普化第01章_气体

第一章 气体
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第一章 Chapter 1 气体 Gases
1.1、气体压强 1.2、理想气体状态方程 1.3、气体分压定律 1.4、气体扩散定律 1.5、气体分子运动论 1.6、实际气体和范德华方程
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物质三态
气体、液体和固体是物质常见的三种状态。
单质
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气态分子
常温常压(25 oC, 1 atm)以气态存在的物质
化合物 HF, HCl, HBr, HI CO, CO2 NH3 NO, NO2, N2O SO2 H2S HCN (>26 oC)
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H2 N2 O2, O3 F2, Cl2 He, Ne, Ar, Kr, Xe Rn
气体 完全无序，粒子 相互远离、具有 完全的自由度， 有大量空的空间
液体 无序，粒子 相互靠近、 具有一定的 自由度
固体 排列有序规整， 粒子束缚在特定 的位置附近、相 互紧密靠近
1.1 气体压强
气体压强 (gas pressure)是分子 间作用力的宏观 表现。 气体压强来自于 大量气体分子对 器壁连续不断的 碰撞。
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气体压强单位
标准大气压 (standard atmospheric
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pressure) (1 atm)：在纬度45o的海平 面上，当温度为0 oC时，760mm高水 银柱产生的压强。
气体压强单位 (units of pressure)
1 atm = 760 mmHg = 760 torr 1 atm = 101325 Pa =101.325 kPa 1 bar = 105 Pa = 750.064 mmHg (SSP，Standard state pressure)
气压计
Barometer
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标准状况 (Standard conditions) conditions)
STP (Standard temperature and pressure) T = 273.15 K (0 °C), p = 100 kPa (1 bar) (IUPAC, 1997) 旧定义：T = 273.15 K (0 °C), p = 101.325 kPa (1 atm) (IUPAC, 1984; NIST, 1969; ISO 10780) SATP (Standard ambient temperature and pressure): T = 298.15 K (25 °C), p =100 kPa
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1.2 理想气体状态方程
气体定律 (The gas laws)：
波义耳定律 (Boyle’s Law)：pV = 常数 (n, T 恒定)
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查理定律 (Charles’ Law) ：V/T = 常数 (n, p 恒定) 盖-吕萨克定律 (Gay-Lussac’s Law) ：p/T = 常数 (n, V 恒定) 阿伏加德罗定律 (Avogadro’s Law) ：V/n = 常数 (T, p 恒定) pV/T ∝ k
Combined gas law
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典型的Boyle定律的实验
恒压下气体体积与温度的关系（Charles 定律实验）
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V∝1/p, or V = k/p, 其中k为常数
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将该直线延伸到0体积处，得到一个温度： -273.15 oC，该温度是热力学温度 (Kelvin temperature scale)的起点(0 K)。
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理想气体状态方程
克拉珀龙方程 — 理想气体状态方程 (The ideal gas equation)
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理想气体状态方程
实验表明， 在0 °C和1 atm下，1 mol 理 想气体的体积为 22.414 L。
PV = nRT R= PV = (1 atm)(22.414L) nT (1 mol)(273.15 K)
pV = nRT
R = 0.082057 atm • L • mol-1 • K-1
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理想气体状态方程
摩尔气体常数R (molar gas constant)
0.08206
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理想气体状态方程
理想气体 (ideal gas)：
)
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atm·dm3·mol-1·K-1 Pa·m3·mol-1·K-1 cal·mol-1·K-1 kPa·dm3·mol-1·K-1
(
atm·L·mol-1·K-1
8.3145 1.987 8.314
(J·mol-1·K-1)
分子只有位置而不占有体积，是一个具有 质量的几何质点； 分子间没有相互作用力； 分子之间以及分子与器壁之间发生的碰撞 是弹性碰撞，没有动能损失。
62.364 torr·L·mol-1·K-1
适用：温度较高、压力较低时的稀薄气 体。
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理想气体状态方程的应用
求相对分子量（摩尔质量）M
pV = nRT = (m/M) RT
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例1-1：惰性气体氙能和氟形成多种氟化物 XeFx。实 验测定在80 °C，15.6 kPa 时，某气态氟化氙试样的 密度为0.899 (g⋅dm-3)，试确定这种氟化氙的分子式. 解：求出摩尔质量，即可确定分子式。 设氟化氙摩尔质量为M，密度为 ρ (g⋅dm-3)，质量为 m (g)，R 应选用 8.314 (kPa⋅dm3⋅mol-1⋅K-1)。 ∵ pV = nRT = (m/M) RT ∴ M = (m/V)(RT/p) = ρ (RT/p) = (0.899 × 8.31 × 353)/15.6= 169 (g⋅mol-1) 假设该氟化氙的分子式为XeFx，则有：131+19x =169 ∴ x = 2，即该氟化氙的分子式为XeF2
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M = mRT/(pV)
求密度(ρ)
ρ = m/V ρ = p(m/n)/(RT)
p(m/ρ) = nRT M= m/n
ρ = (pM)/(RT)
1.3 气体分压定律
理想气体状态方程不仅适用于单一气 体，也适用于相互不发生化学反应的混 合气体。 在混合气体中，每一种组分气体相互远 离、互不干扰，都会对器壁产生各自的 压力，这种压力称为分压。
分压 (partial pressure)是指在相同温度 下，混合气体中某组分气体单独占有混 合气体总体积时所表现出的压力
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混合气体的总压等于组成混合气体的各 组分气体的分压之和:
ptotal = ∑ pi = p1 + p2 +
+ pn
道尔顿分压定律 (Dalton’s Law of Partial Pressures)
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