无机化学第2章气体

1、无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体第第2 2章章 气气 体体 2.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 2.2 气体混合物气体混合物 2.3 真实气体真实气体 无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.1.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 2.1.2 理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程式的应用 2.1理想气体状态方程式理想气体状态方程式2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2.1.1理想气体状态方程式理想气体状态方程式2.1 理想气体状态方程式 气体的最基本特征：气体的最基本特征：可压缩性和扩散性可压缩性和扩散性主要表现主要表现: : 没

2、有固定的体积和形状没有固定的体积和形状 是最容易被压缩的一种聚集状态是最容易被压缩的一种聚集状态 互不反应的气体能以任意比例相互混合互不反应的气体能以任意比例相互混合 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无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体17171818世纪，一定量气体的体积世纪，一定量气体的体积V V、压力、压力p p和热和热力学温度力学温度T T之间符合：之间符合：222111TVpTVp18111811年，年，AvogadroAvogadro提出：同温同压下同体积气提出：同温同压下同体积气体含有相同数目的分子。体含有相同数目的分子。18601860年后，用多种方

3、法测定了物质的量为年后，用多种方法测定了物质的量为1mol1mol时，其所含的分子数为：时，其所含的分子数为： N NA A=6.022=6.02210102323molmol-1 -1 AvogadroAvogadro常数常数2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 综合考虑综合考虑p p、V V、T T、n n之间的关系，得出之间的关系，得出理想气体状态方程式理想气体状态方程式： pV=nRT R- 气体常数气体常数在在STP下，下，p=101.325kPa, T=273.15Kn=1.0mol时时, Vm=22.414L=22.41410-3m31133Kmol

4、J314.8K15.2731.0molm1022.4Pa101325nTpVR2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.1 理想气体状态方程式 人们将符合理想气体状态方程式的气体，人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为称为理想气体理想气体。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分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略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 低压高温下的气体均可看成是理低压高温下的气体均可看成是理想气体。想气体。无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2.1.2理想气体状态方程式的应

5、用理想气体状态方程式的应用2.1 理想气体状态方程式1. 计算计算p，V，T，n四个物理量之一四个物理量之一 应用范围：应用范围： 温度不太低，压力不太高的真实气体。温度不太低，压力不太高的真实气体。pVpV= =nRTnRT无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体例例1.在实验室中，要用无水无氧的在实验室中，要用无水无氧的N2置换置换 2Na + H2 2NaH 的反应装置。氮气钢瓶的反应装置。氮气钢瓶V=50.0L, T=25，p=15.2MPa(a)计算钢瓶中计算钢瓶中N2的物质的量的物质的量n和质量和质量m；(b)若将实验装置用若将实验装置用N2置换了置换了5次后，钢瓶压力下降至次后，

6、钢瓶压力下降至13.8MPa, 计算在计算在25，0.100MPa下，平均每次耗用下，平均每次耗用N2的体积。的体积。解解：(a) 根据根据pVpV= =nRnRT T)(307298314. 80 .50102 .15311molRTVpnMmn M(NM(N2 2)=28.0 )=28.0 )(60. 8)(1060. 80 .2830731kggMnm2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体(b) (b) 已知已知p p2 2=13.8MPa, =13.8MPa, V V=50.0L, =50.0L, T T=298K=298K 设消耗的设消耗的N N2 2的物

7、质的量为的物质的量为n n2 2)( 3 .28298314. 80 .5010)8 .132 .15()(3212molRTVppn 在在298K298K，0.100MPa0.100MPa下，每次置换耗用下，每次置换耗用N N2 2的的体积体积V V为：为：)(14010100. 0298314. 83 .28515132LpRTnV2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2. 气体摩尔质量的计算气体摩尔质量的计算2.1 理想气体状态方程式pVmRTMRTMmpVnRTpVMmnM = Mr (gmol-1)无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 3. 3.气体

8、密度的计算气体密度的计算2.1 理想气体状态方程式 =RTpMpVmRTM = m / VpRTM无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体例例2. Ar气可由液态空气蒸馏而得到。若气可由液态空气蒸馏而得到。若Ar的质量为的质量为 0.799g，温度为，温度为298.15K时，其压力为时，其压力为111.46kPa，体，体 积为积为0.4448L，计算，计算Ar的摩尔质量、相对原子质量以的摩尔质量、相对原子质量以 及标准状态下的密度。及标准状态下的密度。解：解：已知已知 m=0.799g, T=298.15K, p=111.46kPa,V=0.4448LMmn RTMmPV )(95.39444

9、8. 046.11115.298314. 8799. 01molgPVmRTMMAr=39.95)(782. 115.273314. 895.39325.1011LgRTpMVm标准状态下：标准状态下：2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 根据理想气体状态方程，可以从摩尔质根据理想气体状态方程，可以从摩尔质量求得一定条件下的气体密度，也可以由测量求得一定条件下的气体密度，也可以由测定气体密度来计算摩尔质量，进而求得相对定气体密度来计算摩尔质量，进而求得相对分子质量或相对原子质量，这是测定摩尔质分子质量或相对原子质量，这是测定摩尔质量的常用方法。量的常用方法。 现代

10、测定摩尔质量的最理想的仪器是质现代测定摩尔质量的最理想的仪器是质谱仪。谱仪。2.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2.2 2.2气体混合物气体混合物2.2 气体混合物 2.2.1 分压定律分压定律 2.2.2 分压定律的应用分压定律的应用*2.2.3 分体积定律分体积定律 无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.2.1 道尔顿（道尔顿（J.Dalton)分压定律分压定律 1. 组分气体组分气体 理想气体混合物理想气体混合物(在同一容器中，相互间在同一容器中，相互间不发生化学反应，分子本身的体积和它们相不发生化学反应，分子本身的体积和它们相互间的作用力可略而不计

11、的几种不同气体形互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气体。成的混合物）中每一种气体叫做组分气体。 2.2 气体混合物无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2. 分压分压 组分气体组分气体B在相同温度下占有与混合气在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。的分压。2.2 气体混合物VRTnpBB（同（同 T T、V V）无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.2 气体混合物3. 分压定律分压定律 混合气体的总压等于混合气体中各组分气体混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。分压之

12、和。 p = p1 + p2 + 或或 p = pB VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.2 气体混合物4. 分压的求解分压的求解 x B B的摩尔分数的摩尔分数VRTnpBBpxpnnpxnnppBBBBBBVnRTp 混合气体中某组分气体的分压等于该混合气体中某组分气体的分压等于该组分的摩尔分数与总压的乘积。组分的摩尔分数与总压的乘积。例例3. 某容器中含有某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合等气体的混合物。取样分析后，其中物。取样分析后，其中n(NH3)=0.320 mo

13、l，n(O2)=0.180 mol，n(N2)=0.700 mol。混合气体的。混合气体的总压总压 p=133.0 kPa。试计算各组分气体的分压。试计算各组分气体的分压。解：解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2) =0.320+0.180+0.700 =1.200 mol )(5 .350 .133200. 1320. 0)()(33kPapnNHnNHp p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5 .35320. 0180. 0OO22pnnp无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.2 气

14、体混合物例例4：某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。用排水集气法收集用排水集气法收集所得到的氢气。温度为所得到的氢气。温度为18时，室内时，室内气压计为气压计为753.8mmHg，湿氢气体积为，湿氢气体积为0.567L。用分子筛。用分子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢气除去水分，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。的体积以及氢气的物质的量。 解：解：排水集气法收集气体时，通常将所收集气体中的水排水集气法收集气体时，通常将所收集气体中的水蒸气看作饱和蒸气。由化学手册中查出蒸气看作饱和蒸气。由化学手册中

15、查出18下，下，p(H2O)=15.477mmHg。在湿氢气中，氢的分压为：。在湿氢气中，氢的分压为：p1(H2)= (753.815.477)mmHg = 738.3mmHg = = 98.43kPakPammHgmmHg325.1017603 .738干氢气的干氢气的p2(H2)=753.8mmHg=100.5kPa，体积为，体积为V2(H2) V2(H2)= = = 0.555Ln(H2)= = =2.3110-2mol)()(2221HpVHpRTVHp)(21kPaLkPa5 .100567. 043.98KKmolJLkPa)18273(314. 8567. 043.9811无机化

16、学无机化学第第2 2章章 气体气体2.2 气体混合物 2.2.3 分体积定律分体积定律1. 分体积分体积 混合气体中某一组分混合气体中某一组分B的分体积的分体积VB是该组份是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。所占有的体积。pRTnVBB（同（同 T T、P P） V = V1 + V2 + BBVV或pnRTV pRTnnpRTnpRTnV21212.2.分体积定律分体积定律 混合气体体积等于各组分气体的体积之和。混合气体体积等于各组分气体的体积之和。BBBnnVVppVVxPpBBBBBB 称为称为B的体积分数的体积分数B组分

17、组分B B的体积分数的体积分数等于其摩尔分数等于其摩尔分数 混合气体中组分混合气体中组分B B的分压等于该组的分压等于该组分的体积分数与总压的乘积分的体积分数与总压的乘积. . 氧是人类维持生氧是人类维持生命的必需气体，缺氧命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持才能使人体维持正常代谢过程。在潜正常代谢过程。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，在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使的溶解度大，可使人得气栓病人得

18、气栓病)。例例5：某潜水员潜至海水某潜水员潜至海水30m处作业，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)=21kPa, 氧气的体积分数为多少？以氧气的体积分数为多少？以1.000L混合气体为基准，计算氧气的分体积和氦的质量。（重力混合气体为基准，计算氧气的分体积和氦的质量。（重力加速度取加速度取9.807m/s2）解：解： T=273+20=293 K海水深海水深30m处的压力是由处的压力是由30m高的海水和海面的大气共同高的海水和海面的大气共同产生。海面上的空气压力为产生。海面上的

19、空气压力为760mmHg，则，则 P=g hw+ kPammHgmmHg101760760=9.807 m/s2 1.03 103kg cm-3 30m+101kPa=303 103 kg cm-3 s-2 +101kPa=303kPa+101kPa=404kPag63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL2 . 5L052. 0)O(1112TRVPMmMrV若混合气体体积为若混合气体体积为1.000L时，时，%2 . 5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iiX

20、VVXVVPpP无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体 2.3真实气体真实气体2.3 真实气体2.3.1 真实气体与理想气体的偏差真实气体与理想气体的偏差2.3.2 Van der Waals 方程方程无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.3 真实气体2.3.1 真实气体与理想气体的偏差真实气体与理想气体的偏差 理想气体状态理想气体状态方程式仅在足够低方程式仅在足够低压力下适合于真实压力下适合于真实气体。气体。 产生偏差的产生偏差的主要原因是主要原因是: :气体分子本身的气体分子本身的体积的影响体积的影响分子间力的影响分子间力的影响无机化学无机化学第第2 2章章 气体气体2.3 真实气体2.3.2 Van der Waals 方程方程nRTnbVVnap)(22 a, b分别是对气体压力和体积校正中的分别是对气体压力和体积校正中的相关常量相关常量,称为称为Van der waals常量。常量。 每种气体的每种气体的a、b均有各自的特定值。均有各自的特定值。考虑分子间作用力考虑分子间作用力考虑分子自身体积考虑分子自身体积气体10a(Pam6mol-2)104b(m3mol-1)He0.034570.2370H20.24760.2661Ar1.3630.3219O21.3780.3183N21.4080.3913CH42.2830.4