5.3: Применение закона идеального газа: молярная масса, плотность и объем

Объем, занимаемый одним молем вещества, является его молярным объемом. Закон об идеальном газе, PV = nRT, предполагает, что объем заданного количества газа и количество молей в данном объёме газа изменяется в зависимости от изменения давления и температуры. При стандартной температуре и давлении, или STP (273.15 K и 1 atm), один моль идеального газа (независимо от его идентичности) имеет объем около 22.4 л — это называется стандартным молярным объемом.

Например, один моль каждого из следующих газов: водорода, кислорода, аргона или углекислого газа занимает 22.4 литра при STP. Это означает, что 0.5 моля любого газа на STP занимает объём 11.2 л, а 2 моля любого газа при STP занимают объём 44.8 л.

Закон идеального газа универсален, связывает давление, объем, количество молей и температуру газа независимо от химической идентичности газа:

Плотность d газа, с другой стороны, определяется его природой. Плотность — это отношение массы к объему. Переставив месмтами парамеры в уравнении идеального газа так, чтобы выразить V и подставляяв уравнение плотности, получаем:

Отношение m/n, то есть масса на моль, является определением молярной массы, М:

Затем уравнение плотности можно записать как

Это уравнение говорит нам, что плотность газа прямо пропорциональна давлению и молярной массе и обратно пропорциональна температуре. Например, CO₂ (молярная масса = 44 г/моль) тяжелее N₂ (молярная масса = 28 г/моль) или O₂ (молярная масса = 32 г/моль), поэтому он плотнее воздуха. По этой причине CO₂, выделяемый из огнетушителя CO₂, обеспечивает изоляцию пламени, предотвращая попадание O₂ на горючий материал. Явление подъема воздушных шаров, наполненных горячим воздухом, зависит от соотношения, согласно которому газы с одинаковой молярной массой (например, воздух) имеют более низкую плотность при более высоких температурах, и поэтому воздушные шары могут плавать.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 9.3: Стехиометрия газообразных веществ, смесей и реакций.