第2章气体精.ppt

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1、第1页，本讲稿共57页第第2 2章章 气气 体体 1 1气体分子运动论气体分子运动论 2 2理想气体理想气体 3 3 实际气体实际气体第2页，本讲稿共57页1.气体分子运动论 第3页，本讲稿共57页气体分子运动论的要点概括如下：气体分子运动论的要点概括如下：（1）气体由大量的处于不停息地，随机地运动着的分子组成）气体由大量的处于不停息地，随机地运动着的分子组成。(2)气体分子的自身体积相对于其容器的总体积而言可以忽略不计。气体分子的自身体积相对于其容器的总体积而言可以忽略不计。（3）气体分子间的吸引力和排斥力可以忽略不计。）气体分子间的吸引力和排斥力可以忽略不计。（4）气体分子的能量在碰撞过程

2、中相互传递，只）气体分子的能量在碰撞过程中相互传递，只要气体体系的温度不改要气体体系的温度不改变，气体分子的平均变，气体分子的平均动能不随时间改变。动能不随时间改变。第4页，本讲稿共57页 2 2理想气体理想气体(1)理想气体的概念理想气体的概念(What is ideal gas(What is ideal gas）假设气体分子只有位置而无体积，气体分子之间没有相互假设气体分子只有位置而无体积，气体分子之间没有相互的作用力，这种气体便称为理想气体。的作用力，这种气体便称为理想气体。适用于理想气体状态方程式。适用于理想气体状态方程式。实际上并不存在理想气体。实际上并不存在理想气体。第5页，本讲

3、稿共57页近似处理：近似处理：当当真真实实气气体体处处于于压压力力不不太太高高、温温度度不不太太低低，占占有有较较大大的的总总体体积积时。时。气体本身的体积与它所占有的体积比较可以忽略，气体本身的体积与它所占有的体积比较可以忽略，分子间引力很微弱也可以忽略。分子间引力很微弱也可以忽略。这时真实气体可按理想气体处理。这时真实气体可按理想气体处理。第6页，本讲稿共57页 （2 2）理想气体的性质）理想气体的性质 性质性质1 1：在一定压强下，一定量气体的体积与其热力学温度成正比。在一定压强下，一定量气体的体积与其热力学温度成正比。查尔斯定律查尔斯定律（CharlesCharless laws la

4、w）V T或或V=kT 第7页，本讲稿共57页 性质性质2 2：在一定温度下，一定量气体的体积与其压强成反比。在一定温度下，一定量气体的体积与其压强成反比。V 1/p 或或V=k/p博伊尔定律博伊尔定律（Boyles lawBoyles law）第8页，本讲稿共57页 性质性质3 3：在同温同压下，相同体积的气体含有的气体分子数相同。实验证明，在0和100.kPa条件下，22.414L任何气体含有的气体分子数都为6.021023个（即1mol）。V n 或或V=kn（阿伏伽德罗定律）第9页，本讲稿共57页 （3 3）理想气体状态方程式）理想气体状态方程式 基本公式：基本公式：VTV1/pVn

5、pV=nRTV 第10页，本讲稿共57页 p V=n R T p p-压强，单位为压强，单位为 帕斯卡帕斯卡(Pa)(Pa)或千帕斯卡或千帕斯卡(kPa)(kPa)；V V-体积体积,单位为单位为 立方米立方米(m(m)或升或升(L)(L)；n n-物质的量物质的量,单位为单位为 摩尔摩尔(mol);(mol);T T-温度，单位为温度，单位为 开尔文（开尔文（K K）；）；R R-摩尔气体常数。摩尔气体常数。符号说明：符号说明：第11页，本讲稿共57页 摩尔气体常数摩尔气体常数R R 的取值的取值 在标准状况下在标准状况下:T T273.15 K273.15 K，p p100 kPa100

6、kPa，n nmol,mol,V V22.4141022.41410-3-3 m m3 3,代入：代入：R R pVpV(nTnT)得：得：R.Pam3mol-1K-1 第12页，本讲稿共57页 R R 的量纲的量纲 改改变变各物理量的各物理量的单单位，位，可以可以使使R R 有不同的量有不同的量纲纲：1 1 PaPa 10103 3 10103 31 11 1 PaPa-2-2 3 3 1N1m1m1m1m31m21Pa第13页，本讲稿共57页R R.Pa Pa m m3 3 mol mol-1-1 K K-1-1 .l l.l l .l l第14页，本讲稿共57页 公式的各种形式：公式的各

7、种形式：公式公式1 1基本形式：基本形式：p V=n R Tp V=n R T 公式公式2 2状态状态1/1/状态状态2 2：p pV V/2 2V V2 2 R TR T/2 2 R TR T2 2 如果如果 ：p pV V /T T p pV V/T T 如果如果 T TT T：p pV V2 2V V2 2 第15页，本讲稿共57页公式公式3 3气体的质量气体的质量与摩尔质量与摩尔质量：V V T T （/）（/）公式公式4 4气体的密度气体的密度 ：（/）（/）/第16页，本讲稿共57页应用：应用：摩尔质量（摩尔质量（M）是一种物质的特征数据，凡是气态物质或是一种物质的特征数据，凡是气

8、态物质或者容易气化的物质都可以用气体密度（者容易气化的物质都可以用气体密度（）法测定之。法测定之。第17页，本讲稿共57页 【例例1 1】（状态变化）（状态变化）某密闭系统中，某密闭系统中，25时氧气的体积为时氧气的体积为200m，将氧气压缩到将氧气压缩到0.24m时，其压力为时，其压力为3.04kPa，求氧气原来的求氧气原来的压力压力。分析：分析：压缩前后，氧气的量压缩前后，氧气的量不变，温度不变，温度不变，不变，故有：故有：p pV V2 2 V V2 2 p p2 2 V V2 2/V V第18页，本讲稿共57页解：解：p p2 2V V2 2/V V.第19页，本讲稿共57页【例例2

9、2】（气体摩尔质量的测定）（气体摩尔质量的测定）265 g265 g氧气，在氧气，在290.2 K290.2 K及及1 000 kPa1 000 kPa条件下条件下占有占有20 L20 L体积，计算氧气的体积，计算氧气的摩尔质量摩尔质量。分析：分析：V VT T（/）/（）第20页，本讲稿共57页解：解：/（）（265 g8.314265 g8.314 290.2 290.2）（）（1000 kPa20 L1000 kPa20 L）32 g32 g第21页，本讲稿共57页 （3 3）混合气体混合气体-气体分压定律气体分压定律（Law of partial pressureLaw of part

10、ial pressure）如如果果混混合合气气体体中中各各组组分分之之间间不不发发生生化化学学反反应应，而而各各组组分分气气体体又又可可视视为为理理想气体（各组分气体如同单独存在一样），想气体（各组分气体如同单独存在一样），则混合气体也可视为理想气体。则混合气体也可视为理想气体。第22页，本讲稿共57页 混合气体中，各组分的相互关系混合气体中，各组分的相互关系 气体的物质的量分量气体的物质的量分量 n n气体的物质的量分量气体的物质的量分量 n n的概念：的概念：混合气体中各组分气体的物质的量，称为物质的量分量混合气体中各组分气体的物质的量，称为物质的量分量 n n。物质的量分量与总的物质的量

11、的关系：物质的量分量与总的物质的量的关系：混混合合气气体体的的总总的的物物质质的的量量（总总）,等等于于混混合合气气体体中中各各组组分分气气体体的的物物质质的的量分量（）的总和。量分量（）的总和。总总=1+1+2+2+3+3+第23页，本讲稿共57页 摩尔分数（摩尔分数（）的概念（）的概念（mole fractionmole fraction）：）：总总 第24页，本讲稿共57页 气体分压气体分压 P P分压的概念：分压的概念：温温度度一一定定的的条条件件下下，某某一一气气体体在在气气体体混混合合物物中中产产生生的的分分压压等等于于它它单单独占有整个容器时所产生的压强。独占有整个容器时所产生的

12、压强。分压与总压的关系分压与总压的关系-道尔顿分压定律道尔顿分压定律(Dalton(Daltons law)s law)：混合气体的总压强等于各组分气体的分压之和混合气体的总压强等于各组分气体的分压之和。P总总=P 1+P 2+P 3+第25页，本讲稿共57页 气体分体积气体分体积V V气体分体积的概念：气体分体积的概念：气体的气体的分体积是指维持温度分体积是指维持温度T T与总压与总压总总在一定的条件下，某组分在一定的条件下，某组分气体单独占据的体积。气体单独占据的体积。分体积与总体积的关系分体积与总体积的关系 在恒温（在恒温（T T）与恒）与恒压压(总总)下下,混合气体的混合气体的总总体体

13、积积等于各等于各组组分气体分气体的分体的分体积积之和：之和：V V总总V VA AV VB BV VC C第26页，本讲稿共57页 混合气体的组成的表示方法：混合气体的组成的表示方法：摩尔分数（摩尔分数（mole fractionmole fraction）：）：总总；压力分数（压力分数（pressurepressure fraction fraction）：）：p pp p总总；体积分数（体积分数（volume fractionvolume fraction）：）：总总。总总 p pp p总总总总 RTVnpii=RTVnp总总=第27页，本讲稿共57页 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命

14、就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病）。应用：应用：第28页，本讲稿共57页 由总物质的量求某气体的物质的量：由总物质的量求某气体的物质的量：=x xi i总总 由总压求分压：由总压求分压：p p=x xp p总总 由总体积求分体积：由总体积求分体积：=x x总总 总总 pp总总总总第29页，本讲稿共57页【例例3 3】一容器中装有一容器中装有、和和等气体混合物，等气体混合物，已知各气体的已知各气体的体积分数体积分数为为占占40%40%，占占2

15、5%25%，NHNH占占35%35%。混合气体的总压为混合气体的总压为kPakPa，体积为，体积为10 L10 L，温度为，温度为2727，试计算混合气体中各组分气体的试计算混合气体中各组分气体的分压分压和和物质的量物质的量。第30页，本讲稿共57页解：（解：（1 1）由式由式 x xp p总总（/总总）p p总总可得：可得：()kPakPa.()kPakPa.()kPakPa.第31页，本讲稿共57页（2 2）由）由 /(/()得：得：()40 kPa10 L/8.314 kPa40 kPa10 L/8.314 kPaL Lmolmol-1-1K K-1-1300 K 300 K 0.16

16、0.16()25 kPa10 L/8.314 kPa25 kPa10 L/8.314 kPaL Lmolmol-1-1K K-1-1300 K300 K 0.10 0.10()35 kPa10 L/8.314 kPa35 kPa10 L/8.314 kPaL Lmolmol-1-1K K-1-1300 K300 K .4 4 第32页，本讲稿共57页 【例例4 4】（混合气体，分压定律应用）（混合气体，分压定律应用）实实验验室室用用金金属属锌锌与与HClHCl反反应应制制备备氢氢气气时时，已已知知在在25 25、100.00 100.00 kPakPa条条件件下下，用用排排水水集集气气法法收收

17、集集到到820 820 mLmL气气体体(氢氢气气和和水水蒸蒸气气的的混混合合物物)，试试计算：计算：(1)(1)氢气的量；氢气的量；(2)(2)氢气和水蒸气的体积分数。氢气和水蒸气的体积分数。第33页，本讲稿共57页解：解：(1)(1)查表得：查表得：时，饱和水蒸气压为时，饱和水蒸气压为3.17 kPa3.17 kPa。故故()100.00 kPa100.00 kPa3.17 kPa3.17 kPa96.83 kPa96.83 kPa()()/(96.83(96.83 kPa82010kPa82010-3-3L)/(8.314kPaL)/(8.314kPaL Lmolmol-1-1K K-1

18、-1298.2K)298.2K)0.032 mol0.032 mol(2)(2)由由/得：得：()/)/()/)/96.83 kPa/100 kPa96.83 kPa/100 kPa0.96830.968396.83%96.83%()/)/()/)/3.173.17kPa/100100kPa0.03170.03173.173.17%第34页，本讲稿共57页 【例例5 5】（混合气体之间的化学反应）（混合气体之间的化学反应）将将 N2与与H2以以1 3的的 比比 例例 装装 入入 密密 封封 容容 器器，在在 温温 度度 为为637K，1418.55kPa条条件件下下反反应应平平衡衡时时，测测得

19、得氨氨的的体体积积分分数数为为9%，试试计计算算平平衡衡时各气体的分压。时各气体的分压。第35页，本讲稿共57页解：解：（1 1）反应在恒温）反应在恒温恒压恒压条件下进行：条件下进行：反应前后反应前后P P总恒定，总恒定，所以反应后所以反应后NHNH3 3的分压：的分压：P(NHP(NH3 3)=P)=P总总Vi/VVi/V总总 =1418.55kPa9%=127.670kPa=1418.55kPa9%=127.670kPa（2 2）由混合气体分压定律求）由混合气体分压定律求N N2 2+H+H2 2分压和：分压和：P P（N N2 2+H+H2 2）=P=P总总-PNH3=1418.55kP

20、a-127.670kPa=1290.880kPa-PNH3=1418.55kPa-127.670kPa=1290.880kPa第36页，本讲稿共57页（3 3）根据）根据N N2 2与与H H2 2反应生成氨的反应方程式：反应生成氨的反应方程式：N N2 2+3H+3H2 2 =2NH =2NH3 3 因为因为N N2 2与与H H2 2反应前体积比为反应前体积比为13 13 所以反应后所以反应后N N2 2与与H H2 2体积比仍为体积比仍为1313则则 P(NP(N2 2)=P)=P（N N2 2+H+H2 2）1/4=322.72kPa1/4=322.72kPa P(H P(H2 2)=

21、P)=P（N N2 2+H+H2 2）3/4=968.16kPa3/4=968.16kPa答：平衡时答：平衡时N N2 2的分压为的分压为322.72kPa322.72kPa，H H2 2的分压为的分压为968.16kPa968.16kPa。NHNH3 3的分的分压为压为127.67 kPa127.67 kPa。第37页，本讲稿共57页 3.实际气体实际气体（Reality gas）（1）实际气体对理想气体的偏差）实际气体对理想气体的偏差 （2）实际气体的个性）实际气体的个性 第38页，本讲稿共57页（1）实际气体对理想气体的偏差）实际气体对理想气体的偏差（Thedeviationofreal

22、itygasfromidealgas）实实际际气气体体中中，由由于于气气体体分分子子本本身身有有一一定定大大小小，以以及及分分子子间间存存在在作作用用力，因而力，因而对对理想气体定律有一定偏差。理想气体定律有一定偏差。实实际际工工作作中中，常常用用压压缩缩系系数数表表示示实实际际气气体体的的实实验验值值与与理理想想值值的偏差。的偏差。定定义义：(T T)第39页，本讲稿共57页 对于理想气体，由于对于理想气体，由于T T，故，故。对对于于实实际际气气体体，一一方方面面,分分子子的的吸吸引引力力因因素素起起主主要要作作用用时时，。因因为为由由于于分分子子间间引引力力的的存存在在，使使气气体体易易

23、于于被被压压缩缩，或或者者说说由由于于“内内耗耗”的的存存在，使气体的实际压力减小，在，使气体的实际压力减小，故故，。另另一一方方面面，当当气气体体本本身身的的体体积积因因素素比比较较突突出出时时，。由由于于实实际际气气体体分分子子本本身身具具有有一一定定体体积积，会会占占据据一一定定空空间间，故故，。实际上，这两种影响因素同时存在。实际上，这两种影响因素同时存在。这这种偏差随着温度的降低和种偏差随着温度的降低和压压力的升高而增大。力的升高而增大。第40页，本讲稿共57页第41页，本讲稿共57页体体系系理理想想气气体体真真实实气气体体分分子子体体积积为为零零忽忽略略压力不太大压力不太大分分子子

24、间间引引力力为为零零忽忽略略温度不太低温度不太低关关系系式式P V=n R T P Vn R T(T)（引力因素）（引力因素）（体积因素）（体积因素）实际气体对理想气体的偏差实际气体对理想气体的偏差第42页，本讲稿共57页 修正公式：修正公式：范范德德华华(Vander(Vander Waals)Waals)提提出出了了修修正正的的气气态态方方程程，它它是是一一个个半半经经验验性性的的方程式，对方程式，对1mol1mol气体：气体：对对n moln mol气体：气体：式中：式中：a a、b b称为范德华常数称为范德华常数n n2 2n n第43页，本讲稿共57页范德华常数的意义：范德华常数的意

25、义：a a：用用于于校校正正压压力力，与与气气体体的的沸沸点点有有关关，沸沸点点高高的的气气体体，意意味味着着分分子间作用力大，值便大。子间作用力大，值便大。b b：用于校正体积。大致等于气体在液态时的摩尔体积。：用于校正体积。大致等于气体在液态时的摩尔体积。例：如例：如的液态摩尔体积为的液态摩尔体积为0.022 L0.022 Lmolmol，则它的，则它的b b值为值为0.022 0.022 61 L61 Lmolmol。因此，可压缩的体积值为。因此，可压缩的体积值为m m。第44页，本讲稿共57页 （2 2）实际气体的个性）实际气体的个性(Thecharacteristicofrealit

26、ygas)1 1）临界温度）临界温度(critical temperature,(critical temperature,)不同不同 2 2）临界压力）临界压力(critical pressure,(critical pressure,)不同不同 3 3）临界体积）临界体积 (critical volume,(critical volume,)不同不同 4 4）扩散速度（）扩散速度（diffusion velocitydiffusion velocity,D D）不同不同第45页，本讲稿共57页1 1）.临界温度临界温度(critical temperature)(critical temp

27、erature)不同不同 -使气体得以液化的最高温度使气体得以液化的最高温度 在临界温度以上，不论怎样加大压力都不能使气体液化，只有在临界在临界温度以上，不论怎样加大压力都不能使气体液化，只有在临界温度以下，才能使之液化。温度以下，才能使之液化。（L)L)(g)(g)/kPa/kPa/K/K第46页，本讲稿共57页 （L)L)(g)(g)/kPa/kPa/K/K2 2）.临界压强临界压强(critical pressure)(critical pressure)不同不同 -在临界温度时使气体液化所需的最低压强在临界温度时使气体液化所需的最低压强第47页，本讲稿共57页3 3）临界体积）临界体积

28、(critical volume)(critical volume)不同不同 -在临界温度和临界压强下，在临界温度和临界压强下，1mol气体的体积气体的体积 （L)L)(g)(g)/kPa/kPa/K/K第48页，本讲稿共57页 物质沸点/KTc/KPc/101 325 PaVc/(cm3.mol-1)永久气体HeH2N2O2CH44.220.477.390.1111.75.233.2126.9154.3190.22.2512.833.549.745.661.569.790.074.498.8可凝聚气体CO2C3H8Cl2NH3C4H10194.6231.0238.5239.7273.6304

29、.2370.0417.0405.5426.072.843.076.1112.236.094.2-12372.0-298.15k第49页，本讲稿共57页由几种常见物质的临界数据表可见由几种常见物质的临界数据表可见:气体的沸点越低，临界温度也越低，就越难液化。气体的沸点越低，临界温度也越低，就越难液化。凡凡沸沸点点和和临临界界温温度度都都低低于于室室温温的的气气体体,如如、等等，就不能在室温下加压液化，这些气体叫就不能在室温下加压液化，这些气体叫“永久气体永久气体”。凡凡沸沸点点低低于于室室温温而而临临界界温温度度高高于于室室温温的的气气体体，如如、等等，在在室室温温下下加加压压可可以以液液化化，

30、减减压压则则可可汽汽化化，这这种种气气体体叫叫“可凝聚气体可凝聚气体”。第50页，本讲稿共57页4)4)扩散速度（扩散速度（diffusion velocity)diffusion velocity)不同不同 18281828年格拉罕姆年格拉罕姆(Graham)(Graham)由实验发现：由实验发现：恒温时气体的扩散速度恒温时气体的扩散速度和它的密度和它的密度的平方根成反比：的平方根成反比：/AA/B第51页，本讲稿共57页由于气体的密度与摩尔质量成正比：由于气体的密度与摩尔质量成正比：/所以所以/AA/B 即同温同压下，气体的扩散速度与其摩尔质量即同温同压下，气体的扩散速度与其摩尔质量 (在

31、数值上等于相对分子质量在数值上等于相对分子质量)的平方根成反比。的平方根成反比。气体扩散定律气体扩散定律第52页，本讲稿共57页应用实例：应用实例：在在核核工工业业中中，和和两两种种同同位位素素的的分分离离，就就是是利利用它用它们们形成的气体物形成的气体物质质和和F F的的扩扩散速度不同而散速度不同而实现实现的。的。第53页，本讲稿共57页课堂练习：课堂练习：在在1 1 m m长长的的透透明明玻玻璃璃管管两两端端分分别别同同时时放放置置浓浓氨氨水水和和浓浓盐盐酸酸，试试计计算在玻璃管离盐酸端多长的距离，首先出现算在玻璃管离盐酸端多长的距离，首先出现白色烟雾。白色烟雾。NH3HCl第54页，本讲

32、稿共57页解：设首先出现解：设首先出现NH4ClNH4Cl白色烟雾的位置离浓氨水的距离为白色烟雾的位置离浓氨水的距离为L LNH3NH3，离浓，离浓盐酸的距离为盐酸的距离为L LHClHCl。已知已知 M M（HClHCl）=36.5,M=36.5,M（NHNH3 3）=17.0=17.0第55页，本讲稿共57页 扩散距离之比等于扩散速率之比扩散距离之比等于扩散速率之比 L LNH3NH3/L/LHClHCl=1.465/1=1.465/1又又 L LNH3NH3+L+LHClHCl=1m=1m L LNH3NH3=1.465L=1.465LHClHCl L LHClHCl=1m/(1+1.465)0.406m=1m/(1+1.465)0.406m答：答：距盐酸端约距盐酸端约0.406m0.406m处首先出现白色烟雾。处首先出现白色烟雾。NH3HCl第56页，本讲稿共57页第57页，本讲稿共57页