在化學反應中,消耗的反應物與得到的生成物的摩爾比,等於它們在反應式中的係數比。很多化學反應,都會涉及氣體。根據亞佛加德羅定律,在相同的溫度和壓力下,氣體的體積與它的摩爾數成正比,因此,我們可以得出結論:
在相同的溫度和壓力下,化學反應中氣體的體積比 = 氣體的摩爾比 = 化學反應式中氣體的係數比。
例如,在電解水的反應中,生成的氫和氧的體積比 \(V(\text{H}_2):V(\text{O}_2) = n(\text{H}_2):n(\text{O}_2) = 2:1\);在化學反應式中,氫和氧的係數比亦是 \(2:1\)。
\[\ce{2H2O (g) -> $\color{red} 2$H2 (g) + $\color{red} 1$O2 (g)}\]辛烷 \(\ce{(C8H18)}\) 是汽油的一種主要成份。在氧充足的條件下,辛烷與氧的反應如下:
\[\ce{2C8H18 (g) + 25O2(g) -> 16CO2(g) + 18H2O(g)}\]\(100 \text{ dm}^3\) 辛烷完全燃燒,生成 \(\ce{CO2}\) 的體積是多少?
題解:
由反應式可知,辛烷與二氧化碳的摩爾比 = \(1:8\)。
\[\ce{2C8H18 (g) + 25O2(g) -> 16CO2(g) + 18H2O(g)}\]根據亞佛加德羅定律,反應中消耗的辛烷與生成的二氧化碳體積比 = \(1:8\)。因此,
\[\begin{align} \text{生成 \(\ce{CO2}\) 的體積} & = 8 \times 100 \text{ dm}^3 \\ & = 800 \text{ dm}^3 \end{align}\]在一定的溫度和壓強下,\(10 \text{ dm}^3\) 某種氣態碳氫化合物 \(\text{X}\) 與過量的氧反應,生成 \(40 \text{ dm}^3\) 二氧化碳和 \(40 \text{ dm}^3\) 水蒸氣。這種碳氫化合物的化學式是甚麼?
題解:
在相同的溫度和壓力下,化學反應中氣體的體積比 = 氣體的摩爾比 = 反應式中氣體的係數比。\(10 \text{ dm}^3\) \(\ce{X(g)}\) 與氧反應,生成 \(40 \text{ dm}^3\) 二氧化碳和 \(40 \text{ dm}^3\) 水蒸氣。由此可知,反應式中 \(\ce{X(g):CO2(g):H2O(g)}\) 的係數比 = \(1:4:4\)。即
\[\ce{$\color{blue} 1$ X (g) + $\color{blue} ?$ O2(g) -> $\color{blue} 4$ CO2 (g) + $\color{blue} 4$ H2O (g)}\]由於反應式兩側的原子種類和數目必須相等,上述反應式右側有 \(4\) 個碳原子、\(8\) 個氫原子和 \(12\) 個氧原子,因此,左側亦必須有相同數目的碳、氫和氧原子。
已知 \(\text{X}\) 是只由碳元素和氫元素組成的碳氫化合物,氧中只含有氧原子,因此,可推斷該反應式為:
\[\ce{$\color{blue} 1$ C4H8 (g) + $\color{blue} 6$ O2(g) -> $\color{blue} 4$ CO2 (g) + $\color{blue} 4$ H2O (g)}\]\(\therefore\) 這種碳氫化合物的化學式是 \(\ce{C4H8}\)。