高中化学竞赛——气体

§1－1 气体
气体的最基本特征: 具有可压缩性和扩散性。
一、 理想气体
❖ 特征
➢分子体积与气体体积相比可以忽略不计 ➢分子之间没有相互吸引力 ➢分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞
不造成动能损失
（一）理想气体状态方程式:
pV = nRT
R---- 摩尔气体常量
在STP下, p =101．325kPa， T=273．15K
第二章 物质的状态
State of Matter
通常情况下, 物质有三种不同的物理聚集状态 即:气态(gaseity)、液态(liquid)和固态(solid state)
特殊情况下:可以等离子态存在, 又叫“物质第四态”。 一般指电离的气体, 由离子, 电子及未经电离的中性粒子所 组成, 正负电荷密度几乎相等, 从整体上看呈电中性。 如火焰, 电孤中的高温部分, 太阳和其他恒星的表面气层等 都是以等离子态存在。
P、V两个因素 实际气体, 分子本身有体积, 且分子之间有作用力,
分子距离较远时, 吸引力的存在导致P减小; 随着P的增 大, 分子本身的体积不能忽略。与此同时, 随着分子间 距的缩小, 斥力增大为主, 因此对O2、CO2、CH4等气体 PV在出一极小值后, 迅速增大, H2、He分子间力很小, 没有出现最低点。
恒温时, 某组分气体占据与混合气体相同体积时对容器产生的压力, 叫该组分气体的 分压力。分压及混合气体都满足理想气体状态方程式
PiV总 ni RT(1) P总V总 nRT(2)
（1）/（2）式得
Pi ni (3) P总 n
令xi
ni n
( xi 称为混合气体中某气体的摩尔分数)
Pi xi p总 (4)
+ ．．．
（3）气体扩散定律
1831年, 英国物理学家格拉罕姆（Graham）指出:同 温同压下某种气态物质的扩散速度与其密度的平方根 成反比, 这就是气体扩散定律 uA /uB=(ρB / ρA)1/2
式中A、B两种气体的扩散速度和密度分别用uA 、uB,
ρA、ρB, 表示。
因为同温同压下, 气体的密度ρ与其相对分子质量Ｍr成
正比, 上式又可改写成
uA /uB= (Ｍr（Ａ） /Ｍr（Ｂ）)1/2
1-2 实际气体状态方程式
• 在恒温条件下, 一定量理想气体的pV乘积是一个 常数, 而实际气体却不是这样。多数气体的pV乘 积是随压强的升高先变小, 出现一个最低点, 然 后再变大。
• 1873年荷兰科学家范德华（Van der walls）对理 想气体状态方程进行校正:
PV m RT M
M mRT
V
M
0.744g 8.314Pa m3mo1 k 1 360k 9.6 104 Pa 4 104 m3
58g mo1
L dm3 1.0 103 m3
答:丙酮的相对分子质量是58。
R－摩尔气体常数 在SI国际单位制中,
1mol-1
R为8．314JK-1mol-1 或8．314Pam3K-1mol-1 或8．314KPadm3K-
【例3】 P19 例2-4 用极限密度法求气体的摩尔质量, 该法的优点是实际气体十 分接近理想气体, 因此, 求得的摩尔质量与理论值很接近。 推导:(恒温下）
M RT
P
PV mRT M
m PM
V RT
M RT
P
二、气体分压定律
混和气体的总压等于组成混合气体的各气体的分压之和。
P总 pi p1 p2 p3
PH2O 2.48103 Pa P总 PO2 PH2O
饱和蒸汽压概念:蒸发、凝聚速度相等, 动 态平衡; 饱和蒸汽压产生的压强称为饱和 蒸汽压; 与液体的本质及温度有关
PO2 P总 PH2O
PO2＝9.96104 2.48103＝9.71104 Pa
nO2
PO V2 总 RT
9.71104 0.37710－3 8.314 294
三、问题的解决
针对以上两原因, 分子本身有体积, 分子间有作用力, 人 们已经提出了200多种非理想气体状态方程式。1873年Van der walls 提出的方程式应用最普遍。
Van 用两个修正因子a、b, 揭示了理想与非理想气体的差异
1.体积的修正 若1mol某气体分子自身体积为b, 的体积为: V－b nmol气体（V－nb）
（p+an2/v2）(v-nb) = nRT
a是同分子间引力有关的常数, b是同分子自身有 关的常数, 统称为范德华常数, 均由实验来确定。
1-3 气体的液化 临界常数
• 气体变成液体的过程叫做液化或凝聚。 • 液化的条件是降温或同时加压。
• 降温可以减小液体的饱和蒸气压; 加压 可以减小气体分子间的距离, 有利于增 大分子间的作用力。
Vi= n1RT/P VT= nTRT/P → Xi =Vi / VT = ni / nT = Ni
类似上述推导可以得出 Pi / PT = ni / nT 组份气体的分压为 Pi = Ni PT = Xi PT 混合气体的总压力等于各组分气体分压之和, 这个定律称为分压定律。 P = P1 + P2 + P3
分压:
组分气体B在相同温度下占有与混合
气体相同体积时所产生的压力, 叫做组
分气体B的分压。
pB
nBRT V
分压定律:
混合气体的总压等于混合气体中各组分 气体分压之和。
p = p1 + p2 + 或 p = pB
p1
n1RT V
,
p2
n2 RT V
,
p
n1RT V
n2RT V
n1
n2
RT V
建立这种模型是为了将问题简化，形成一个标准。 尽管理想气体是一种人为的模型，但它具有十分 明确的实际背景。 ★ 研究结果表明, 在高温、低压条件下, 许多实际 气体很接近于理想气体。
（1）理想气体的状态方程式
波义尔定律:当n和T一定时，气体的V与p成反比
V ∝1/p
（1）
查理-盖吕萨克定律: n和p一定时, V与T成正比
n=1．0 mo l 时，
Vm=22．414L=22．
414×10-3m3
R pV
101325
Pa
22.414
10 3 m3
nT
1.0mol 273 .15K
8.314 J mol 1 K1
R=8．314 kPaLK-1mol-1
二、 理想气体状态方程式的应用
1． 计算p, V, T, n四个物理量之
（4）式表明:某组份气体分压的大小与它在混合气体中
的摩尔分数成正比。
引深: xi Ni(体积分数)
则Pi NiP总
即有:
pi Vi p总 V总
则PiV总 P总Vi(5)
例2—6
解: 用排水法收集到的O2, 都含有水蒸汽, 即为混合气体, 水的 分压与该温度下水的饱和汽压相等, 查表可得水的分压。
V ∝T
（2）
阿佛加德罗定律:p与T一定时, V和n成正比
V ∝n
（3）
三个经验定律的表达式合并得
V ∝ nT/p
(4)
（1）理想气体的状态方程式 实验测得（4）的比例系数是R, 于是得到
pV=nRT (5)
这就是理想气体状态方程式
注意:R的取值, P、V、n、T单位之间关系 • 国际单位制中 P的单位是Pa， V的单位是m3，
§1－2 实际气体状态方程式
一、问题的提出: 用实验说明实际气体偏离理想气体方程
即PV=nRT PV≠常数（T一定, n=1）见下图:
v/dm3.Pa
PV~
H2
A
CO2
O2
一般规律:
多数气体的PV乘积是随压力的升
B 高先变小（引力为主）, 出现一
个最低点, 然后再变大（体积不
可忽视）。
P/Pa
二、解释:
n =n1+ n2+
p
nRT V
分压的求解:
pB
nB RT V
p
nRT V
pB p
nB n
xB
pB
nB n
p
xB p
x B B的摩尔分数
§ 2-1 气体
2-1-1 理想气体 ➢ 分子体积与气体体积相比可以忽略不计 ➢ 分子之间没有相互吸引力 ➢ 分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动
能损失 ★ 理想气体是一种人为的气体模型，实际并不存在。
一。pV = nRT
用于温度不太低, 压力不太高的真实气体。
2．气体摩尔质量的计
算 pV nRT
pV m RT M
n m M
M mRT pV
M = Mr gmol-1
气体密度的计算
M mRT m /V pV
M RT
p
pM
RT
（2） 分压定律
组分气体:
理想气体混合物中每一种气体叫做组 分气体。
T的单位是K， R的取值是 8．314 j·mol-1·K-1
（2）气体分压定律
• 分压的概念 • 分体积的概念
• P总、P分、V总、V分、n总、n分 之间的关系
• 混合气体分压定律
一.分压力 分体积 • nT = n1 + n2 + n3 • VT = V1 + V2 + V3
分压力 分体积
P = nTRT/ VT= (n1+n2+n3) RT/ VT = n1RT/ VT + n2RT/ VT + n3RT/ VT
一、理想气体的状态方程式
根据:波义尔定律, 查理—盖·吕萨克定律 阿佛加德罗定律
可得: PV nRT PV m RT
M
m PVM RT
M mRT PM
PV
RT
m
V
使用理想气体状态方程式要注意单位问题。
【例1】当温度为360K，压力为9．6×104Pa时， 0．4L的丙酮蒸气重0．744g，求丙酮的相对分 子质解:量根。据气态方程
uA B
uB
A
∵ T． P相同时，PV=nRT
∴
uA MB
uB
MA
M p
RT
【例5】 P22 例2—8
解:设经过t秒后, 在距NH3端的x cm处相遇而出现白烟 根据气体扩散定律
uNH 3 u HC1
M HC1 M NH 3
即
x/t
120 t/ t
36.5 17
得
x 71.3cm
总结:求气体相对分子质量的方法很多: （1）相对密度法 （2）蒸汽密度法 （3）极限密度法 （4）分压定律法 （5）气体扩散定律法
• 单纯采用降温的方法可以使气体液化; 如果单纯采用加压的方法, 气体则不能 液化。
1-3 气体的液化 临界常数
• 加压下使气体液化所需的一定温度称为临界温 度, 用TC表示。
• 在临界温度时, 使气体液化所需的最低压强, 称为临界压强, 用PC表示。
• 而在临界温度和临界压强下, 1mol气态物质 所占有的体积, 称为临界体积, 用VC表示。
§1 体
§1－1理想气体 什么是理想气体?
分子本身不占有体积, 分子之间没有吸引和排斥力, 分子 之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成功能损失。
实际上是不存在这种气体。 但在高温、低压下, 许多实际气体很接近于理想气体。 在上述条件下, 气体分子间距离大, 本身体积可以忽略, 分子间作用力也是微不足道。
在相同温度条件下， 组分气体的分体积 等于混合气体相同压力时所占的体积。用 Vi表示
组份气体的分体积与混合气体的总体积之 比称体积分数。用xi表示。即 Xi =Vi / VT
二、体积分数、摩尔分数、分压定律
组份气体物质的量与混合气体各组份物质的量 的总和之比称摩尔分数。用Ni表示。即
Ni = ni / nT nT= nA+ nB+ ．．．
P = P1 + P2 + P3 + ．．．
VT = nTRT/ P= (n1+n2+n3) RT/ P =n1RT/ P + n2RT/ P + n3RT/ P
VT = V1 + V2 + V3 + ．．．
分压力 分体积
在相同温度下, 组分气体的分压力等于 它占有与混合气体相同体积时的压力。用 Pi表示
• Tc， Pc， Vc同称为临界常数。
1-3 气体的液化 临界常数
• 熔、沸点很低的物质如H2、N2、O2等这些非极 性分子, 由于分子间作用力很小, 其临界温 度都很低, 难以液化。
• 强极性气体分子, 如H2O、NH3等, 因具有较 大的分子间作用力而比较容易液化。 气态物质处在临界温度、临界压强和临界 体积的状态下, 称为临界状态。 临界状态是不稳定的状态。这种状态下, 气体和液体之间的性质差别将消失, 两者之间 的界面将消失。
0.0150mol
M O2
0.480 0.015
32.01g.mol
三、气体扩散定律
扩散:一种气体可以自发地与另一种气体相混合, 而且可以渗透, 该现象称为扩散。
扩散的速度受分子本身质量的影响。可以想象, 较重的气体扩散速 度慢, 反之亦反。英国化学家格雷姆, 通过实验, 得出了气体的扩散 速度（和分子量之间的关系）与密度之间的关系。同温同压下某种气 体（态）物质的扩散速度与其密度的平方根成反比。