Глава 5. Понятие о газах. Воздух. Кислород. Горение
§ 26. Законы Гей-Люссака и Авогадро
Как наблюдать образующийся в ходе какого-либо опыта бесцветный газ? Можно ли увидеть воздух?
Газообразная воздушная среда — непременное условие жизни человека. И тем не менее к обстоятельному изучению газов наука обратилась сравнительно недавно. Сам термин «газ» введён в научный обиход голландским учёным Я.Б. ван Гельмонтом лишь в начале XVII в. Происхождение термина (от слова хаос) отчасти отразило представление учёного о структуре газа.
Первые газовые законы были открыты в начале XIX в. С некоторыми из них мы познакомимся чуть позже. А пока вспомним: молекулы газов постоянно находятся в движении; их диаметр, как правило, при нормальных условиях составляет около 1/10 от расстояния между ними. Таким образом, молекулы газообразного вещества занимают приблизительно лишь 1/1000 часть пространства в его общем объёме. Такая рассредоточенность частиц отличает газ от твёрдого и жидкого состояний. При нормальных условиях соотношение расстояний между частицами в твёрдом веществе, жидкости и газе может быть выражено следующими значениями: 1:1; 1:1,1; 1 : 10 и более. Это означает, что в жидкостях молекулы располагаются в среднем на 10 % дальше друг от друга, чем в том же веществе, но находящемся в твёрдом состоянии. При переходе вещества в газообразное состояние расстояние между молекулами увеличивается в 10 раз. Именно эта особенность строения, характерная для всех газообразных веществ, обусловливает их физические свойства (табл. 15) и закономерности проявления последних.
В начале XIX в. французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак, ученик и последователь К.Л. Бертолле, исследовал физико-химические свойства газов и особенности их поведения при изменении условий. В 1808 г. он сформулировал закон объёмных отношений.
При постоянной температуре и постоянном давлении объёмы газов, вступающих в реакцию, относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов реакции как целые числа.
Казалось бы, закон не должен был вызвать особых споров и недоверия. Но всё не так просто! Дело в том, что в начале XIX в. газообразные простые вещества (водород, кислород, азот) считались построенными не из молекул, а из атомов. Отсюда следовало, что для образования одной молекулы хлоро- водорода один атом водорода должен соединиться с одним атомом хлора. При этом усложнится мельчайшая частица вещества — образуется молекула сложного вещества, а объём продукта реакции должен уменьшиться вдвое. Ключ к разрешению противоречия предложил в 1811 г. итальянец Амедео Авогадро, высказавший предположение о том, что газообразные простые вещества состоят не из атомов, а из двухатомных молекул. Тогда всё становится ясным: двухатомные молекулы газов в ходе реакции распадаются на атомы, а из них, в свою очередь, образуется прежнее число молекул продукта реакции.
Опытным путём было установлено: одинаковые объёмы хлора и водорода при одних и тех же условиях всегда реагируют полностью. Молекулы газа находятся на далёком расстоянии друг от друга, поэтому их размер и сложность не должны сказываться на занимаемом газом объёме (рис. 51). Следовательно, в равных объёмах разных газов содержится равное число молекул. Эта гипотеза впоследствии была подтверждена многочисленными экспериментальными данными и получила название закон Авогадро.
В равных объёмах разных газов при одинаковых условиях (t, р) содержится равное число молекул.
Почему рассматриваемый закон справедлив только для газов?
Из закона Авогадро вытекают очень важные следствия. Одно из них состоит в следующем:
1 моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объём.
Было определено, что при нормальных условиях, т. е. при t = 0 °С и р = 101,325 кПа, 1 моль любого газа занимает объём около 22,4 л. Эта величина называется молярным объёмом газа при н. у. и обозначается Vn:
Как наблюдать образующийся в ходе какого-либо опыта бесцветный газ? Можно ли увидеть воздух?
При постоянной температуре и постоянном давлении объёмы газов, вступающих в реакцию, относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов реакции как целые числа.
