volumul de $3, 0$ L la presiunea de $760$ mmHg. Se destinde, la temperatură constantă, până la $4, 5$ L.

$p_{2} = p_{1} V_{1} / V_{2} = 760 \cdot 3, 0/4, 5$ .
$p_{2} = 507$ mmHg, adică $0, 667$ atm.
Volumul a crescut de $1, 5$ ori, iar presiunea a scăzut în același raport.

Exemplul 2: legea Gay-Lussac (transformarea izobară). Un gaz ocupă $250$ mL la $27^{\circ} C$ . Cât ocupă la $127^{\circ} C$ , la presiune constantă?

$T_{1} = 27 + 273 = 300$ K și $T_{2} = 127 + 273 = 400$ K.
$V_{2} = V_{1} T_{2} / T_{1} = 250 \cdot 400/300 = 333$ mL.
Greșeala frecventă este raportul $127/27$ în grade Celsius, care ar da un volum de peste $1100$ mL.

Exemplul 3: legea lui Charles (transformarea izocoră). O butelie închisă conține gaz la $20^{\circ} C$ și $5, 0$ atm. Care este presiunea la $80^{\circ} C$ ?

$T_{1} = 293$ K și $T_{2} = 353$ K.
$p_{2} = p_{1} T_{2} / T_{1} = 5, 0 \cdot 353/293 = 6, 0$ atm.
Presiunea crește cu aproape o cincime; de aceea buteliile cu gaz nu se expun la căldură.

Volumul molar. Conform legii lui Avogadro, un mol din orice gaz ideal ocupă același volum în aceleași condiții: $22, 4$ L în condiții normale și aproximativ $24, 4$ L la $25^{\circ} C$ și $1$ atm. Densitatea unui gaz în condiții normale este $ρ = M / V_{m}$ : $0, 089$ g/L pentru $H_{2}$ , $1, 43$ g/L pentru $O_{2}$ și $1, 96$ g/L pentru $C O_{2}$ .

Exemplul 4: volumul molar. Ce volum ocupă în condiții normale $8, 8$ g de $C O_{2}$ ? Ce masă de $O_{2}$ ocupă $11, 2$ L?

$n (C O_{2}) = 8, 8/44 = 0, 20$ mol, deci $V = 0, 20 \cdot 22, 4 = 4, 48$ L.
$n (O_{2}) = 11, 2/22, 4 = 0, 50$ mol, deci $m = 0, 50 \cdot 32 = 16$ g.

Raportul volumelor în reacții. Deoarece volumele gazelor măsurate în aceleași condiții sunt proporționale cu cantitățile de substanță, coeficienții din ecuația reacției sunt și rapoarte de volume. În $H_{2} + C l_{2} \to 2HCl$ , $10$ L de hidrogen reacționează cu $10$ L de clor și dau $20$ L de acid clorhidric gazos.

Exemplul 5: volume de gaze din ecuație. Ce volum de oxigen este necesar pentru arderea completă a $6, 0$ L de metan, ambele măsurate în aceleași condiții? Ce volum de $C O_{2}$ se formează în aceleași condiții, dacă apa rezultată este lichidă?

Ecuația: $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ , deci $C H_{4} : O_{2} : C O_{2} = 1 : 2 : 1$ ca raport de volume.
$V (O_{2}) = 2 \cdot 6, 0 = 12$ L.
$V (C O_{2}) = 6, 0$ L. Dacă măsurătoarea este făcută în condiții normale, aceasta înseamnă $6, 0/22, 4 = 0, 27$ mol.

3pentru admiterestratul 3 din 3 · pentru examene

Pentru admitere

Aducerea la condiții normale. O cantitate de gaz aflată la $p$ , $V$ , $T$ ocupă în condiții normale volumul $V_{0} = \frac{p V T _{0}}{p _{0} T}$ , cu $p_{0} = 1$ atm și $T_{0} = 273$ K. Pentru $1, 50$ L la $27^{\circ} C$ și $2, 0$ atm, $V_{0} = 2, 0 \cdot 1, 50 \cdot 273/ (1 \cdot 300) = 2, 73$ L, adică $0, 122$ mol.

Exemplu în format de admitere. Prin descompunerea termică a $25$ g $CaC O_{3}$ ( $M = 100$ g/mol) se obține $CaO$ și $C O_{2}$ . Ce volum de $C O_{2}$ rezultă în condiții normale și la $127^{\circ} C$ , la $1$ atm?

Ecuația: $CaC O_{3} \to CaO + C O_{2} ↑$ ; $n (CaC O_{3}) = 25/100 = 0, 25$ mol, deci se formează $0, 25$ mol $C O_{2}$ .
În condiții normale: $V = 0, 25 \cdot 22, 4 = 5, 6$ L.
La $127^{\circ} C$ și aceeași presiune: $V = 5, 6 \cdot 400/273 = 8, 2$ L.

Complement grupat. În condiții normale se dau afirmațiile:

$5, 6$ L de $O_{2}$ au masa de $8$ g.
$11, 2$ L de $N_{2}$ și $11, 2$ L de $C O_{2}$ conțin același număr de molecule.
Densitatea lui $C O_{2}$ este $1, 96$ g/L.
$4$ g de $H_{2}$ și $4$ g de $O_{2}$ ocupă același volum.

Variante de răspuns:

A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
D. Numai 4 este corectă.
E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare, afirmație cu afirmație:

(1) Adevărată: $5, 6/22, 4 \cdot 32 = 8$ g.
(2) Adevărată: volume egale de gaze, în aceleași condiții, conțin același număr de molecule.
(3) Adevărată: $44/22, 4 = 1, 96$ g/L.
(4) Falsă: $4$ g $H_{2}$ sunt $2$ mol, adică $44, 8$ L, iar $4$ g $O_{2}$ sunt $0, 125$ mol, adică $2, 8$ L.

Răspuns corect: A.

Relația generală. O transformare între două stări ale aceleiași cantități de gaz ideal satisface $p_{1} V_{1} / T_{1} = p_{2} V_{2} / T_{2}$ , cu temperaturile în kelvini. Pentru $V_{1} = 2, 0$ L, $p_{1} = 1, 0$ atm, $T_{1} = 300$ K, apoi $p_{2} = 2, 0$ atm și $T_{2} = 450$ K, rezultă $V_{2} = 2, 0 \cdot (1, 0/2, 0) \cdot (450/300) = 1, 5$ L. Dacă se schimbă și numărul de moli, relația nu se aplică fără factorul $n_{2} / n_{1}$ ; se folosește $p V = n R T$ . Volumul molar se folosește numai la temperatura și presiunea specificate.

Greșeli frecvente

Greșit: Dublarea presiunii la temperatură constantă dublează volumul gazului.
Corect: volumul se înjumătățește.
Greșit: Volumul molar este $22, 4$ L/mol la orice temperatură.
Corect: această valoare aparține condițiilor normale școlare.
Greșit: În legea Gay-Lussac se pot introduce temperaturile în grade Celsius, deoarece raportul rămâne același.
Corect: raportul volumelor este egal cu raportul temperaturilor absolute; $27^{\circ} C$ și $127^{\circ} C$ înseamnă $300$ K și $400$ K, raport $4/3$ , nu $127/27$ .
Greșit: Volumul molar de $22, 4$ L/mol se aplică oricărei substanțe, inclusiv apei lichide.
Corect: valoarea este valabilă pentru gaze (în condiții normale); un mol de apă lichidă ocupă aproximativ $18$ mL.

în contul tăuPremium

Testează-te pe această lecție

Lecția o citești aici, fără cont. Testele pe lecții și capitole sunt în cont, cu grile originale Didaxis și explicația fiecăreia: gratuit 10 grile pe zi, fără limită cu Premium, 49 de lei pe lună pentru fiecare copil.

Testează-te în cont

Înainte și după

ÎnainteValențaValența elementelor și scrierea formulelor chimice ale oxizilor, acizilor, bazelor și sărurilor.DupăEcuația gazului idealRelația dintre presiune, volum, temperatură și cantitatea de substanță.CapitolulGaze și calcule chimiceToate lecțiile capitolului „Gaze și calcule chimice”.

Surse și referințe

OMEC 6930/2025, Chimie IX TC p. 81; rocnee.eu
OpenStax, Chemistry 2e, §9.1, «Gas Pressure» și §9.2, «The Ideal Gas Law»; openstax.org
OMENCS 5070/2016, anexa 2, programa Bac Chimie, p. 3; aplicare 2027 prin OMEC 5211/2026 art. 3(3); edu.ro

Desene: Redactare proprie (desen original)