無機(jī)化學(xué)第2章氣體

1、無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體第第2 2章章 氣氣 體體 2.1 理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式 2.2 氣體混合物氣體混合物 2.3 真實(shí)氣體真實(shí)氣體 無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.1.1 理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式 2.1.2 理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用 2.1理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2.1.1理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式2.1 理想氣體狀態(tài)方程式 氣體的最基本特征：氣體的最基本特征：可壓縮性和擴(kuò)散性可壓縮性和擴(kuò)散性主要表現(xiàn)主要表現(xiàn): : 沒

2、有固定的體積和形狀沒有固定的體積和形狀 是最容易被壓縮的一種聚集狀態(tài)是最容易被壓縮的一種聚集狀態(tài) 互不反應(yīng)的氣體能以任意比例相互混合互不反應(yīng)的氣體能以任意比例相互混合 氣體的密度比液體和固體小很多氣體的密度比液體和固體小很多無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體17171818世紀(jì)，一定量氣體的體積世紀(jì)，一定量氣體的體積V V、壓力、壓力p p和熱和熱力學(xué)溫度力學(xué)溫度T T之間符合：之間符合：222111TVpTVp18111811年，年，AvogadroAvogadro提出：同溫同壓下同體積氣提出：同溫同壓下同體積氣體含有相同數(shù)目的分子。體含有相同數(shù)目的分子。18601860年后，用多種方

3、法測定了物質(zhì)的量為年后，用多種方法測定了物質(zhì)的量為1mol1mol時(shí)，其所含的分子數(shù)為：時(shí)，其所含的分子數(shù)為： N NA A=6.022=6.02210102323molmol-1 -1 AvogadroAvogadro常數(shù)常數(shù)2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 綜合考慮綜合考慮p p、V V、T T、n n之間的關(guān)系，得出之間的關(guān)系，得出理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式： pV=nRT R- 氣體常數(shù)氣體常數(shù)在在STP下，下，p=101.325kPa, T=273.15Kn=1.0mol時(shí)時(shí), Vm=22.414L=22.41410-3m31133Kmol

4、J314.8K15.2731.0molm1022.4Pa101325nTpVR2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.1 理想氣體狀態(tài)方程式 人們將符合理想氣體狀態(tài)方程式的氣體，人們將符合理想氣體狀態(tài)方程式的氣體，稱為稱為理想氣體理想氣體。理想氣體：理想氣體： 分子本身的體積相對于氣體所占有體積分子本身的體積相對于氣體所占有體積完全可以忽略完全可以忽略氣體分子之間沒有相互吸引和排斥作用氣體分子之間沒有相互吸引和排斥作用 低壓高溫下的氣體均可看成是理低壓高溫下的氣體均可看成是理想氣體。想氣體。無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2.1.2理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)

5、用理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用2.1 理想氣體狀態(tài)方程式1. 計(jì)算計(jì)算p，V，T，n四個(gè)物理量之一四個(gè)物理量之一 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體。溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體。pVpV= =nRTnRT無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體例例1.在實(shí)驗(yàn)室中，要用無水無氧的在實(shí)驗(yàn)室中，要用無水無氧的N2置換置換 2Na + H2 2NaH 的反應(yīng)裝置。氮?dú)怃撈康姆磻?yīng)裝置。氮?dú)怃撈縑=50.0L, T=25，p=15.2MPa(a)計(jì)算鋼瓶中計(jì)算鋼瓶中N2的物質(zhì)的量的物質(zhì)的量n和質(zhì)量和質(zhì)量m；(b)若將實(shí)驗(yàn)裝置用若將實(shí)驗(yàn)裝置用N2置換了置換了5次后，鋼瓶壓力下降至次后，

6、鋼瓶壓力下降至13.8MPa, 計(jì)算在計(jì)算在25，0.100MPa下，平均每次耗用下，平均每次耗用N2的體積。的體積。解解：(a) 根據(jù)根據(jù)pVpV= =nRnRT T)(307298314. 80 .50102 .15311molRTVpnMmn M(NM(N2 2)=28.0 )=28.0 )(60. 8)(1060. 80 .2830731kggMnm2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體(b) (b) 已知已知p p2 2=13.8MPa, =13.8MPa, V V=50.0L, =50.0L, T T=298K=298K 設(shè)消耗的設(shè)消耗的N N2 2的物

7、質(zhì)的量為的物質(zhì)的量為n n2 2)( 3 .28298314. 80 .5010)8 .132 .15()(3212molRTVppn 在在298K298K，0.100MPa0.100MPa下，每次置換耗用下，每次置換耗用N N2 2的的體積體積V V為：為：)(14010100. 0298314. 83 .28515132LpRTnV2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2. 氣體摩爾質(zhì)量的計(jì)算氣體摩爾質(zhì)量的計(jì)算2.1 理想氣體狀態(tài)方程式pVmRTMRTMmpVnRTpVMmnM = Mr (gmol-1)無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 3. 3.氣體

8、密度的計(jì)算氣體密度的計(jì)算2.1 理想氣體狀態(tài)方程式 =RTpMpVmRTM = m / VpRTM無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體例例2. Ar氣可由液態(tài)空氣蒸餾而得到。若氣可由液態(tài)空氣蒸餾而得到。若Ar的質(zhì)量為的質(zhì)量為 0.799g，溫度為，溫度為298.15K時(shí)，其壓力為時(shí)，其壓力為111.46kPa，體，體 積為積為0.4448L，計(jì)算，計(jì)算Ar的摩爾質(zhì)量、相對原子質(zhì)量以的摩爾質(zhì)量、相對原子質(zhì)量以 及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度。及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度。解：解：已知已知 m=0.799g, T=298.15K, p=111.46kPa,V=0.4448LMmn RTMmPV )(95.39444

9、8. 046.11115.298314. 8799. 01molgPVmRTMMAr=39.95)(782. 115.273314. 895.39325.1011LgRTpMVm標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以從摩爾質(zhì)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以從摩爾質(zhì)量求得一定條件下的氣體密度，也可以由測量求得一定條件下的氣體密度，也可以由測定氣體密度來計(jì)算摩爾質(zhì)量，進(jìn)而求得相對定氣體密度來計(jì)算摩爾質(zhì)量，進(jìn)而求得相對分子質(zhì)量或相對原子質(zhì)量，這是測定摩爾質(zhì)分子質(zhì)量或相對原子質(zhì)量，這是測定摩爾質(zhì)量的常用方法。量的常用方法。 現(xiàn)代

10、測定摩爾質(zhì)量的最理想的儀器是質(zhì)現(xiàn)代測定摩爾質(zhì)量的最理想的儀器是質(zhì)譜儀。譜儀。2.1 理想氣體狀態(tài)方程式無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2.2 2.2氣體混合物氣體混合物2.2 氣體混合物 2.2.1 分壓定律分壓定律 2.2.2 分壓定律的應(yīng)用分壓定律的應(yīng)用*2.2.3 分體積定律分體積定律 無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.2.1 道爾頓（道爾頓（J.Dalton)分壓定律分壓定律 1. 組分氣體組分氣體 理想氣體混合物理想氣體混合物(在同一容器中，相互間在同一容器中，相互間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子本身的體積和它們相不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子本身的體積和它們相互間的作用力可略而不計(jì)

11、的幾種不同氣體形互間的作用力可略而不計(jì)的幾種不同氣體形成的混合物）中每一種氣體叫做組分氣體。成的混合物）中每一種氣體叫做組分氣體。 2.2 氣體混合物無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2. 分壓分壓 組分氣體組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體B的分壓。的分壓。2.2 氣體混合物VRTnpBB（同（同 T T、V V）無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.2 氣體混合物3. 分壓定律分壓定律 混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。分壓之

12、和。 p = p1 + p2 + 或或 p = pB VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.2 氣體混合物4. 分壓的求解分壓的求解 x B B的摩爾分?jǐn)?shù)的摩爾分?jǐn)?shù)VRTnpBBpxpnnpxnnppBBBBBBVnRTp 混合氣體中某組分氣體的分壓等于該混合氣體中某組分氣體的分壓等于該組分的摩爾分?jǐn)?shù)與總壓的乘積。組分的摩爾分?jǐn)?shù)與總壓的乘積。例例3. 某容器中含有某容器中含有NH3、O2 、N2等氣體的混合等氣體的混合物。取樣分析后，其中物。取樣分析后，其中n(NH3)=0.320 mo

13、l，n(O2)=0.180 mol，n(N2)=0.700 mol?；旌蠚怏w的?；旌蠚怏w的總壓總壓 p=133.0 kPa。試計(jì)算各組分氣體的分壓。試計(jì)算各組分氣體的分壓。解：解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2) =0.320+0.180+0.700 =1.200 mol )(5 .350 .133200. 1320. 0)()(33kPapnNHnNHp p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5 .35320. 0180. 0OO22pnnp無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.2 氣

14、體混合物例例4：某學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中用金屬鋅與鹽酸反應(yīng)制取氫氣。某學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中用金屬鋅與鹽酸反應(yīng)制取氫氣。用排水集氣法收集用排水集氣法收集所得到的氫氣。溫度為所得到的氫氣。溫度為18時(shí)，室內(nèi)時(shí)，室內(nèi)氣壓計(jì)為氣壓計(jì)為753.8mmHg，濕氫氣體積為，濕氫氣體積為0.567L。用分子篩。用分子篩除去水分，得到干氫氣。計(jì)算同樣溫度、壓力下干氫氣除去水分，得到干氫氣。計(jì)算同樣溫度、壓力下干氫氣的體積以及氫氣的物質(zhì)的量。的體積以及氫氣的物質(zhì)的量。 解：解：排水集氣法收集氣體時(shí)，通常將所收集氣體中的水排水集氣法收集氣體時(shí)，通常將所收集氣體中的水蒸氣看作飽和蒸氣。由化學(xué)手冊中查出蒸氣看作飽和蒸氣。由化學(xué)手冊中

15、查出18下，下，p(H2O)=15.477mmHg。在濕氫氣中，氫的分壓為：。在濕氫氣中，氫的分壓為：p1(H2)= (753.815.477)mmHg = 738.3mmHg = = 98.43kPakPammHgmmHg325.1017603 .738干氫氣的干氫氣的p2(H2)=753.8mmHg=100.5kPa，體積為，體積為V2(H2) V2(H2)= = = 0.555Ln(H2)= = =2.3110-2mol)()(2221HpVHpRTVHp)(21kPaLkPa5 .100567. 043.98KKmolJLkPa)18273(314. 8567. 043.9811無機(jī)化

16、學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.2 氣體混合物 2.2.3 分體積定律分體積定律1. 分體積分體積 混合氣體中某一組分混合氣體中某一組分B的分體積的分體積VB是該組份是該組份單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時(shí)單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時(shí)所占有的體積。所占有的體積。pRTnVBB（同（同 T T、P P） V = V1 + V2 + BBVV或pnRTV pRTnnpRTnpRTnV21212.2.分體積定律分體積定律 混合氣體體積等于各組分氣體的體積之和。混合氣體體積等于各組分氣體的體積之和。BBBnnVVppVVxPpBBBBBB 稱為稱為B的體積分?jǐn)?shù)的體積分?jǐn)?shù)B組分

17、組分B B的體積分?jǐn)?shù)的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù) 混合氣體中組分混合氣體中組分B B的分壓等于該組的分壓等于該組分的體積分?jǐn)?shù)與總壓的乘積分的體積分?jǐn)?shù)與總壓的乘積. . 氧是人類維持生氧是人類維持生命的必需氣體，缺氧命的必需氣體，缺氧生命就會死亡，過剩生命就會死亡，過剩的氧會使人致病，只的氧會使人致病，只有在氧氣的分壓維持有在氧氣的分壓維持21kPa才能使人體維持才能使人體維持正常代謝過程。在潛正常代謝過程。在潛水員自身攜帶的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣水員自身攜帶的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣(He在血液中溶解度很小，在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使的溶解度大，可使人得氣栓病人得

18、氣栓病)。例例5：某潛水員潛至海水某潛水員潛至海水30m處作業(yè)，海水的密度為處作業(yè)，海水的密度為1.03g cm-3，溫度為，溫度為20。在這種條件下，若維持。在這種條件下，若維持O2、He混合氣中混合氣中p(O2)=21kPa, 氧氣的體積分?jǐn)?shù)為多少？以氧氣的體積分?jǐn)?shù)為多少？以1.000L混合氣體為基準(zhǔn)，計(jì)算氧氣的分體積和氦的質(zhì)量。（重力混合氣體為基準(zhǔn)，計(jì)算氧氣的分體積和氦的質(zhì)量。（重力加速度取加速度取9.807m/s2）解：解： T=273+20=293 K海水深海水深30m處的壓力是由處的壓力是由30m高的海水和海面的大氣共同高的海水和海面的大氣共同產(chǎn)生。海面上的空氣壓力為產(chǎn)生。海面上的

19、空氣壓力為760mmHg，則，則 P=g hw+ kPammHgmmHg101760760=9.807 m/s2 1.03 103kg cm-3 30m+101kPa=303 103 kg cm-3 s-2 +101kPa=303kPa+101kPa=404kPag63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL2 . 5L052. 0)O(1112TRVPMmMrV若混合氣體體積為若混合氣體體積為1.000L時(shí)，時(shí)，%2 . 5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iiX

20、VVXVVPpP無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體 2.3真實(shí)氣體真實(shí)氣體2.3 真實(shí)氣體2.3.1 真實(shí)氣體與理想氣體的偏差真實(shí)氣體與理想氣體的偏差2.3.2 Van der Waals 方程方程無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.3 真實(shí)氣體2.3.1 真實(shí)氣體與理想氣體的偏差真實(shí)氣體與理想氣體的偏差 理想氣體狀態(tài)理想氣體狀態(tài)方程式僅在足夠低方程式僅在足夠低壓力下適合于真實(shí)壓力下適合于真實(shí)氣體。氣體。 產(chǎn)生偏差的產(chǎn)生偏差的主要原因是主要原因是: :氣體分子本身的氣體分子本身的體積的影響體積的影響分子間力的影響分子間力的影響無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)第第2 2章章 氣體氣體2.3 真實(shí)氣體2.3.2 Van der Waals 方程方程nRTnbVVnap)(22 a, b分別是對氣體壓力和體積校正中的分別是對氣體壓力和體積校正中的相關(guān)常量相關(guān)常量,稱為稱為Van der waals常量。常量。 每種氣體的每種氣體的a、b均有各自的特定值。均有各自的特定值。考慮分子間作用力考慮分子間作用力考慮分子自身體積考慮分子自身體積氣體10a(Pam6mol-2)104b(m3mol-1)He0.034570.2370H20.24760.2661Ar1.3630.3219O21.3780.3183N21.4080.3913CH42.2830.4