高一化学《气体摩尔体积》知识点详解.pdf

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1、第二节 气体摩尔体积 新课指南 1. 在了解气体的体积与温度和压强有密切关系的基础上，理解气体摩尔体积的概念. 2. 掌握有关气体摩尔体积的计算. 3. 通过气体摩尔体积和有关计算的学习，培养分析、推理、归纳、总结的能力. 本节重点：气体摩尔体积的概念和有关气体摩尔体积的计算. 本节难点：气体摩尔体积的概念及其推论的应用. 教材解读精华要义 1. 物质的体积、密度和质量之间的关系 物质的质量跟它的体积的比叫做这种物质的密度，即物质在单位体积中所含的质量，叫做该物质的密度. 2. 计算 1mol 不同固态物质和液态物质的体积(见下表 ) 物质1 mol 该物质的质量密度1 mol 的物质所具有的

2、体积 Fe 56g 7.8g/cm 3(20) 7.2cm 3 Al 27g 2.7g/cm 3(20) 10cm 3 Pb 207g 11.3g/cm 3(20 ) 18.3cm 3 H2O 18g 1g/cm 3(4) 18cm 3 H2SO498g 1.83g/cm 3(20 ) 53.6cm 3 3. 归纳 1mol 不同固态物质和液态物质体积的特点并分析其形成差异的主要原因 对于固态物质和液态物质来说，1 mol 不同物质的体积一般是不同的( 如图 3-2 所示 ). 决定物质的体积大小有三大因素. (1)物质粒子数的多少. (2)物质粒子之间距离的大小. (3)物质粒子的大小 (

3、直径为 d). 形成差异的主要原因. 构成液态、固态物质的粒子间的距离是很小的，在粒子数相同的条件下，固态、液态物质的体积主要决定 于原子、分子或离子本身的大小；由于构成不同， 物质的原子、 分子或离子的大小也是不同的，所以它们 1 mol 的体积也就有所不同(如图 3-3所示 ). 知识详解 知识点 1 气体摩尔体积 (重点、难点 ) 决定气体体积大小的主要因素 (1) 决定气体所含有的分子数（或气体的物质的量）. 在一定温度，一定压强下，气体中所含的分子数目（或物质的量）越多，气体的体积就越大. (2) 分子的直径和分子之间的距离. 一般来说，气体分子的直径约为0.4 nm ，而分子之间的

4、距离则约为4 nm， 即分子之间的距离约是分子直径的10 倍. 因此，当分子数目相同时，气体 体积的大小主要决定于气体分子之间的距离，而不是分子本身体积的大小 ( 如图 3-4 所示 ). 思维拓展如图 3-5 与图 3-6 所示，讨论气体分子之间的距离受哪些因素的 影响 ?是怎样影响的 ? 点拨 受温度和压强的影响。一定质量的气体，当温度升高时，气体分子之 间的距离增大，体积变大，当温度降低时，气体分子之间的距离减小，体 积变小；当压强增大时，气体分子之间的距离减小，体积变小，当压强减小时，气体分子之间的距离增大， 体积变大；当温度和压强一定时，气体分子之间的平均距离大小几乎是一定值，故粒子

5、数是一定值，其体积 是一定值 . 【注意】要比较一定质量气体的体积，就必须要在相同的温度和压强下进行才有意义. 1 mol 不同气体在标准状况下的体积( 见下表 ) 1 mol不同气体在标准状况下的体积 物质1 mol 该物质的质量密度1 mol 该物质所具有的 H22.016g 0.0899g/L(标准状况 ) 22.4L O232.00g 1.429g/L(标准状况 ) 22.4L CO 244.01g 1.977g/L(标准状况 ) 22.3L 结论：在标准状况下，1 mol 任何气体所占的体积都约为22.4 L. 气体摩尔体积 (1) 概念：单位物质的量的气体所占的体积叫做气体摩尔体积

6、. (2)符号： Vm. (3)计算关系式： Vm n V . (4)单位： L/mol 或 m 3/mol. (5)特定条件（标准状况）下的数值22.4 L/mol或 2.24 10 -2m3/mol( 如 图 3-7 所示 ). (6)对象：气体中任何一种单一组分的气体或不相互反应的混合气体. （7）标准状况下的气体摩尔体积，与常温、常压下固、液体摩尔体积的比较与分析（见下表）. 标准状况下，气体摩尔体积(L/mol) 常温、常压下，固、液体摩尔体积(cm 3/mo 体积比较体积近似，约为22.4 L/mol 体积各异 分 析 特点气体粒子大小 粒子间平均距离 影 响 体 积 的因素 粒子

7、间的平均距离 标准状况下，各种气体的粒子间平均距离近似，故体积近似 粒子的大小 常温、常压下，各固、液态的粒子的大小各异 积各异 思维误区气体摩尔体积的特定值约是22.4L/mol ，该数值与气体物质的量、温度和压强三者的任意一项 都有直接的关系，观察下表中的数值并思考整理，正确理解“22.4 L/mol”的含义 . 气体物质的量气体温度气体压强气体体积 1 mol 0101 kPa 22.4L 1 mol 40101 kPa 25.7L22.4L 1 mol 02101kPa 11.2L22.4L 1 mol 40116 kPa 22.4L 0.5mol 050.5kPa 22.4L 点拨

8、在标准状况下， 1 mol 任何气体的体积都( 约) 为 22.4 L， 在标准状况下的气体摩尔体积( 约) 为 22.4 L/mol ； 在非标准状况下，1 mol 任何气体的体积不一定为22.4 L，但也有可能为22.4 L 的气体摩尔体积 ( 约)为 22.4 L/mol ；在非标准状况下，1 mol 任何气体的体积不一定为22.4L ，但也有可能为22.4 L. 说明 在回答有关概念性的问题时，“22.4L ”或“ 22.4L/mol ”之前要加一个“约”字，在解答有关计算 的问题时，这个“约”字可以略去. 气体摩尔体积描述的对象，可以是任何一种单一组分的气体或不相互反应 的混合气体

9、. 例如：下列说法中，正确的是 ( ) A.1 mol O2和 1 mol N2所占的体积都约为22.4 L B.H2的气体摩尔体积约为22.4 L C. 在标准状况下，1 mol H2和 1 mol H2O所占的体积都约为22.4L D. 在标准状况下，22.4L 由 N2和 N2O组成的混合气体中所含有的N的物质的量约为2 mol 分析本题主要考查对气体摩尔体积的理解和应用能力. A 项中没有明确温度和压强，无法比较，无法确定气体的体积；B项中气体摩尔体积的单位不是“L” ，而是 “L/mol ”或“ m 3/mol ” ；C 项中在标准状况下 H2O为冰状， 1 mol 冰的体积远远小于

10、22.4 L ；D项中该气体的 物质的量约为1 mol ，再结合N2、N2O的分子组成可知，N的物质的量约为2 mol. 答案： D 又如：下列叙述中，不正确的是 ( ) A.1 mol任何气体所占的体积，都约为22.4L. B. 在标准状况下，任何气体的摩尔体积都约为22.4 L C. 在标准状况下，1 L 任何气体所含该气体的粒子数约为 4.22 1 6.02 10 23 D.0.1 mol CO ，0.2mol CO2，0.3 molO2，0.4 mol N2组成的混合气体，在标准状况下，占有的体积约为22.4 L 分析 A 项没指明“标准状况” ；B 项中气体摩尔体积的单位应是L/mo

11、l. 答案： AB 再如： 0.17g 某气体在标准状况下的体积是100 mL，这种气体的相对分子质量是_. 分析在标准状况下，设22.4 L某气体的质量为x，得 0.17 g:0.1 L=x:22.4L,x38.08g ，即标准状 况下， 22.4L 某气体的质量为38.08g ，该气体的摩尔质量为38.08g/mol ，它的相对分子质量是38.08. 答案： 38.08 还如：下列数量的各物质中所含的原子数按由大到小的顺序排列，正确的是 ( ) 0.5mol 氨气；标准状况下22.4L 氦； 4时 9mL水； 0.2mol 磷酸钠 A. B. C. D. 分析本题把气体摩尔体积、物质的量、

12、物质的质量等物理量融合在一起考查，解题步骤是：把所 有物理量换算戍物质的量；计算每摩尔物质所含的原子数；求出题中每种物质所含的原子数. 0.5 molNH3中所含的原子的物质的量：0.5mol 42 mol ； 22.4L 氦中所含的原子的物质的量： 1 4 .22 4.22 molL L 1=1 mol ； 9 mL 水中所含的原于的物质的量：9 mL1 g/ml 18 g/mol 3=1.5 mol ； 0.2 mol磷酸钠 (Na3PO4) 中所舍的原子的物质的量：0.2 mol 81.6 mol. 比较的计算结果可得答案. 答案： A 说明 物质的量是计算中心，解题比较关键的一步是先把

13、微粒数、气体的体积、物质的质量等有关数据 转换成物质的量，然后再进行比较. 阿伏加德罗定律( 难点) 通过学习气体摩尔体积的概念可知，气体的体积主要决定于组成气体的分子数目和分子之间的平均距离， 而分子之间的平均距离又受气体的温度和压强的直接影响. 所含分子数日相同的气体，在同温、同压下，分子 之间的平均距离基本相等，因此，在相同温度和相同压强下，所含分子数目相同的任意气体的体积相同. 同理， 在相同温度和相同压强下，相同体积的任意气体都含有相同数目的分子，这个规律叫做阿伏加德罗定律. 说明 阿伏加德罗定律适用于任何气体，包括混合气体，不适用于非气体. 同温、同压、同体积和问分子数。四“同”共

14、同存在，相互制约，只要有三个“同”成立，第四个“同” 必定成立，称作“三同定一同”. 标准状况下的气体摩尔体积是阿伏加德罗定律的一个特例.( 明确规定了温度为0和压强为101 kPa) 阿伏加德罗定律的推论( 难点 ) 根据阿伏加德罗定律，限定不同的条件。便可得到阿伏加德罗定律的多种形式( 推论 ) ，熟练地掌握它们， 在解答有关问题时，可达到事中功倍的效果. (1)推论：同温、同压下，气体体积与物质的量成正比；或气体密 度与式量成正比. 数学表达式： 2 1 2 1 2 1 2 1 M M n n V V 或 . 物理模型：同温、同压下，两个体积不同且装有两种不同气体的集气 瓶(如图 3-8

15、 所示). 例如：关于a g H2和 b g He ，下列说法中，正确的是 ( ) A. 同温、同压下。 H2与 He的体积比为a:2b B. 同温、同压下，若ab，则 H2与 He的物质的量之比为2:1 C. 体积相同时， He的质量一定大于H2的质量 D. 同温、同压下，若二者的物质的量相同，其体积也相同 分析 A 项中两种气体的体积比等于它们的物质的量之比，即 11 4 : 2molg bg molg ag 2a:b ，B 项正 确； C项中如果仅知道两种气体的体积相同，无法判断出 二者的物质的量的多少，也就很难判断出质量的大小，因为两种气体所处的温度、压强不一定相等，因而体 积相同时，

16、物质的量不一定相同；D项中相同温度、相同压强、相同物质的量的气体，体积一定相同. 答案： BD 又如：在相同温度和压强下，1 体积氯化氢和9 体积水蒸气组成的混合气体，完全冷凝后所得盐酸中HCl 的质量分数是 ( ) A.10 B.18.4 C.4.910 -4 D.80.2 分析 根据阿伏加德罗定律的推论可知，同温、同压下气体体积比等于其物质的量之比，设 HCl、H2O(气) 的物质的量分别为1 mol ，9 mol ，然后将物质的量换算成质量，则可求出盐酸中HCl的质量分数 . W(HCl)= %100 91815.36 1/5 .36 11 molmolgmolmolg molmolg

17、%.4.18%100 5.198 5.36 g g 答案： B 说明 阿伏加德罗定律及其推论在解答有关气体的化学计算题日寸特别有用，不过千万要注意使用的条 件. （1）推论：同温、同体积时，气体压强与物质的量成比. 数学表达式： . 2 1 2 1 n n p p 物理模型：给足球打气，进气越多. 足球内压强越大 ( 如图 3-9 所示 ). 例如：一定温度下，在两个大小相同的密闭容器中分别盛放16 g X 气体和 56g N2，测得两个容器内的压强 分别为 1.01 10 5 Pa 和 4.04 105 Pa ，则 X可能是什么气体 ? 解：因为两个容器的温度、体积分别相同，由阿伏加德罗定律

18、的推论可知： , 56)( 2816 1004.4 1001.1 , )()?( )()?( )( )( )( )( 5 5 2 2 22 XMNmXM NMXm Nn Xn Np Xp 即 M(X) 32.X 可能为 O2，或某混合气体 . 答： X气体可能为O2或平均式量为32 的混合气体 . 又如： 适量的氯气与氨气先后通入一真空的密闭容器里，在一定温度下完全反应后. 容器中只有氮气和氯化 铵，则容器里反应前后的压强之比为 ( ) A.1:2 B.11:1 C.1:7 D.2:1 分析本题涉及反应的化学方程式为：3Cl2+8NH3=N2+6NH4Cl. 根据题意，假设3 mol Cl2与

19、 8 mol NH3反 应，那么反应后生成的气体物质只有N2，且为 1 mol ，由阿伏加德罗定律推论可知，同温、同体积时，气体 压强与物质的量成正比，即. 1 11 1 83 )( )( mol molmol p p 后 前 答案： B （3）推论：同温、同压、同体积时，气体的质量与式量成正比. 数学表达式：. 2 2 1 1 1 1 2 1 2 1 n M m M m n M M m m 或 物理模型：同温、同压下两个体积相同的集气瓶中装有不同的气体( 如图 3-10 所示 ). 例如；某恒容容器的质量为50.0 g ，当它充满CO2气体时，质量 为 58.8g ，如果改装甲烷，在相同条件

20、下，当充满甲烷时，质量为 _g. 分析因为是同一恒容容器，所以体积不变，又已知两次操 作是在相同条件下进行，故可理解为同温、同压、同体积，由阿伏加德罗定律的推论知： ,2 .3)(, 16 )( 44 0 .508.58 , )( )( )( )( 4 4 4 4 2 2 gCHm CHmg CHM CHm COM COm 即 总质量： 50.0 g+3.2 g=53.2 g. 答案： 53.2 同类变式在同温同压下，某瓶充满O2质量为 116 g ，充满 CO 2质量为 122 g ，充满气体X质量为 114 g，则 X的相对分子质量为 ( ) A.28 B.60 C.32 D.44 分析解

21、法 1：设瓶的质量为m ，根据阿伏加德罗定律，同温同压同体积的容器所盛气体的物质的量相 等，可得： (116 g-m)/32 gmol -1 (122 g-m)/44 gmol -1 ， m=100 g. 则所盛气体的物质的量(按 CO2算) ： (122 g-100 g)/44 gmol -1 0.5 mol. 再设气体 X的相对分子质量为M ，则有 (114g-100g)/Mgmol -1 0.5 mol ，解得 M28. 解法 2：因 1 mol CO2 与 1 mol O2的质量之差为44 g-32 g 12 g ， 所以瓶中 O2的物质的量为： (122 g-116 g)/12 gm

22、ol -1 0.5 mol. 即： CO 2O2m - 1 mol 12 g n 122 g-116 g n(O 2) 0.5 mol. 根据阿伏加德罗定律，气体X的物质的量也为0.5 mol. O2X m - 1 (32-M)g 0.5 (116-114)g M 28. 解法 3：因同温同压下，同体积的容器中所盛气体的物质的量相等，所以气体的质量越小，其相对分子质 量就越小 . 由题意知气体X 的质量小于O2的质量，故气体X的相对分子质量也应小于O2的相对分子质量，故 不必计算可知答案为A. 答案： A 又如：相同条件下，由H2、N2、CO2等体积混合得到的混合气体中，CO2的质量为 W g

23、，这种混合气体的质量 为 ( ) A.Wg 22 37 B. Wg 22 15 C. Wg 11 20 D. Wg 9 74 分析 由阿伏加德罗定律的推论可知，同温、同压、 同体积时，气体质量与式量成正比， 即 )( )( 2 2 COm Nm 44 28 ， 故 m(N2)= Wg； 44 28 同理， m(H2)= W 44 2 g, 所以总质量为：. 22 37 44 74 44 2 44 28 WgWgWgWgWg 答案： A (4)推论：同温、同压、同质量时，气体的体积与式量成反比. 数字表达式： . 1 2 2 1 M M V V 物理模型：同温、同压下，两个装有相同质量的不同气体

24、的集气瓶( 如 图 3-11 所示). 例如： 1 体积 SO2和 3 体积空气混合后，在450以上通过催化剂V2O5， 发生如下反应： )(2)()(2 3 450 22 52 gSOgOgSO OV 若同温、同压下测得反应前后混合气体的密度之比为0.9:1 ，则反应消耗的 SO2是原有 SO2的_. 分析对纯气相反应来说，反应前后的总质量是相同的，故此题为同温、同压、同质量的情况，由阿伏 加德罗定律的推论应有： . )()( ）（ ）（M ）（M ）V（ V 后 前 后 前 前 后 设反应消耗的SO2的体积为 x，则 )(2)()(2 3 450 22 52 gSOgOgSO OV V 2

25、 1 2 3-2=1 X x 2 x 2 x , 1 9 .0 4 2 4 x x=0.8. 故 1 8 .0 100%=80%. 答案： 80 又如： O2和 O3的混合气体2 L，若在同温、同压下，O3全部转化为O2后体积变为2.2 L，则原混合气体的平 均式量为 ( ) A.40 B.36.7 C.35.2 D.43.7 分 析由 阿伏 加 德罗定律 的推 论 可知 ，同 温 、同压 、 同质 量 时， 气体 的 体积与 式 量成 反 比 . .2 .35)(, 322 2.2 )( )( 2 2 混 混 混 M M L L ， ）M（ ）（M V OV 答案： C 说明 以上阿伏加德罗

26、定律的推论完全不必死记硬背，都可以从理想气体状态方程(pVnRT N m RT)推 导，将化学和物理知识综合运用，不过此方程目前可只作了解，待高二物理讲完再用. 知识点 2 关于气体摩尔体积的计算(重点 ) 重要公式及解析 单一公式 m V V n)1( 该公式表达了任意状况下，任意种类的气体的体积、物质的量、摩尔体积三者之间的换算关系，但在应用 时， V和 Vm必须是在同温、同压下的值，且气体体积的单位要相同. 由于 Vm的值不确定，该公式用处不大. 1 4.22 )2( molL V n 该公式是公式 (1) 的特定情况， 它适用于标准状况下的任意种类的气体的体积和物质的量之间的换算，在应

27、 用时， V和 Vm必须是标准状况下的值，且气体体积的单位要相同. V m )3( 该公式适用于任意状况下任何种类的物质的质量、体积和密度三者之间的换算，在中学化学中，主要用于 气体和液体的相关计算. 1 4.22 )4( molL M 该公式是公式 (3) 的一种特定情况， 它适用于标准状况下的任意种类的气体的摩尔质量和密度二者之间的换 算. )()5( 2 1 2 1 为气体的相对密度D M M D 该公式表达的是任意状况万的任意种类的两种气体的密度之比. 混合气体本来无相对分子质量可言，但对组成一定的混合气体来说，可以根据各组分的摩尔质量来计算平 均摩尔质量；混合气体的平均相对分子质量在

28、数值上等于混合气体的平均摩尔质量(g/mol). 例如：某常见气体在标准状况下的密度为1.25g/L ，填写下列空白： (1)该气体的相对分子质量为_. (2)若气体的化学式为A2，其名称为 _；若该气体的化学式为AB，其名称为 _. 分析根据式 1 4.22molL M ，得 M 28 g/mol ，对应的常见气体有 N2和 CO. 答案： (1)28 (2)氮气；一氧化碳 又如： 1 mol 氧气 (O2) 在放电后有30转化为臭氧 (O3) ，则放电后的混合气体对氢气的相对密度是 ( ) A.16.0 B.17.8 C.18.4 D.35.6 分析根据阿伏加德罗定律可以推出：相对密度D

29、2 1 2 1 M M ，若能把放电后混合气体的平均相对 分子质量求出，则此题就迎刃而解了. 32 O2O3 放电 3 2 1 mol 30% n(O 3) ,2 .0 3 2%301 )( 3 mol mol On 未反应的 n(O2)=1 mol-1 mol30%=0.7 mol, 反应后，混合气体的物质的量n(混)=0.2mol+0.7mol=0.9mol, 所以 M (混)= mol molmolg n m 9 .0 1/32 )( )( 混 混 35.6g/mol, .8.17 2 /6.35 1 molg molg D 答案： B 再如：空气中各成分的体积分数是：N2为 78% ，

30、O2为 21% ，CO2为 1% ，求空气在标准状况下的密度. 分析可先计算出空气的平均摩尔质量，在特定条件标准状况下，1 mol 混合气体的体积为22.4L ， 则可计算混合气体的密度. 解： M （空气） =28g/mol 78%+32g/mol21%+44g/mol1%=29g/mol. 标准状况下， (空)= ./29.1 4.22 /29 4.22 11 Lg molL molg molL M 答：空气在标准状况下的密度为1.29g/L. 说明 在标准状况下空气的密度，这实际隐含了两层意思：一是空气的体积为22.4L ；二是要求1 mol 空气 （22.4L ）的平均摩尔质量. 求气

31、体平均摩尔质量的公式为 M=M 1V1%+M2V2%+ +MiVi%. 复合公式 1 4.22 )1 ( molL V n M m n和的复合： , /4 .22 /4.22 Vnm molL molL M M 常用于标准状况下的气体的质量和体积之间的换算. 1 4.22 )2( molL V n N N n A 和的复合： , /4 .22 /4.22 VnN molL molL N N A A 常用于标准状况下的气体的分子数和体积之间的换算. 例如：在标准状况下，测得1.92g 某气体的体积为672mL ，计算此气体的相对分子质量. 分析本题在课本中是应用公式 V m 和 1 4 .22m

32、olL M 求解的，实际上，该题还可以应用复合公 式 . /4.22 求解Vnm molLM 解：标准状况下672mL气体的物质的量为： ,0300.0 4 .22 672.0 1 mol molL L V V n m 该气体的摩尔质量为：M= mol g n m 0300.0 92.1 =64.0g/mol, 即该气体的相对分子质量为64.0. 答：此气体的相对分子质量为64.0. 【注意】该题的计算结果应保留3 位有效数字 . 又如：含分子数是3.01 10 24 的氧气，在标准状况下的体积是多少? 解： 3.01 10 24 个 O2的物质的量为 ,00.5 1002. 6 1001.3)( )( 123 24 2 2 mol molN ON On A 5.00mol O 2在标准状况下的体积为 V(O2)=n(O2) Vm=5.00 mol 22.4 L/mol=112 L. 答：在标准状况下，含分子数是3.01 10 24的氧气的体积为 112 L.