一、氣體
氣體、液體和固體是物質存在的三種狀態。氣體的研究對化學學科的發展起過重大作用。氣體與液體、固體相比較,具有兩個明顯特點。
1、擴散性
當把一定量的氣體充入真空容器時,它會迅速充滿整個容器空間,而且均勻分佈,少量氣體可以充滿很大的容器,不同種的氣體可以以任意比例均勻混合。
2、可壓縮性
當對氣體加壓時,氣體體積縮小,原來佔有體積較大的氣體,可以壓縮到體積較小的容器中。
二、理想氣體
如果有這樣一種氣體:它的分子只有位置而無體積,且分子之間沒有作用力,這種氣體稱之為理想氣體。當然它在實際中是不存在的。實際氣體分子本身佔有一定的體積,分子之間也有吸引力。但在低壓和高溫條件下,氣體分子本身所佔的體積和分子間的吸引力均可以忽略,此時的實際氣體即可看做理想氣體。
三、理想氣體定律
1、理想氣體狀態方程
將在高溫低壓下得到的波義耳定律、查理定理和阿佛加德羅定律合併,便可組成一個方程:
pV
=
nRT
(1-1)
這就是理想氣體狀態方程。
式中
p
是氣體壓力,
V
是氣體體積,
n
是氣體物質的量,
T
是氣體的絕對溫度(熱力學溫度,即攝氏度數+273),
R
是氣體通用常數。
在國際單位制中,它們的關係如下表:
表1-1 R的單位和值
D
為第一種氣體對第二種氣體的相對密度
2、氣體分壓定律和分體積定律
(1)氣體分壓定律
當研究物件不是純氣體,而是多組分的混合氣體時,由於氣體具有均勻擴散而佔有容器全部空間的特點,無論是對混合氣,還是混合氣中的每一組分,均可按照理想氣體狀態方程式進行計算。
當一個體積為
V
的容器,盛有A、B、C三種氣體,其物質的量分別為
n
A、
n
B、
n
C,每種氣體具有的分壓分別是
p
A、
p
B、
p
C,則混合氣的總物質的量為:
n
=
n
A+
n
B +
n
C
混合氣的總壓為:
p
=
p
A+
p
B+
p
C
在一定溫度下,混合氣體的總壓力等於各組分氣體的分壓力之和。這就是道爾頓分壓定律。
計算混合氣各組分的分壓有兩種方法。
①根據理想氣態方程計算
在一定體積的容器中的混合氣體
p
V
=
n
RT
混合氣中各組分的分壓,就是該組分單獨佔據總體積時所產生的壓力,其分壓數值也可以根據理想氣態方程式求出:
p
A
V
=
n
A
RT
p
B
V
=
n
B
RT
p
C
V
=
n
C
RT
②根據摩爾分數計算:
摩爾分數(
X
A)為混合氣中某組分A的物質的量與混合氣的總的物質的量之比
混合氣體中某組分的分壓等於總壓與摩爾分數的乘積
(2)氣體分體積定律
在相同的溫度和壓強下,混合氣的總體積(
V
)等於組成混合氣的各組分的分體積之和:
V
=
V
A+
V
B+
V
C
這個定律叫氣體分體積定律。
根據混合物中各組分的摩爾分數等於體積分數,可以計算出混合氣中各組分的分體積
四、實際氣體狀態方程
理想氣體定律是從實驗中總結出來的,並得到了理論上的解釋。但應用實際氣體時,它只有一定的適用範圍(高溫低壓),超出這個範圍就有偏差,必須加以修正。
對於實際氣體的實驗值與理想值的偏差,我們常用壓縮係數
Z
來表示
出現這種偏差,是由於實際氣體分子本身的體積不容忽視,那麼實測體積總是大於理想狀態體積(實際上分子之間也不可能沒有吸引力(內聚力P),這種吸引力使氣體對器壁碰撞產生的壓力減小,使實測壓力要比理想狀態壓力小
既與容器內部的分子數目成正比,又與近壁分子數目成正比。這兩種分子數目又都與氣體的密度成正比
注意,上式中
p
、
V
、
T
都是實測值;
a
和
b
都是氣體種類有關的特性常數,統稱為範德華常數。(1-17)式稱為範德華方程。它是從事化工設計必不可少的依據。
五、氣體相對分子質量測定原理
1、氣體相對分子質量測定
一定溫度和壓強下,只要測出某氣體的密度,就可以確定它的相對分子質量。
2、氣體精確相對分子質量測定
p
值如下表:
從表中資料可以看到,壓力越大,
p
越大,不是常數。因為壓力越大,氣體分子間的吸引力越大 ,分子本身的體積也不能忽略,因而就不能用理想氣體狀態方程來描述了