無機(jī)化學(xué)課件第2章氣體

無機(jī)化學(xué)AdvancedChemistryforEngineering主講：關(guān)魯雄第2章氣體

1．氣體分子運(yùn)動論

2．理想氣體

3．實(shí)際氣體

1.

氣體分子運(yùn)動論

氣體分子運(yùn)動論的要點(diǎn)概括如下：（1）氣體由大量的處于不停息地，隨機(jī)地運(yùn)動著的分子組成。

(2)氣體分子的自身體積相對于其容器的總體積而言可以忽略不計(jì)。（3）氣體分子間的吸引力和排斥力可以忽略不計(jì)。（4）氣體分子的能量在碰撞過程中相互傳遞，只要?dú)怏w體系的溫度不改變，氣體分子的平均動能不隨時(shí)間改變。

2．理想氣體(1)理想氣體的概念(Whatisidealgas）

假設(shè)氣體分子只有位置而無體積，氣體分子之間沒有相互的作用力，這種氣體便稱為理想氣體。適用于理想氣體狀態(tài)方程式。

實(shí)際上并不存在理想氣體。

近似處理：當(dāng)真實(shí)氣體處于壓力不太高、溫度不太低，占有較大的總體積時(shí)。氣體本身的體積與它所占有的體積比較可以忽略，分子間引力很微弱也可以忽略。這時(shí)真實(shí)氣體可按理想氣體處理。（2）理想氣體的性質(zhì)

①

性質(zhì)1：在一定壓強(qiáng)下，一定量氣體的體積與其熱力學(xué)溫度成正比。

查爾斯定律

（Charles‘slaw）

V∝

T

或

V=k×T

②性質(zhì)2：在一定溫度下，一定量氣體的體積與其壓強(qiáng)成反比。

V∝1/p

或

V

=k’/p

博伊爾定律（Boyle'slaw）③性質(zhì)3：在同溫同壓下，相同體積的氣體含有的氣體分子數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)證明，在0℃和100.kPa條件下，22.414L任何氣體含有的氣體分子數(shù)都為6.02×1023個(gè)（即1mol）。

V∝n或V

=k’’×n（阿伏伽德羅定律）（3）理想氣體狀態(tài)方程式

①基本公式：

V∝TV∝1/p

V∝n

pV=nRTV

∝

pV=nRT

p--壓強(qiáng)，單位為帕［斯卡］(Pa)或千帕［斯卡］(kPa)；

V--體積,單位為立方米(m３)或升(L)；

n--物質(zhì)的量,單位為摩［爾］(mol);T--溫度，單位為開［爾文］（K）；

R--摩爾氣體常數(shù)。

符號說明：②摩爾氣體常數(shù)R

的取值

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下:T＝273.15K，

p＝100kPa，

n＝１mol,

V＝22.414×10-3m3,

代入：R＝pV／(nT)

得：

R＝８.３１４Pa·m3·mol-1·K-1

③

R

的量綱改變各物理量的單位，可以使R有不同的量綱：1Pa·ｍ３＝10－3ｋＰａ·103Ｌ＝1ｋＰａ·Ｌ1

Pa·ｍ３＝１Ｎ·ｍ-2

·ｍ3＝１Ｎ·ｍ＝１Ｊ

1N1m1m1m1m31m21Pa１ＪR

＝８.３１４Pa·m3·mol-1·K-1

＝８.３１４Ｎ·ｍ·ｍｏl－１·Ｋ－１

＝８.３１４Ｊ·ｍｏl－１·Ｋ－１＝８.３１４ｋＰａ·Ｌ·ｍｏl－１·Ｋ－１④公式的各種形式：公式1基本形式：pV=nRT公式2狀態(tài)1/狀態(tài)2：p１V１/ｐ2V2

＝ｎ１RT１/ｎ2RT2

如果ｎ１＝ｎ２：p１V１

/T１＝p２V２/T２

如果T１＝T２：

p１V１＝ｐ2V2公式3氣體的質(zhì)量ｍ與摩爾質(zhì)量Ｍ：ｐV

＝ｎＲT

＝（ｍ/Ｍ）·ＲＴＭ＝（ｍ/ｐＶ）·ＲＴ

公式4氣體的密度ρ

：Ｍ＝（ｍ/Ｖ）·（ＲＴ/ｐ）＝ρ·ＲＴ/ｐ

ρ＝Ｍｐ/ＲＴ

應(yīng)用：

摩爾質(zhì)量（M）是一種物質(zhì)的特征數(shù)據(jù)，凡是氣態(tài)物質(zhì)或者容易氣化的物質(zhì)都可以用氣體密度（ρ）法測定之。

【例1】（狀態(tài)變化）

某密閉系統(tǒng)中，25℃時(shí)氧氣的體積為200m３，將氧氣壓縮到0.24m３時(shí)，其壓力為3.04kPa，求氧氣原來的壓力。

分析：壓縮前后，氧氣的量ｎ不變，溫度Ｔ不變，故有：

p１V１＝ｐ2

V2p１＝ｐ2

V2/V１解：p１＝ｐ2V2/V１＝３.０４ｋＰａ×０.２４ｍ３／２００ｍ３＝３.６５×１０－３ｋＰａ

【例2】（氣體摩爾質(zhì)量的測定）265g氧氣，在290.2K及1000kPa條件下占有20L體積，計(jì)算氧氣的摩爾質(zhì)量。分析：ｐV＝ｎＲT＝（ｍ/Ｍ）·ＲＴＭ＝ｍＲＴ/（ｐＶ）解：Ｍ＝ｍＲＴ/（ｐＶ）

＝（265g×8.314ｋＰａ·Ｌ·ｍｏｌ－１·Ｋ－１

×290.2Ｋ）／（1000kPa×20L）

＝32g·ｍｏｌ－１（3）混合氣體---氣體分壓定律（Lawofpartialpressure）

如果混合氣體中各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而各組分氣體又可視為理想氣體（各組分氣體如同單獨(dú)存在一樣），

則混合氣體也可視為理想氣體。

混合氣體中，各組分的相互關(guān)系①氣體的物質(zhì)的量分量nｉ氣體的物質(zhì)的量分量nｉ的概念：混合氣體中各組分氣體的物質(zhì)的量，稱為物質(zhì)的量分量nｉ。物質(zhì)的量分量與總的物質(zhì)的量的關(guān)系：混合氣體的總的物質(zhì)的量（ｎ總）,等于混合氣體中各組分氣體的物質(zhì)的量分量（ｎｉ）的總和。

ｎ總=ｎ1+ｎ2+ｎ3+…

摩爾分?jǐn)?shù)（χｉ）的概念（molefraction）：

χｉ＝ｎｉ／ｎ總

②氣體分壓Pｉ分壓的概念：溫度一定的條件下，某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。分壓與總壓的關(guān)系---道爾頓分壓定律(Dalton’slaw)

：混合氣體的總壓強(qiáng)等于各組分氣體的分壓之和。

P總

=P

1+P

2+P

3+…

③氣體分體積Vｉ氣體分體積的概念：

氣體的分體積是指維持溫度T與總壓ｐ總在一定的條件下，某組分氣體單獨(dú)占據(jù)的體積。分體積與總體積的關(guān)系在恒溫（T）與恒壓(ｐ總)下,混合氣體的總體積等于各組分氣體的分體積之和：V總＝VA＋VB＋VC＋…④混合氣體的組成的表示方法：摩爾分?jǐn)?shù)（molefraction）：χｉ＝ｎｉ／ｎ總；壓力分?jǐn)?shù)（pressurefraction）：pｉ／p總；體積分?jǐn)?shù)（volumefraction）：Ｖｉ／Ｖ總。

χｉ

＝ｎｉ／ｎ總＝pｉ／p總＝Ｖｉ／Ｖ總RTVnpii=RTVnp總總=

氧是人類維持生命的必需氣體，缺氧生命就會死亡，過剩的氧會使人致病，只有在氧氣的分壓維持21kPa才能使人體維持正常代謝過程。在潛水員自身攜帶的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得氣栓?。?yīng)用：

由總物質(zhì)的量求某氣體的物質(zhì)的量：

ｎｉ=xiｎ總由總壓求分壓：

pｉ=xｉp總由總體積求分體積：

Ｖｉ=xｉＶ總

χｉ

＝ｎｉ／ｎ總＝pｉ／p總＝Ｖｉ／Ｖ總【例3】

一容器中裝有Ｏ２、Ｎ２和ＮＨ３等氣體混合物，已知各氣體的體積分?jǐn)?shù)為Ｏ２占40%，Ｎ２占25%，NH３占35%?；旌蠚怏w的總壓為１００kPa，體積為10L，溫度為27℃，試計(jì)算混合氣體中各組分氣體的分壓和物質(zhì)的量。解：（1）由式ｐｉ＝xｉp總＝

（Ｖｉ/Ｖ總）·p總可得：

ｐ(Ｏ２)＝１００kPa×０.４０＝４０ｋＰａ

ｐ(Ｎ２)＝１００kPa×０.２５＝２５ｋＰａ

ｐ(ＮＨ３)＝１００kPa×０.３５＝３５ｋＰａ

（2）由ｎｉ＝ｐｉＶ/(ＲＴ)得：ｎ(Ｏ２)＝40kPa×10L/8.314kPa·L·mol-1·K-1×300K

＝0.16ｍｏｌｎ(Ｎ２)＝25kPa×10L/8.314kPa·L·mol-1·K-1×300K

＝0.10ｍｏｌｎ(ＮＨ３)＝35kPa×10L/8.314kPa·L·mol-1·K-1×300K

＝０.１4ｍｏｌ

【例4】（混合氣體，分壓定律應(yīng)用）

實(shí)驗(yàn)室用金屬鋅與HCl反應(yīng)制備氫氣時(shí)，已知在25℃、100.00kPa條件下，用排水集氣法收集到820mL氣體(氫氣和水蒸氣的混合物)，試計(jì)算：(1)氫氣的量；(2)氫氣和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)。解：(1)查表得：２５℃時(shí)，飽和水蒸氣壓為3.17kPa。故ｐ(Ｈ２)＝100.00kPa－3.17kPa＝96.83kPaｎ(Ｈ２)＝ｐ(Ｈ２)Ｖ/ＲＴ＝(96.83kPa×820×10-3L)/(8.314kPa·L·mol-1·K-1×298.2K)＝0.032mol(2)由ｐｉ/ｐ＝Ｖｉ/Ｖ得：Ｖ(Ｈ２)/Ｖ＝ｐ(Ｈ２)/ｐ＝96.83kPa/100kPa＝0.9683＝96.83%Ｖ(Ｈ２Ｏ)/Ｖ＝ｐ(Ｈ２Ｏ)/ｐ＝3.17

kPa/100

kPa＝0.0317＝3.17%

【例5】（混合氣體之間的化學(xué)反應(yīng)）

將N2與H2以1∶3的比例裝入密封容器，在溫度為637K，1418.55kPa條件下反應(yīng)平衡時(shí)，測得氨的體積分?jǐn)?shù)為9%，試計(jì)算平衡時(shí)各氣體的分壓。解：（1）反應(yīng)在恒溫恒壓條件下進(jìn)行：反應(yīng)前后P總恒定，所以反應(yīng)后NH3的分壓：P(NH3)=P總×Vi/V總=1418.55kPa×9%=127.670kPa（2）由混合氣體分壓定律求N2+H2分壓和：P（N2+H2）=P總-PNH3=1418.55kPa-127.670kPa=1290.880kPa（3）根據(jù)N2與H2反應(yīng)生成氨的反應(yīng)方程式：

N2+3H2=2NH3

因?yàn)镹2與H2反應(yīng)前體積比為1∶3所以反應(yīng)后N2與H2體積比仍為1∶3則P(N2)=P（N2+H2）×1/4=322.72kPaP(H2)=P（N2+H2）×3/4=968.16kPa答：平衡時(shí)N2的分壓為322.72kPa，H2的分壓為968.16kPa。NH3的分壓為127.67kPa。

3.

實(shí)際氣體（Realitygas）

（1）實(shí)際氣體對理想氣體的偏差

（2）實(shí)際氣體的個(gè)性

（1）實(shí)際氣體對理想氣體的偏差

（Thedeviationofrealitygasfromidealgas）

實(shí)際氣體中，由于氣體分子本身有一定大小，以及分子間存在作用力，因而對理想氣體定律有一定偏差。

實(shí)際工作中，常用壓縮系數(shù)Ｚ表示實(shí)際氣體的實(shí)驗(yàn)值與理想值的偏差。

定義：

Ｚ＝ｐＶ／(ｎＲT)

對于理想氣體，由于ｐＶ＝ｎＲT，故Ｚ＝１。對于實(shí)際氣體，一方面,分子的吸引力因素起主要作用時(shí)，Ｚ＜１。因?yàn)橛捎诜肿娱g引力的存在，使氣體易于被壓縮，或者說由于“內(nèi)耗”的存在，使氣體的實(shí)際壓力減小，故ｐＶ＜ｎＲＴ，Ｚ＜１。另一方面，當(dāng)氣體本身的體積因素比較突出時(shí)，Ｚ＞１。由于實(shí)際氣體分子本身具有一定體積，會占據(jù)一定空間，故ｐＶ＞ｎＲＴ，Ｚ＞１。實(shí)際上，這兩種影響因素同時(shí)存在。這種偏差隨著溫度的降低和壓力的升高而增大。體系理想氣體真實(shí)氣體分子體積為零忽略壓力不太大分子間引力為零忽略溫度不太低關(guān)系式

PV=nRT

PV≈nRTＺ＝ｐＶ／(ｎＲT)Ｚ＝１Ｚ＜１（引力因素）Ｚ＞１（體積因素）實(shí)際氣體對理想氣體的偏差

修正公式：范德華(VanderWaals)提出了修正的氣態(tài)方程，它是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)性的方程式，對1mol氣體：對nmol氣體：

式中：a、b稱為范德華常數(shù)n2n范德華常數(shù)的意義：a：用于校正壓力，與氣體的沸點(diǎn)有關(guān)，沸點(diǎn)高的氣體，意味著分子間作用力大，ａ值便大。

b：用于校正體積。大致等于氣體在液態(tài)時(shí)的摩爾體積。例：如Ｈ２的液態(tài)摩爾體積為0.022L·mol－１，則它的b值為0.02261L·mol－１。因此，可壓縮的體積值為Ｖm－ｂ。（2）實(shí)際氣體的個(gè)性

(Thecharacteristicofrealitygas)1）臨界溫度(criticaltemperature,Ｔｃ)不同

2）臨界壓力(criticalpressure,ｐｃ)不同

3）臨界體積(critical

volume,Ｖｃ)不同

4）擴(kuò)散速度（diffusionvelocity,ｖD）不同1）.臨界溫度(criticaltemperature)不同Ｔｃ--使氣體得以液化的最高溫度在臨界溫度以上，不論怎樣加大壓力都不能使氣體液化，只有在臨界溫度以下，才能使之液化。Ｔｃ

ｐｃ

（L)

(g)Ｐ/kPaＴ/K

Ｔｃ

ｐｃ

（L)

(g)Ｐ/kPaＴ/K2）.臨界壓強(qiáng)(criticalpressure)不同

ｐｃ--在臨界溫度時(shí)使氣體液化所需的最低壓強(qiáng)

3）臨界體積(criticalvolume)不同

Ｖｃ--在臨界溫度和臨界壓強(qiáng)下，1mol氣體的體積Ｔｃ

ｐｃ

（L)

(g)Ｐ/kPaＴ/K

物質(zhì)沸點(diǎn)/KTc/KPc/101325PaVc/(cm3.mol-1)永久氣體HeH2N2O2CH44.220.477.390.1111.75.233.2126.9154.3190.22.2512.833.549.745.661.569.790.074.498.8可凝聚氣體CO2C3H8Cl2NH3C4H10194.6231.0238.5239.7273.6304.2370.0417.0405.5426.072.843.076.1112.236.094.2---123