无机化学气体

1、第第 2 章章 Chapter 2 Gas气气 体体 本章教学内容 2.1 气体的性质气体的性质 2.2 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 2.3 气体混合物及分压定律气体混合物及分压定律 2.4 气体分子运动论气体分子运动论*2.5 真实气体真实气体*2.6 气体临界现象气体临界现象 自然界中物质的种类繁多，在常温常压条件下，物质自然界中物质的种类繁多，在常温常压条件下，物质主要以主要以气态（气态（gaseous state）、液态（）、液态（liquid state）和）和固态（固态（solid state）三种聚集状态存在。三种聚集状态存在。 物质的状态物质的状态 组成物质的粒子主要

2、是原子、分子或离子。在不同的组成物质的粒子主要是原子、分子或离子。在不同的温度和压力下，这些粒子之间的距离、粒子之间的相互作温度和压力下，这些粒子之间的距离、粒子之间的相互作用力以及粒子的运动情况等各异，从而使物质在宏观上呈用力以及粒子的运动情况等各异，从而使物质在宏观上呈现出不同的聚集状态。现出不同的聚集状态。 近代科学研究发现，在一定的条件下，物质的存在形近代科学研究发现，在一定的条件下，物质的存在形态还有外观像气体的态还有外观像气体的等离子态（等离子态（plasma）和外观像液体的和外观像液体的液晶态（液晶态（liquid crystal）。甚至还有。甚至还有超导态、超流态（如液超导态、

3、超流态（如液氦）、超固态（如金属氢态）、中子星态氦）、超固态（如金属氢态）、中子星态等。等。 物质处于什么样的状态与外界的温度、压力等条件有关。物质处于什么样的状态与外界的温度、压力等条件有关。 气态物质习惯上称为气体。气态物质习惯上称为气体。 气体无确定的形状和体积，容纳气体的容器的形状和气体无确定的形状和体积，容纳气体的容器的形状和体积，便是气体的形状和体积。原因在于气体分子间距离体积，便是气体的形状和体积。原因在于气体分子间距离较远，分子间作用力较小，气体分子无规则运动，向各个较远，分子间作用力较小，气体分子无规则运动，向各个方向扩散，能均匀地充满于整个容器。方向扩散，能均匀地充满于整个

4、容器。l 气体气体 (Gas) 液体如同气体，也是流体。液体分子间的平均距离液体如同气体，也是流体。液体分子间的平均距离比气体分子间的距离小得多，而接近于固体，可压缩性比气体分子间的距离小得多，而接近于固体，可压缩性也比气体小得多，与固体相似。因此，液体没有固定的也比气体小得多，与固体相似。因此，液体没有固定的形状，但有一定的体积，不能充满于整个容器。液体结形状，但有一定的体积，不能充满于整个容器。液体结构处于局部或近程有序、整体或远程无序的状态。构处于局部或近程有序、整体或远程无序的状态。 l 液体液体 (Liquid)l 固体固体 (Solid) 组成固体的粒子紧密地结合在一起而不能自由运

5、动。组成固体的粒子紧密地结合在一起而不能自由运动。因此，固体有一定的形状和体积，不能流动。一般在外因此，固体有一定的形状和体积，不能流动。一般在外力作用下，其形状和体积改变很小。组成固体的粒子若力作用下，其形状和体积改变很小。组成固体的粒子若是作有规则的排列，则形成晶体；若排列是无规则的，是作有规则的排列，则形成晶体；若排列是无规则的，则形成非晶体（无定形体）。则形成非晶体（无定形体）。 当气体被加热至当气体被加热至 10000 以上高温或被辐射后，原子以上高温或被辐射后，原子可能会电离成电子、离子和自由基，整个气体将成为带正电可能会电离成电子、离子和自由基，整个气体将成为带正电的离子和带负电

6、的电子所组成的集合体，且正负电量相等，的离子和带负电的电子所组成的集合体，且正负电量相等，这种物质状态称为等离子体，也称为物质的第四态。这种物质状态称为等离子体，也称为物质的第四态。 l 等离子体等离子体 (plasma)气体气体等离子体等离子体极光极光闪电闪电霓虹灯霓虹灯银河系银河系 等离子体是宇宙间最广泛存等离子体是宇宙间最广泛存在的一种物质状态。地球就象一在的一种物质状态。地球就象一方小绿洲，存在于等离子体的海方小绿洲，存在于等离子体的海洋中。洋中。l 液晶液晶 (liquid crystal) 某些物质在一定条件下既表现出液态的流动性，又有某些物质在一定条件下既表现出液态的流动性，又有

7、些类似晶体的光学性质，这就是液晶。些类似晶体的光学性质，这就是液晶。 热致液晶：热致液晶：有些物质被加热后，在一定温度范围形成的液有些物质被加热后，在一定温度范围形成的液 晶称为晶称为热致液晶；热致液晶；溶致液晶：溶致液晶：而有些物质是溶于适当的溶剂之中，在一定浓而有些物质是溶于适当的溶剂之中，在一定浓 度范围形成的液晶称为度范围形成的液晶称为溶致液晶。溶致液晶。液晶显示器液晶显示器液晶电视机液晶电视机 在人的脑在人的脑 (brain)、肌肉肌肉(muscle)、肾上腺、肾上腺素素(adrenalin)、卵巢、卵巢(ovary)、神经髓梢、眼、神经髓梢、眼睛感光器的膜层等处都睛感光器的膜层等处

8、都存在液晶结构。存在液晶结构。2.1 气体的性质（气体的性质（the property of gas)气体的基本物理性质为气体的基本物理性质为：1 1）扩散性；）扩散性； 2 2）可压缩性。）可压缩性。主要表现在：主要表现在：（1）气体可被压缩；）气体可被压缩；（2）气体可产生压力；）气体可产生压力；（3）气体产生的压力与容器中气体的量成正比；）气体产生的压力与容器中气体的量成正比；（4）气体产生的压力随气体温度的升高而增加；）气体产生的压力随气体温度的升高而增加；（5）气体没有固定的体积和形状；）气体没有固定的体积和形状；（6）不同的气体能以任意比例迅速、均匀的混合；）不同的气体能以任意比例

9、迅速、均匀的混合；（7）气体的密度比液体和固体小很多。）气体的密度比液体和固体小很多。2.2 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 (the ideal gas equation)2.2.1 气体定律气体定律 (gas law)n 波义耳定律波义耳定律 (Boyles Law)在一定温度下，一定量气体的体积与其压力成反比。在一定温度下，一定量气体的体积与其压力成反比。其数学表达式为：其数学表达式为：V = k 1p或或pV = k (P1V1 = P2V2)n 查尔斯定律查尔斯定律 (Charless Law)在一定压力下，一定量气体的体积与其温度成正比。在一定压力下，一定量气体的体积与其温度

10、成正比。其数学表达式为：其数学表达式为：V = k T 或或VT= kn 阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律 (Avogadros Law)在一定温度和压力下，气体的体积与其物质的量成正比。在一定温度和压力下，气体的体积与其物质的量成正比。其数学表达式为：其数学表达式为：V = k n 2.2.2 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 (the ideal gas equation)n 理想气体状态方程式：理想气体状态方程式：pV = nRTR 摩尔气体常数。摩尔气体常数。R = pVnT= 8.314 kPa L K-1 mol-1101.3 kPa 22.414 L1.0 mol 273.15

11、K= 8.314 J mol-1 K-1 在在 p = 101.325 kPa 和和 T = 273.15 K（标准状态下），（标准状态下），1.0 mol 任何气体的体积任何气体的体积 V 都是都是 22.414 L，由此可推出摩尔，由此可推出摩尔气体常数气体常数 R 为：为：注意：单位注意：单位n 理想气体理想气体 分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略；分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略； 气体分子之间没有相互吸引和排斥作用。气体分子之间没有相互吸引和排斥作用。 人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。低压高

12、温下的气体均可看成是理想气体。低压高温下的气体均可看成是理想气体。理想气体的基本假设前提：理想气体的基本假设前提： 1、计算、计算 p，V，T，n 中的任一物理量中的任一物理量2.2.3 理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程式的应用根据理想气体状态方程式：根据理想气体状态方程式：pV = nRT 若已知若已知 p，V，T，n 四个物理量中的任意三个，即可计算四个物理量中的任意三个，即可计算余下的那个未知物理量。余下的那个未知物理量。应用范围：应用范围：理想气体及温度不太低、压力不太高的真实气体。理想气体及温度不太低、压力不太高的真实气体。 2、气体密度的计算、气体密度的计算pV = nRT

13、n = pV RT = pV RTm M = pM RTm V = pM RTM 气体的摩尔质量气体的摩尔质量 3、气体摩尔质量的计算、气体摩尔质量的计算pV = nRTn = pV RT = pV RTm MM = mRT pV例例1 1、在标准状况下在标准状况下, 多少摩尔的多少摩尔的 AsH3 气体占有气体占有 0.00400 L 的体积的体积? 此时此时, 该气体的密度是多少该气体的密度是多少?解：解：在标准状态时温度在标准状态时温度 T 为为 273.15 K、压力、压力 P 为为 101.3 kPa，则根据理想气体状态方程式则根据理想气体状态方程式 pV = nRT，0.00400

14、 L 的的 AsH3 气气体的物质的量为：体的物质的量为：n = pV RT101.3 kPa 0.00400 L 8.314 kPa L K-1 mol-1 273.15 K= 0.000178 mol = mV=0.000178 mol 77.92 g/mol0.00400 L= 3.47 g / L该气体的密度为：该气体的密度为： 2.3 气体混合物及分压定律气体混合物及分压定律 2.3.1 理想气体的混合理想气体的混合 在比较温和的条件下，理想气体状态方程式不仅适用于在比较温和的条件下，理想气体状态方程式不仅适用于单一气体，也适用于混合气体。单一气体，也适用于混合气体。 （1 1）气体

15、可以快速地以任意比例均匀混合。）气体可以快速地以任意比例均匀混合。（2 2）混合气体中的每一个组分在容器中的行为和该组）混合气体中的每一个组分在容器中的行为和该组 分单独占有该容器时的行为完全一样。分单独占有该容器时的行为完全一样。可从以下两个方面进行解释：可从以下两个方面进行解释：n 物质的量与摩尔分数物质的量与摩尔分数 摩尔分数（摩尔分数（mole fraction）是物质的量之比。）是物质的量之比。 混合物中混合物中 B 物质的摩尔分数定义为：物质的摩尔分数定义为：B 的物质的量与的物质的量与混合物的物质的量之比，用符号混合物的物质的量之比，用符号 xB 表示，即：表示，即：式中：式中：

16、 nB B 的物质的量；的物质的量； n总总 混合物中各物质的物质的量之和混合物中各物质的物质的量之和。 2.3.2 道尔顿分压定律道尔顿分压定律 (Daltons law of partial pressures)xB =nBn总总设一气体由设一气体由 A、B 两种气体组成，则气体两种气体组成，则气体 A 的摩尔分数为：的摩尔分数为： 式中：式中：nB 为气体为气体 B 的物质的量；的物质的量；nA 为气体为气体 A 的物质的量。的物质的量。xA =nAnA + nB同理，气体同理，气体 B 的摩尔分数为的摩尔分数为：xB =nBnA + nB显然：显然：x A + xB = ? ?1n 分

17、压与分压定律分压与分压定律 理想气体混合物理想气体混合物( (在同一容器中，相互间不发生化学在同一容器中，相互间不发生化学反应，分子本身的体积和它们相互之间的作用力可略而不反应，分子本身的体积和它们相互之间的作用力可略而不计的几种不同气体形成的混合物）中每一种气体叫做组分计的几种不同气体形成的混合物）中每一种气体叫做组分气体。气体。i) 组分气体组分气体 组分气体组分气体 B 在相同温度下占有与混合气体相同体积时在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体所产生的压力，叫做组分气体 B 的分压的分压 （pB）。）。ii) 分压分压pBV = nBRTpB = nBRTViii

18、）道尔顿分压定律：）道尔顿分压定律：或：或： p总总 = pB 在温度和体积恒定时，混合气体的总压等于各组分在温度和体积恒定时，混合气体的总压等于各组分气体分压之和。气体分压之和。其数学表达式为：其数学表达式为：p总总 = p1 + p2 + p3 + 分压的求解分压的求解：设一混合气体中含有一种气体设一混合气体中含有一种气体 B，则：，则：pB = nBRTVp总总 = n总总RTVpBp总总nBn总总=xBpB = nBn总总xB p总总p总总 = 例例2、0 时，一体积为时，一体积为 15.0 L的钢瓶中装有的钢瓶中装有 6.00 g 的氧气的氧气 和和 9.00 g 的甲烷，计算钢瓶中

19、两种气体的摩尔分数和的甲烷，计算钢瓶中两种气体的摩尔分数和 分压各为多少？钢瓶的总压力为多少？分压各为多少？钢瓶的总压力为多少？解：解： n(O2) = 6.00 g32.0 gmol-1= 0.188 moln(CH4) = 9.00 g16.0 gmol-1= 0.563 mol则：则：x(O2) = n(O2) n(O2) + n(CH4) 0.188 mol (0.188 + 0.563) mol = 0.25x (CH4) = 1 x(O2)= 1 0.25 = 0.7522OOn RTpV15.0L273KKmolL8.314kPa0.188mol11 = = 28.45 kPa4

20、4CHCHnRTpV15.0L273KKmolL8.314kPa0.563mol11= 85.20 kPa 根据根据道尔顿分压定律可知，钢瓶的总压力就是瓶中道尔顿分压定律可知，钢瓶的总压力就是瓶中各气体的分压之和，即各气体的分压之和，即: : = 28.45 kPa + 85.20 kPa = 113.65 kPap总总 = p + pO2CH4n 分压定律的应用分压定律的应用例例3、某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。所某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。所得到的氢气用排水集气法在水面上收集。温度为得到的氢气用排水集气法在水面上收集。温度为 18 时，时，室内气压计为室内气压

21、计为 753.8 mmHg，湿氢气体积为，湿氢气体积为 0.567 L。用分。用分子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢气的体积以及氢气的物质的量。气的体积以及氢气的物质的量。 盐酸盐酸氢和水蒸气氢和水蒸气的混合气体的混合气体锌粒锌粒水水分析：分析： 当用排水法收集气当用排水法收集气体时，通常将所收集体时，通常将所收集气体中混有的水蒸气气体中混有的水蒸气看作饱和蒸气。所收看作饱和蒸气。所收集到的混合气体压力集到的混合气体压力与外界大气压相等。与外界大气压相等。解：解：由化学手册中查出由化学手册中查出18下，下，p(H2O)=15.4

22、77mmHg。在湿。在湿 氢气（即氢气和水蒸气的混合气体）中，氢气的分压为氢气（即氢气和水蒸气的混合气体）中，氢气的分压为 p1(H2)，体积为，体积为V1(H2)，则：，则：p1(H2) = 753.8 15.477 = 738.3 = 98.43 kPa 当用分子筛除去水后得到干氢气，设其压力为当用分子筛除去水后得到干氢气，设其压力为p2(H2)，体积为体积为V2(H2) ，则：，则：p2(H2) = 753.8 mmHg = 100.5 kPa再根据波义耳定律得：再根据波义耳定律得： p1(H2) V1(H2) = p2(H2) V2(H2)故：故：V2(H2) =p1(H2) V1(H

23、2)p2(H2)=98.43 kPa 0.567 L100.5 kPa = 0.555 L n(H2) =p1(H2) V1(H2) RT=98.43 kPa 0.567 L8.314 Jmol-1K-1(273+18) K= 2.3110-2 molP=1.01325X105 Pa=760mmHg n 分体积与分体积定律分体积与分体积定律 (the law of partial volume)B 在恒温（在恒温（T）和恒压（）和恒压（P）下，如果）下，如果 nA (mol) 的的 A 气体气体所占的体积为所占的体积为 VA，nB (mol) 的的 B 气体所占的体积为气体所占的体积为 VB，

24、当，当 A 与与 B 混合以后，混合气体的总体积等于混合以后，混合气体的总体积等于 VA 与与 VB 之和。之和。A+A + BnAVAnBVBnA VA+ nB+ VB 在恒温、恒压下，混合气体体积等于各组分气体体积之和。在恒温、恒压下，混合气体体积等于各组分气体体积之和。各组分气体的体积即为各组分气体的体积即为分体积分体积，如上图示中的，如上图示中的VA 和和 VB 。分体积定律：分体积定律：由分体积定律可知：由分体积定律可知：混合气体中某组分气体的分体积等于该混合气体中某组分气体的分体积等于该气体在总压条件下单独占有的体积，即：气体在总压条件下单独占有的体积，即：VB = nBRTP总总

25、 V总总 = V1 + V2 + = n1RTP总总+ n2RTP总总+ = (n1 + n2 + ) RTP总总= n总总RTP总总 为气体为气体 B 的体积分的体积分 数，数， 等于气体等于气体 B 的摩尔分数。的摩尔分数。B= xB= VBV总总=nBn总总故：故：BpBp总总nBn总总= =xB BpB = p总总B即混合气体中组分即混合气体中组分 B 的分压的分压 PB 等于等于 B 组分的体积分数与总压的乘积。组分的体积分数与总压的乘积。 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持过剩的氧会使

26、人致病，只有在氧气的分压维持 21 kPa 才能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（器中充有氧气和氦气（He 在血液中溶解度很小，在血液中溶解度很小，N2 的溶解的溶解度大，可使人得气栓病）。度大，可使人得气栓病）。解：解：海水深海水深 30 m 处的压力是由处的压力是由 30 m 高的海水和海面的大气共高的海水和海面的大气共 同产生的。海面上的空气压力为同产生的。海面上的空气压力为760 mmHg，则，则30 m 深处深处 海水的压力为：海水的压力为：例例4、某潜水员潜至海水某潜水员潜至海水 30 m处作

27、业，海水的密度为处作业，海水的密度为1.03g cm-3 ，温度为，温度为20。在这种条件下，若维持。在这种条件下，若维持O2、He混合气中混合气中 p(O2) = 21 kPa，则氧气的体积分数为多少？以，则氧气的体积分数为多少？以1.000 L混混 合气体为基准，计算氧气的分体积。合气体为基准，计算氧气的分体积。 （重力加速度取（重力加速度取9.807m/s2）= 1.03 103 kg m-3 9.807 m/s2 30 m + 101 kPa= 3.03 105 kg m-1 s-2 + 101kPa= 303 kPa + 101 kPa= 404 kPaP = g hw + 760

28、mmHg760 mmHg 101 kPa重力加速度单位N/kg=kg.m/(skg)若若 O2、He 混合气中混合气中 p(O2) = 21 kPa，则，则 O2 体积分数为：体积分数为：O2ppO2= = = O2VV21 kPa404 kPa= 0.052若若 O2、He 混合气的体积为混合气的体积为 1.000 L 时，则时，则 O2 的分体积为：的分体积为：V = 1.000 L 5.2 % = 0.052 LO2 2.4.1 气体分子运动论的基本要点气体分子运动论的基本要点 2.4 气体分子运动论气体分子运动论 (the molecular movement theory) 波尔兹曼

29、波尔兹曼 (L. E. Boltzmann) 1844年生，年生，奥地利物理学家，奥地利物理学家，气体分子运动论的奠基者。气体分子运动论的奠基者。l 气体分子运动论的要点气体分子运动论的要点(1) 气体由大量的处于不停息地、随气体由大量的处于不停息地、随机地运动着的分子组成。机地运动着的分子组成。(这里这里“分子分子”的概念表示组成气体的的概念表示组成气体的最小微粒，它们可能是分子，也最小微粒，它们可能是分子，也可能是原子，如惰性气体可能是原子，如惰性气体) 。(2) 气体分子的自身体积相对于其容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。器的总体积而言可以忽略不计。(3) 气体分

30、子间的吸引力和排斥力可气体分子间的吸引力和排斥力可以忽略不计。以忽略不计。(4) 气体分子的能量在碰撞过程中相互传递，只要气体气体分子的能量在碰撞过程中相互传递，只要气体 体系的温度不改变，气体分子的平均动能不随时间改体系的温度不改变，气体分子的平均动能不随时间改 变。或者说，气体分子间的碰撞完全是弹性碰撞。变。或者说，气体分子间的碰撞完全是弹性碰撞。(5) 气体分子的平均动能（气体分子的平均动能（ ）与热力学温度成正比）与热力学温度成正比 ， 在任意确定的温度时，所有气体分子都具有相同的平在任意确定的温度时，所有气体分子都具有相同的平 均动能。均动能。 KEl 气体分子运动论的要点（续）气体

31、分子运动论的要点（续）2.4.2 分子的速率分布（分子的速率分布（the molecular velocity spread）vmp01000050010001500v / ms-1vavvrms最概然速率最概然速率 vmp (most probable speed) 概率最大的速率概率最大的速率平均速率平均速率 vav (average speed) 分子具有的各种速率的算术平均值分子具有的各种速率的算术平均值 方均根速率方均根速率 vrms (root -mean-square speed) 均方速率的平方根均方速率的平方根 由统计物理学可知：由统计物理学可知： 2 3NmpV式中：式中：

32、 N 容器中气体分子总数容器中气体分子总数 m 一个气体分子的质量一个气体分子的质量 为分子的均方速率，是为分子的均方速率，是 v 的均方值，即的均方值，即 v2 的平均值。的平均值。 2v与理想气体方程与理想气体方程 pV = nRT 合并整理，得：合并整理，得： 213nRTNmv因为，因为，N = nNA, 其中其中NA为阿伏伽德罗常量，为阿伏伽德罗常量， 则：则：231mNRTA 因为因为 m 为一个气体分子的质量，则为一个气体分子的质量，则 m NA = M，M 为为气体的摩尔质量，因此：气体的摩尔质量，因此： 231MRT 23rmsRTvvM式中：式中：R 摩尔气体常量摩尔气体常

33、量 T 热力学温度热力学温度 M 气体分子的摩尔质量气体分子的摩尔质量 根据式：根据式： 可求出在同一温度下，两种不同气体分子的方均根速可求出在同一温度下，两种不同气体分子的方均根速率之比：率之比：23rmsRTvvMABBABrmsArmsMMMRTMRT/3/3显然，在同一温度下摩尔质量大的分子运动得慢显然，在同一温度下摩尔质量大的分子运动得慢 。 根据物理学对动能的定义，对一个质量为根据物理学对动能的定义，对一个质量为 m，运动速率，运动速率为为 v 的物体，其动能为：的物体，其动能为：而对于分子群，其平均动能为：而对于分子群，其平均动能为：212KEmv221vmEK 统计物理学导出了

34、气体分子的平均动能与温度的关系，即统计物理学导出了气体分子的平均动能与温度的关系，即单原子分子的平均动能为单原子分子的平均动能为: :KTEK23 其中，其中，K 为玻耳兹曼常量，在数值上等于摩尔气体常量为玻耳兹曼常量，在数值上等于摩尔气体常量 R 除以阿伏伽德罗常量除以阿伏伽德罗常量 NA 。12312311KJ101.381mol106.023Kmol8.314JANRKK 的物理意义为分子气体常量。的物理意义为分子气体常量。 因此：因此： TNREAK23 上式说明，在任意给定温度时，任何气体的分子都具有上式说明，在任意给定温度时，任何气体的分子都具有相同的平均动能。那么，在相同温度时，

35、由较轻的分子（如相同的平均动能。那么，在相同温度时，由较轻的分子（如H2）组成的气体与由较重的分子（如）组成的气体与由较重的分子（如N2）组成的气体具有相）组成的气体具有相同的平均动能。所以，相同温度时，较轻的气体分子比较重同的平均动能。所以，相同温度时，较轻的气体分子比较重的气体分子具有更高的方均根速率（的气体分子具有更高的方均根速率（vrms）。）。 2.5 真实气体（真实气体（real gases）2.5.1 真实气体与理想气体的偏差真实气体与理想气体的偏差 理想气体状态方程式仅在足理想气体状态方程式仅在足够低压力下适合于真实气体。够低压力下适合于真实气体。产生偏差的主要原因是产生偏差的

36、主要原因是: : 气体分子本身的体积气体分子本身的体积 的影响的影响; 分子间力的影响。分子间力的影响。2.5.2 范德华气体状态方程范德华气体状态方程 (van der Waals equation) nRTnbVVnap)(22 1873年，荷兰物理学家范德华最早对理想气体状态方程年，荷兰物理学家范德华最早对理想气体状态方程作出了改进，提出了范德华气体状态方程式：作出了改进，提出了范德华气体状态方程式：p ：测量的压力；测量的压力； V ：容器的体积；容器的体积；n ：气体的物质的量；气体的物质的量； T ：气体的温度；气体的温度；a、b：对气体压力和体积的校正常量，即范德华常量。对气体压

37、力和体积的校正常量，即范德华常量。气体10a(Pam6mol-2)104b(m3mol-1)He0.034570.2370H20.24760.2661Ar1.3630.3219O21.3780.3183N21.4080.3913CH42.2830.4278CO23.6400.4267HCl3.7160.4081NH34.2250.3707NO25.3540.4424H2O5.5360.3049C2H65.5620.6380SO26.8030.5636C2H5OH12.180.8407表表1 某些气体的某些气体的 Van der Waals 常量常量解：解：已知已知 T = (273 + 30)

38、 K = 303K，V= 20.0 L，n = 1.50 mol， a = 0.6803 Pa m6 mol-2，b = 0.5636 10-4 m3 mol-1189kPa20.0L303KmolK8.314J1.5mol111VnRTP例例5、分别按理想气体状态方程式和分别按理想气体状态方程式和 Van der waals 方程式计方程式计 算算 1.50 mol SO2 在在30 oC 占有占有 20.0 L 体积时的压力，并体积时的压力，并 比较两者的相对误差。如果体积减少为比较两者的相对误差。如果体积减少为 2.00 L，其相对，其相对 误差又如何？误差又如何？若按理想气体状态方程计

39、算所得若按理想气体状态方程计算所得 SO2 的压力为的压力为 p1，则：，则：%9 .18%1001059. 110)59. 189. 1 (kPa1059. 1 kPa1089. 1 L00. 2 %61. 1%100186186189186kPa3.8kPa189.7kPa (20.0L)LkPa100.6803(1.5mol) 1.50molmol0.05636L20.0L303KmolK8.314J1.50mol 332213231221232111222PPPPPVPPPVannbVnRTP 若按若按 Van der waals 气体状态方程计算所得气体状态方程计算所得 SO2 的压

40、的压力为力为 p2，则：，则： 对于每一种气体都存在一个特定的温度，当温度升高对于每一种气体都存在一个特定的温度，当温度升高到这个温度以上后，无论给气体施加多大的压力都不能使到这个温度以上后，无论给气体施加多大的压力都不能使其液化。这个温度就是该气体的临界温度。其液化。这个温度就是该气体的临界温度。* 2.6 气体临界现象气体临界现象 (critical phenomenon) 临界温度临界温度 Tc (critical temperature) 临界压力临界压力 pc (critical pressure) 在临界温度时使气体液化所需要的最低压力在临界温度时使气体液化所需要的最低压力. . 临界体积临界体积 Vc (critical volume) 在在 pc 和和 Tc 条件下，条件下，1 mol 气体所占有的体积叫做临界气体所占有的体积叫做临界体积。体积。气体气体 摩尔体积摩尔体积 (L/mol)液化温度液化温度 (oC) He