le volume molaire C'est une propriété intensive qui indique l'espace occupé par une mole d'une certaine substance ou d'un certain composé. Il est représenté par le symbole Vm, y est exprimé en unités de dm3/ mol pour les gaz et cm3/ mol pour les liquides et les solides, car ces derniers sont plus confinés par leurs forces intermoléculaires plus élevées.
Cette propriété est récurrente lors de l'étude des systèmes thermodynamiques impliquant des gaz; puisque, pour les liquides et les solides, les équations pour déterminer Vm ils deviennent plus compliqués et imprécis. Par conséquent, en ce qui concerne les cours de base, le volume molaire est toujours associé à la théorie des gaz parfaits..
Cela est dû au fait que les aspects structurels ne sont pas pertinents pour les gaz idéaux ou parfaits; toutes ses particules sont visualisées comme des sphères qui se heurtent élastiquement les unes aux autres et se comportent de la même manière quelles que soient leurs masses ou leurs propriétés.
Ceci étant le cas, une mole de tout gaz parfait occupera, à une pression et à une température données, le même volume Vm. On dit alors que dans des conditions normales de P et T, 1 atm et 0 ºC, respectivement, une mole d'un gaz parfait occupera un volume de 22,4 litres. Cette valeur est utile et approximative même lors de l'évaluation de gaz réels.
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La formule immédiate pour calculer le volume molaire d'une espèce est:
Vm = V / n
Où V est le volume qu'il occupe, et n la quantité de l'espèce en grains de beauté. Le problème est que Vm dépend de la pression et de la température que subissent les molécules, et une expression mathématique qui prend en compte ces variables est souhaitée.
L'éthylène dans l'image, HdeuxC = CHdeux, il a un volume moléculaire associé limité par un ellipsoïde vert. Ce HdeuxC = CHdeux Il peut tourner de plusieurs façons, ce qui revient à déplacer ledit ellipsoïde dans l'espace pour visualiser le volume qu'il occuperait (évidemment négligeable).
Cependant, si le volume d'un tel ellipsoïde vert nous le multiplions par NÀ, Nombre d'Avogadro, nous aurons alors une mole de molécules d'éthylène; une mole d'ellipsoïdes interagissant les uns avec les autres. À des températures plus élevées, les molécules se sépareront les unes des autres; tandis qu'à une pression plus élevée, ils se contracteront et réduiront leur volume.
Par conséquent, Vm dépend de P et T.L'éthylène a une géométrie plane, on ne peut donc pas penser que son Vm est exactement et exactement le même que celui du méthane, CH4, de géométrie tétraédrique et pouvant être représenté par une sphère et non par un ellipsoïde.
Les molécules ou atomes de liquides et de solides ont également leur propre Vm, qui peut être à peu près lié à sa densité:
Vm = m / (dn)
La température affecte le volume molaire des liquides et des solides plus que la pression, tant que celle-ci ne varie pas fortement ou est exorbitante (de l'ordre du GPa). De même, comme mentionné avec l'éthylène, les géométries et les structures moléculaires ont une grande influence sur les valeurs de Vm.
Cependant, dans des conditions normales, on observe que les densités pour différents liquides ou solides ne varient pas trop dans leurs grandeurs; il en est de même de ses volumes molaires. Notez que plus ils sont denses, plus petit sera Vm.
Concernant les solides, leur volume molaire dépend également de leurs structures cristallines (le volume de leur maille élémentaire)..
Contrairement aux liquides et aux solides, pour les gaz parfaits, il existe une équation qui nous permet de calculer Vm en fonction de P et T et de leurs variations; c'est celui des gaz parfaits:
P = nRT / V
Ce qui est accommodant pour exprimer V / n:
V / n = RT / P
Vm = RT / P
Si nous utilisons la constante de gaz R = 0,082 L atm K-1Taupe-1, alors les températures doivent être exprimées en kelvin (K) et les pressions en atmosphères. Notez qu'ici nous pouvons voir pourquoi Vm est une propriété intensive: T et P n'ont rien à voir avec la masse du gaz mais avec son volume.
Ces calculs ne sont valables que dans des conditions où les gaz se comportent près de l'idéalité. Cependant, les valeurs obtenues par expérimentation ont une faible marge d'erreur par rapport à la valeur théorique.
Il existe un gaz Y dont la densité est de 8,5 · 10-4 g / cm3. Si nous avons 16 grammes équivalent à 0,92 mole de Y, calculez son volume molaire.
À partir de la formule de densité, nous pouvons calculer le volume de Y que ces 16 grammes occupent:
V = 16 g / (8,5 10-4 g / cm3)
= 18,823,52 cm3 ou 18,82 L
Donc Vm Il est calculé directement en divisant ce volume par le nombre de moles donné:
Vm = 18,82 L / 0,92 mol
= 20,45 L / mol ou L mol-1 ou dm3Taupe-1
Dans l'exemple précédent de Y, il n'était à aucun moment précisé quelle était la température que subissaient les particules dudit gaz. En supposant que Y a été travaillé à la pression atmosphérique, calculer la température nécessaire pour le comprimer au volume molaire déterminé.
L'énoncé de l'exercice est plus long que sa résolution. Nous utilisons l'équation:
Vm = RT / P
Mais nous résolvons pour T, et sachant que la pression atmosphérique est de 1 atm, nous résolvons:
T = VmP / R
= (20,45 L / mol) (1 atm) / (0,082 L atm / K mol)
= 249,39 K
Autrement dit, une mole de Y occupera 20,45 litres à une température proche de -23,76 ºC.
Suite aux résultats précédents, déterminez Vm à 0 ºC, 25 ºC et au zéro absolu à la pression atmosphérique.
En transformant les températures en kelvin, nous avons d'abord 273,17 K, 298,15 K et 0 K. Nous résolvons directement en remplaçant les première et deuxième températures:
Vm = RT / P
= (0,082 L atm / K mol) (273,15 K) / 1 atm
= 22,40 L / mol (0 ºC)
= (0,082 L atm / K mol) (298,15 K) / 1 atm
= 24,45 L / mol (25 ° C)
La valeur de 22,4 litres a été mentionnée au début. Notez comment Vm augmente avec la température. Quand on veut faire le même calcul avec le zéro absolu, on tombe sur la troisième loi de la thermodynamique:
(0,082 L atm / K mol) (0 K) / 1 atm
= 0 L / mol (-273,15 ºC)
Le gaz Y ne peut pas avoir un volume molaire inexistant; cela signifie qu'il a été transformé en liquide et que l'équation précédente n'est plus valide.
En revanche, l'impossibilité de calculer Vm au zéro absolu, il obéit à la troisième loi de la thermodynamique, qui dit qu'il est impossible de refroidir une substance à la température du zéro absolu.
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