大学物理化学授课课件第2章气体(本科专业).ppt

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1、第 2 章,Chapter 2 Gas,气 体,本章教学内容,2.1 气体的性质 2.2 理想气体状态方程式 2.3 气体混合物及分压定律 2.4 气体分子运动论 *2.5 真实气体 *2.6 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，物质主要以气态（gaseous state）、液态（liquid state）和固态（solid state）三种聚集状态存在。,物质的状态,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。,近代科学研究发现，在一定的条件下，物质的

2、存在形态还有外观像气体的等离子态（plasma）和外观像液体的液晶态（liquid crystal）。甚至还有超导态、超流态（如液氦）、超固态（如金属氢态）、中子星态等。,物质处于什么样的状态与外界的温度、压力等条件有关。,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。液体结构处于局部或近程有序、整体或远程无序的状态。,液体 (Liquid),当气体被加热至 10000 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的离子和带负电

3、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。,等离子体 (plasma),气体,等离子体,液晶 (liquid crystal),某些物质在一定条件下既表现出液态的流动性，又有些类似晶体的光学性质，这就是液晶。,热致液晶：有些物质被加热后，在一定温度范围形成的液 晶称为热致液晶； 溶致液晶：而有些物质是溶于适当的溶剂之中，在一定浓 度范围形成的液晶称为溶致液晶。,2.1 气体的性质（the property of gas),气体的基本物理性质为：1）扩散性； 2）可压缩性。,2.2 理想气体状态方程式 (the ideal gas equation),2

4、.2.1 气体定律 (gas law),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。,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。,其数学表达式为：,2.2.2 理想气体状态方程式 (the ideal gas equation),理想气体状态方程式：,R 摩尔气体常数。,注意：单位,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； 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。,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：,1、计算 p，V

5、，T，n 中的任一物理量,2.2.3 理想气体状态方程式的应用,根据理想气体状态方程式：,pV = nRT,若已知 p，V，T，n 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。,应用范围：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,pV = nRT,n =,=,m,M,=,m,V, =,M 气体的摩尔质量,例1、在标准状况下, 多少摩尔的 AsH3 气体占有 0.00400 L 的体积? 此时, 该气体的密度是多少?,解：在标准状态时温度 T 为 273.15 K、压力 P 为 101.3 kPa，则根据理想气体状态方程式 pV = nRT，0.00400 L

6、的 AsH3 气体的物质的量为：,n =,2.3 气体混合物及分压定律,2.3.1 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单一气体，也适用于混合气体。,物质的量与摩尔分数,摩尔分数（mole fraction）是物质的量之比。 混合物中 B 物质的摩尔分数定义为：B 的物质的量与混合物的物质的量之比，用符号 xB 表示，即：,式中： nB B 的物质的量； n总 混合物中各物质的物质的量之和。,2.3.2 道尔顿分压定律 (Daltons law of partial pressures),设一气体由 A、B 两种气体组成，则气体 A 的摩尔分数为：,式中：nB 为气

7、体 B 的物质的量；nA 为气体 A 的物质的量。,xA =,nA,nA + nB,分压与分压定律,理想气体混合物(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。,i) 组分气体,iii）道尔顿分压定律：,或： p总 = pB,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。,其数学表达式为：,p总 = p1 + p2 + p3 + ,例2、0 时，一体积为 15.0 L的钢瓶中装有 6.00 g 的氧气 和 9.00 g 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

8、？,x (CH4) = 1 x(O2)= 1 0.25 = 0.75,分压定律的应用,例3、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 18 时，室内气压计为 753.8 mmHg，湿氢气体积为 0.567 L。用分子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢气的体积以及氢气的物质的量。,盐酸,氢和水蒸气的混合气体,锌粒,水,解：由化学手册中查出18下，p(H2O)=15.477mmHg。在湿 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V1(H2)，则：,p1(H2) = 753.8 15.477 = 738.3

9、= 98.43 kPa,当用分子筛除去水后得到干氢气，设其压力为p2(H2)，体积为V2(H2) ，则：p2(H2) = 753.8 mmHg = 100.5 kPa,再根据波义耳定律得： p1(H2) V1(H2) = p2(H2) V2(H2),P=1.01325X105 Pa=760mmHg,分体积与分体积定律 (the law of partial volume),B,在恒温（T）和恒压（P）下，如果 nA (mol) 的 A 气体所占的体积为 VA，nB (mol) 的 B 气体所占的体积为 VB，当 A 与 B 混合以后，混合气体的总体积等于 VA 与 VB 之和。,A,+,A +

10、 B,nA,VA,nB,VB,nA,VA,+ nB,+ VB,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气体在总压条件下单独占有的体积，即：,为气体 B 的体积分 数， 等于气体 B 的摩尔分数。,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 21 kPa 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）。,解：海水深 30 m 处的压力是由 30 m 高的海水和海面的大气共 同产生的。海面上的空气压力为760 mmHg，则30 m 深处 海水的压力为：,例

11、4、某潜水员潜至海水 30 m处作业，海水的密度为1.03gcm-3 ，温度为20。在这种条件下，若维持O2、He混合气中 p(O2) = 21 kPa，则氧气的体积分数为多少？以1.000 L混 合气体为基准，计算氧气的分体积。 （重力加速度取9.807m/s2）,= 1.03103 kgm-3 9.807 m/s2 30 m + 101 kPa = 3.03105 kgm-1 s-2 + 101kPa = 303 kPa + 101 kPa = 404 kPa,重力加速度单位N/kg=kg.m/(skg),若 O2、He 混合气中 p(O2) = 21 kPa，则 O2 体积分数为：,2.

12、4.1 气体分子运动论的基本要点,2.4 气体分子运动论 (the molecular movement theory),波尔兹曼 (L. E. Boltzmann),1844年生，奥地利物理学家，气体分子运动论的奠基者。,气体分子运动论的要点,(1) 气体由大量的处于不停息地、随机地运动着的分子组成。(这里“分子”的概念表示组成气体的最小微粒，它们可能是分子，也可能是原子，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。,(4) 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

13、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。 (5) 气体分子的平均动能（ ）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 均动能。,气体分子运动论的要点（续）,2.4.2 分子的速率分布（the molecular velocity spread）,vmp,0,1000,0,500,1000,1500,v / ms-1,vav,vrms,最概然速率 vmp (most probable speed) 概率最大的速率,平均速率 vav (average speed) 分子具有的各种速率的算术平均值,方均根速率 vrms (root -mean-squar

14、e speed) 均方速率的平方根,由统计物理学可知：,式中： N 容器中气体分子总数 m 一个气体分子的质量 为分子的均方速率，是 v 的均方值，即 v2 的平均值。,与理想气体方程 pV = nRT 合并整理，得：,因为，N = nNA, 其中NA为阿伏伽德罗常量， 则：,因为 m 为一个气体分子的质量，则 m NA = M，M 为气体的摩尔质量，因此：,式中：R 摩尔气体常量 T 热力学温度 M 气体分子的摩尔质量,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率之比：,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 m，运动速率为 v 的

15、物体，其动能为：,而对于分子群，其平均动能为：,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:,其中，K 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 NA 。,K 的物理意义为分子气体常量。,因此：,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，由较轻的分子（如H2）组成的气体与由较重的分子（如N2）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的气体分子具有更高的方均根速率（vrms）。,2.5.1 真实气体与理想气体的偏差,理想气体状态方程式仅在足够低压力下适合于真实气体。,产生偏

16、差的主要原因是:,气体分子本身的体积 的影响; 分子间力的影响。,2.5.2 范德华气体状态方程 (van der Waals equation),1873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：,p ：测量的压力； V ：容器的体积； n ：气体的物质的量； T ：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。,表1 某些气体的 Van der Waals 常量,解：已知 T = (273 + 30) K = 303K，V= 20.0 L，n = 1.50 mol， a = 0.6803 Pa m6 mol-2，b = 0.563

17、6 10-4 m3 mol-1,例5、分别按理想气体状态方程式和 Van der waals 方程式计 算 1.50 mol SO2 在30 oC 占有 20.0 L 体积时的压力，并 比较两者的相对误差。如果体积减少为 2.00 L，其相对 误差又如何？,若按理想气体状态方程计算所得 SO2 的压力为 p1，则：,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 (critical phenomenon),临界温度 Tc (critical temperature),临界压力 pc

18、 (critical pressure),在临界温度时使气体液化所需要的最低压力.,临界体积 Vc (critical volume),在 pc 和 Tc 条件下，1 mol 气体所占有的体积叫做临界体积。,气体,摩尔体积 (L/mol),液化温度 (oC),He H2 Ne Ideal gas Ar N2 O2 CO Cl2 NH3,22.435 22.432 22.422 22.414 22.397 22.396 22.390 22.388 22.184 22.079,-268.9 -252.8 -246.1 - -185.9 -195.8 -183.0 -191.5 -34.0 -33.

19、4,常见物质在标准态时的摩尔体积,常见物质的临界温度和临界压力,本章总结,道尔顿分压定律,道尔顿 近代化学之父, 化学家史话 ,道尔顿（J. Dalton，17661844）,英国化学家。道尔顿出生在英国坎伯兰一个贫困的乡村，他只是在11岁以前受过正规教育，几乎完全是靠自学掌握了科学知识。15岁去外地谋生，便当教师边自学。27岁时发表了第一部科学著作气象观察与研究，35岁时提出了道尔顿气体分压定律，37岁他提出了科学史上有重要地位的原子论。 正如恩格斯所指出的：化学新时代是从原子论开始的，所以道尔顿应是近代化学之父。原子论是 18 世纪末和 19 世,纪初在化学研究中具有划时代意义的成果，对物理学和化学的发展产生了深远的影响。原子论建立以后，道尔顿名震英国乃至整个欧洲，各种荣誉纷至沓来。在荣誉面前，道尔顿开始还是冷静的、谦虚的，但是后来荣誉越来越高，他逐渐变得骄傲、保守，最终走向了思想僵化、固步自封。他对盖吕萨克气体反应的体积定律和阿伏伽德罗的分子论都给予无情抨击。道尔顿一直到死都是新元素符号的反对派。,本章作业：,第 3、4、7、10、11 题,