气体

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气体
学科类别 无机化学
来源属性 整理

本条目着重于无机化学方面的内容。

1 气体的特性

扩散性和压缩性。

2 理想气体

理想气体
在任何温度和压力下都能满足理想气态方程的气体称为理想气体。这就要求理想气体必须满足三个条件:分子本身只有质量而没有体积;分子之间没有相互作用力;气体分子之间的碰撞以及气体分子与器壁之间的碰撞属于弹性碰撞。

对于真实气体,只有在低压高温下,分子间作用力比较小,分子间平均间距比较大,分子自身的体积与气体体积相比完全微不足道,才能把它近似看成是理想气体。

2.1 理想气体状态方程

由上式可以导出:

解析失败 (语法错误): {\displaystyle PV=nRT=\frac{m}{M}RT \\ M=\frac{mRT}{PV}=\frac{\rho}{P}RT }
  • p→气体压强,单位为Pa
  • V→气体体积,单位为m3
  • n→气体物质的量,单位为mol
  • R→摩尔气体常数,R=8.314J·mol-1·K-1
  • T→温度,单位为K
  • M→摩尔质量,单位为g/mol
  • ρ→密度,单位为g/L

利用理想气态方程可以求算气体的密度和摩尔质量。

3 理想气体混合物

理想气体混合物
当两种或两种以上的气体在同一容器中混合时,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都可以忽略不计,这就是理想气体混合物。

3.1 分压定律

分压
混合气体中某组分气体对器壁所施加的压力叫做该组分气体的分压。

在一定温度下,混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。

某一组分气体的分压是指,在同样温度下,当该组分气体单独占有同一容器时所具有的压力。即:

因此得出分压定律:混合气体中某组分气体的分压等于该组分的量分数与总压的乘积。

  • xi→i组分气体所占总气体的物质量分数。

3.2 分体积定律

分体积
理想混合气体中组分B的分体积VB是该组分单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时占有的体积。

混合气体体积等于各组分的分体积之和。

3.3 格拉罕姆气体扩散定律

19世纪初,英国物理学家格拉罕姆(Graham)通过实验发现,恒温恒压下气体的扩散速度与其密度的平方根成反比。表示为

由理想气态方程可知,在恒温恒压下某气体的密度与摩尔质量(分子量)成正比,故

4 理想气体分子运动论

  1. 气体由分子组成,分子是很小的粒子,彼此间的距离比分子的直径大许多,分子体积与气体体积相比可以忽略不计。
  2. 气体分子以不同的速度在各个方向上处于永恒地无规则运动之中。
  3. 除了在相互碰撞时,气体分子间相互作用是很弱的,甚至是可以忽略的。
  4. 气体分子相互碰撞或对器壁的碰撞都是弹性碰撞。碰撞时总动能保持不变,没有能量损失。
  5. 分子的平均动能与热力学温度成正比。

5 真实气体

在任何温度和压力下都符合理想气态方程的气体才是理想气体。但由于实际气体分子本身总占有一定的体积,分子间也总存在相互作用力, 因此,只有在某些极端条件下,实际气体才符合理想气态方程,而在一般条件下, 都存在一定的偏差。

1873年,荷兰物理学家范德华(Var der Walls)在研究了许多气体的行为之后,提出了第一个实际气体状态方程

这就是著名的范德华方程,它是一个半经验公式,式中a,b为常数,称为范德华常数,a是对气体压力的校正系数,b是对气体体积 的校正系数。

在实际气体中总是存在分子间的相互吸引力,当一个分子撞向器壁并对其施加压力时,会受到周围其他分子反方向的吸引力,这种吸引力的存在相当于削弱了分子向器壁施加的压力,因此在校正实际气体压力时应“加”上一定的数值。由于靠近器壁的分子与周围内部分子的吸引力既正比于内部分子数又正比于器壁附近的分子数,而这两种分子数又都与气体密度成正比,所以,压力校正项为,在实际气态方程中压力就变成了

在实际气体中,分子本身占有的体积应等于每摩尔分子的体积乘以气体的摩尔数。当某一位置在某一瞬间被某个气体分子占据时,其他分子就不能再运动到此位置。也就是说,在实际气体中气体分子自由运动的空间应等于容器的体积 “减” 去气体分 子本身占有的体积V-nb,这也是气体能够被压缩的体积。

由上述可见,实际气体的范德华常数 ,只决定于气体分子本身的质量、极性、大小等,与外界因素无关,不同的气体其数值不同。

6 气体的液化和临界现象

气体的液化需要两个条件:降温、增压。那么,何者起主导作用呢?根据气体分子运动论,当温度一定时,气体分子的平均动能恒定,即对一固定气体来讲,其平均运动速度决定于温度。实验发现,对于某种气体,当温度高于某值时,无论施加多大的压力都不能使其液化。在化学中规定,通过加压使某气体液化所允许的最高温度称为该气体的临界温度(critical temperature );在临界温度时,使气体液化需要施加的最小压力称为该气体的临界压力(critical pressure );在临界温度和临界压力下1摩尔气体具有的体积称为该气体的临界体积(critical volume )。

物质在临界状态时气液同性,状态不分。临界状态是物质极其特殊的一种存在形式,在临界状态下物质往往具有非常规的性能。目前人们可以在临界状态下合成一些通常情况下难于制备的物质,利用物质的临界性质进行分离、提取一些常规情况下难以提取的特殊物质。

7 参见

  • 无机化学. 大连理工大学无机化学教研室. 2011-1-26.
  • 无机化学教程. 宋其圣,孙思修. 2011-1-26.