氣體化學計量Gas stoichiometry—莫耳體積molar volume

化學原理啟迪70

1.     假設我們有1mole的理想氣體，溫度是0°C(273.2K)，壓力是1大氣壓。利用理想氣體定律，我們得到氣體的體積：

2.     這裡求出的22.42L稱為理想氣體的莫耳體積molar volume。各種氣體的莫耳體積測量結果如下

3.     值得注意的是，某些氣體的莫耳體積非常接近理想數值，另外一些氣體的莫耳體積則明顯與理想數值有差距。我們將在稍後段落討論造成這些差異的原因。

4.     溫度0°C和大氣壓力1atm，稱為標準溫度和壓力standard temperature and pressure(簡稱STP)，它們是談到氣體性質時常見的參考狀態。舉例來說，理想氣體的「莫耳體積molar volume」在STP下是22.42L。

5.     許多化學反應都與氣體有關。把這些氣體假定為理想氣體之後，我們就能夠在知道氣體的壓力、體積、溫度情況下，進行化學計量的計算。

6.     【範例5.6】生石灰(CaO)的製造，來自於碳酸鈣CaCO3的熱分解。請依據以下的反應方程式，計算在標準溫度和壓力STP下，152g的CaCO3熱分解會產生多少體積的CO2？

CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)

7.     【解決】我們要應用在前面章節學過的解決化學計量問題的方法。那就是，我們計算出消耗掉的「碳酸鈣CaCO3」莫耳數，與製造出來的「二氧化碳CO2」莫耳數。然後，「二氧化碳CO2」的莫耳數再用理想氣體的「莫耳體積」加以轉換。

(1)  利用「碳酸鈣CaCO3」的莫耳量，我們計算出「碳酸鈣CaCO3」的莫耳數：

152gCaCO3 × 1mol CaCO3/100.1g CaCO3 = 1.52mol CaCO3

(2)  因為每莫耳的「碳酸鈣CaCO3」會產生1莫耳的「二氧化碳CO2」，所以，這個反應將會產生1.52mol的「二氧化碳CO2」。利用「莫耳體積」，我們可以計算出標準溫度和壓力下STP，「二氧化碳」的體積：

1.52molCO2 × (22.42LCO2/1molCO2) = 34.1LCO2

(3)  結論是，152g的「碳酸鈣CaCO3」在標準溫度與壓力STP下，會製造出34.1L的「二氧化碳CO2」

8.     值得注意的是，計算的最後一步，把氣體從莫耳數轉變成體積，是因為先設定這個氣體是在標準溫度與壓力STP下，我們才能用在STP下計算出來的氣體的莫耳體積。如果這個問題的氣體狀態不符合STP，我們就必須用理想氣體定律來計算這個氣體的體積。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》