物理化學(xué)電子教案：氣體（1學(xué)時(shí)2013材料能源專業(yè)）

1、物理化學(xué)電子教案物理化學(xué)電子教案 華南師范大學(xué)物理化學(xué)研究所華南師范大學(xué)物理化學(xué)研究所第一章 氣體關(guān)于關(guān)于氣體氣體一章，請思考：一章，請思考：1.什么是理想氣體？其微觀模型？實(shí)際氣體在什么情況下可近似作為理想氣體處理？2.低壓下氣體的幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律是什么?什么是avogadro常數(shù)？它的作用？如何從低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律推導(dǎo)得到理想氣體的狀態(tài)方程式?3.什么是狀態(tài)方程式?什么是過程方程式?如何理解?通過理想氣體狀態(tài)方程式的計(jì)算可以解決什么問題?4.什么是道爾頓分壓定律?它的數(shù)學(xué)表達(dá)式?道爾頓分壓定律的使用條件?通過道爾頓分壓定律可以進(jìn)行那些計(jì)算?關(guān)于關(guān)于氣體氣體一章，請思考：一章，請思考：5.什么是

2、阿馬格分體積定律?它的數(shù)學(xué)表達(dá)式?阿馬格分體積定律的使用條件?通過阿馬格分體積定律可以進(jìn)行那些計(jì)算?6.什么是液體的飽和蒸氣壓?溫度上升時(shí)液體的飽和蒸氣壓如何變化?液體的沸點(diǎn)和正常沸點(diǎn)與飽和蒸氣壓的關(guān)系?如何理解理想氣體在任何溫度與壓力下都不能被液化?7.什么是臨界狀態(tài)?臨界狀態(tài)呈現(xiàn)出什么特殊的性質(zhì)?超流體有什么應(yīng)用?8.實(shí)際氣體與理想氣體有那些不同?范德華方程如何描述實(shí)際氣體P、V、T之間的關(guān)系？相對與理想氣體的狀態(tài)方程式，范德華方程中兩個(gè)修正項(xiàng)的意義？第一章 氣體1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律1.2 理想氣體及其狀態(tài)方程1.3 理想氣體混合物1.4 真實(shí)氣體的液化 1.5 真實(shí)氣體的狀態(tài)方程

3、1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律1. Boyle 定律2. Charles-Gay-Lussac 定律3. Avogadro 定律 1.1.1 Boyle 定律在較低壓力下,保持氣體的溫度和物質(zhì)的量不變,氣體的體積與壓力的乘積為常數(shù)。, Tn不變1VppVCp1p2pV2V1V1 122pVp V 1.1.2. Charles-Gay-Lussac 定律0273.15/273.15VVt保持氣體的壓力和物質(zhì)的量不變,氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比，, pn不變0/1273.15VVt/ K273.15Tt1212VVCTTVT00TVVT 1.1.3. Avogadro 定律 Avogadro （17

4、76-1856） 意大利科學(xué)家 1776 年生于都靈，1856 年卒于同地。他是都靈科學(xué)院院士，還擔(dān)任過意大利度量衡學(xué)會(huì)會(huì)長而促使意大利采用公制。 他在1811年提出的分子假說 ：同體積的氣體，在相同的溫度和壓強(qiáng)下，含有同數(shù)目的分子。 2316.02 10 molL 在 中，120.012 kg C包含 原子的數(shù)量 。12C 1.1.3. Avogadro 定律在相同溫度和壓力下，相同體積的任何氣體，含有的氣體分子數(shù)相同, Tp不變VnVCn相同的T，p 下 1 mol 任何氣體所占有的體積相同mV 物質(zhì)的量 n 是一個(gè)重要的物理量NnL2316.02 10 molL Avigadro常量 1

5、.2 理想氣體及其狀態(tài)方程1. 理想氣體的微觀模型2. 理想氣體的狀態(tài)方程式 1.2.1 理想氣體的微觀模型 理想氣體分子之間的相互作用可忽略不計(jì) 理想氣體分子的自身體積可忽略不計(jì) 高溫和低壓下的氣體近似可看作理想氣體 難液化的氣體適用的壓力范圍較寬 例如,2He(g), H (g) 在較大的壓力范圍內(nèi)都可以作為理想氣體處理 1.2.2. 理想氣體的狀態(tài)方程式 聯(lián)系p, V, T 三者之間關(guān)系的方程稱為狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程式為pVnRTmpVRT118.314 J molKR摩爾氣體常量理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)mpVRTpVCT111,p V T 任意變化222,p V T221,p V

6、T(1)等溫(2)等壓(1)1122,p Vp V(2)2212VVTT1 12212pVp VCTT由(1)(2)得:m1 mol, , nVVCRpVnRT理想氣體的摩爾氣體常量RpVnT的準(zhǔn)確數(shù)值可以由實(shí)驗(yàn)測定。R在不同溫度下0p 時(shí)，當(dāng)33101325 Pa22.413 10 m1 mol 273.15 K118.314 J molKmpV 同一數(shù)值在101325 Pa 和 273.15 K 的條件下(SPT)理想氣體的摩爾氣體常量 常采用外推法求氣體常量。取一定量氣體，在一定溫度下測量氣體的體積和壓力用 作圖mp VpTm0/ppVT將直線外推至 用同一種氣體在不同溫度下做實(shí)驗(yàn)，或用

7、不同的氣體在同一溫度下做實(shí)驗(yàn)，都可以得到相同的結(jié)果 。就可以得到比較精確的摩爾氣體常量的數(shù)值 用同一種氣體在不同溫度下做實(shí)驗(yàn)102030405024688.3145R 理想氣體2(410K)T3(531K)T/(100 kPa)pm11/J molKpVT1(333K)T用不同的氣體在同一溫度下做實(shí)驗(yàn)102030405024688.3145R 理想氣體/(100 kPa)pm11/J molKpVTCON2H22O理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)VnRTp在氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)在氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(SPT)(SPT)下下111 mol 8.314 J molK273.15 K101325 Pa3322.413 10 m

8、101.325 kPap 273.15 KT 322.4 dm理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)pVnRT理想氣體的狀態(tài)方程可以有兩種表示方法：11B2318.314 J molK6.02 10 molRkL2311.38 10 J KBpVNk TNnLBRkL這就是Boltzmann常量 1.3 理想氣體混合物1. 混合物組成表示法2. Dalton 分壓定律3. Amagat 分體積定律 1.3 理想氣體混合物理想氣體混合物 若干種理想氣體混合在一起，形成均勻的氣體混合物，每種氣體都符合狀態(tài)方程式 1.3.1 混合物組成表示法1. B 的摩爾分?jǐn)?shù)defBBAAnxnBx稱為組分B的摩爾分?jǐn)?shù)或物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)單

9、位為1BxAAn混合物中所有組分的物質(zhì)的量之和Bn表示與液相平衡的氣相中B的摩爾數(shù)BB1x 1.3.1 混合物組成表示法2. B 的體積分?jǐn)?shù)*BmB*AmAdef(B)(A)x Vx VB稱為組分B的體積分?jǐn)?shù)（相同的T，p）單位為1B混合前純B的摩爾體積混合前各純組分體積的加和*m(B)V*AmA(A)x VBB1 1.3.1 混合物組成表示法3. B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)BAdef(B)(A)mwmBw稱為B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為1BwB組分的質(zhì)量混合物中所有物質(zhì)的質(zhì)量之和(B)mA(A)mBB1w 1.3.2 Dalton 分壓定律BB(1) n RTpVB的分壓等于相同T，V 下單獨(dú)存在時(shí)的壓力12kB

10、B(2) ppppp在相同T，V 下，總壓等于各組分分壓之和BBB(3) pnxpn 原則上，該定律只適用于理想氣體 1.3.3 Amagat 分體積定律在相同的溫度 T 和總壓力 p 的條件下*B(1) (1)(2)( )(B)VVVVkV V，p 是系統(tǒng)的總體積和壓力，Amagat 分體積定律原則上只適用于理想氣體，*BB(B)(2) VnxVn*BBBBB(B)/Vn RTpnxVn RTpn 1.4 真實(shí)氣體的液化1. 液體的飽和蒸汽壓2. 臨界狀態(tài)3. 真實(shí)氣體的 圖mpV 1.4.1 液體的飽和蒸汽壓在密閉容器內(nèi)和一定溫度下當(dāng)蒸發(fā)與凝聚的速率相等，這時(shí)蒸氣的壓力，稱為達(dá)到氣-液平衡

11、時(shí)該液體在該溫度時(shí)的飽和蒸汽壓理想氣體在任何T，p 下都不能被液化真實(shí)氣體在降溫或加壓下，有可能被液化加熱密閉容器中的液體，不可能觀察到沸騰現(xiàn)象。 1.4.1 液體的飽和蒸汽壓 p p外 Tb T飽和蒸汽壓是物質(zhì)的性質(zhì)，隨溫度的上升而增加 在敞口容器中加熱液體，當(dāng)蒸氣的壓力等于外壓時(shí)，液體沸騰，這時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn)。 飽和蒸氣壓大的液體，其沸點(diǎn)較低 常見液體在不同溫度下的飽和蒸氣壓可以查表。 降低外壓，其沸點(diǎn)也隨之降低。 1.4.2 臨界狀態(tài) 隨著溫度升高，飽和蒸氣壓變大，氣體的密度不斷變大這種狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)這時(shí)氣-液界面消失，液體和氣體混為一體在該溫度之上無論用多大壓力，都無法使氣體液化 隨

12、著溫度升高，液體由于受熱膨脹，其密度不斷變小 達(dá)到某溫度時(shí)，氣體的密度等于液體的密度cT溫度為臨界溫度 1.4.2 臨界狀態(tài) p p外 Tb T在臨界狀態(tài)時(shí)的參數(shù)稱為臨界參數(shù)，如ccm,c, TpV 高于臨界狀態(tài)的物系，既具有液體性質(zhì)，又具有氣體性質(zhì)，被稱為超臨界流體超臨界流體 超臨界流體具有液體一樣的溶解能力 超臨界流體具有氣體一樣的擴(kuò)散速度 如 超臨界流體在萃取和合成方面用途很廣。2CO 1.4.3 真實(shí)氣體的 p-Vm 圖pgl1g1l1l2T2g1gCT3T2lCmV1Tccm,c, TpVC 為臨界點(diǎn)對應(yīng)臨界參數(shù)為 1.4.3 真實(shí)氣體的 p-Vm 圖pgl1g1l1l2T2g1gC

13、T3T2lCmV1T臨界參數(shù)是物質(zhì)自身的性質(zhì)易液化的氣體臨界溫度較高難液化的氣體臨界溫度較低 常見氣體的臨界參數(shù)可以查表3NH (g)2H (g), He(g) 1.4.3 真實(shí)氣體的 p-Vm 圖pgl1g1l1l2T2g1gCT3T2lCmV1T在臨界點(diǎn) C 處是等溫線的拐點(diǎn)cm0TpVc22m0TpV在數(shù)學(xué)上，一階和二階導(dǎo)數(shù)為零 從真實(shí)氣體的狀態(tài)方程可以計(jì)算臨界參數(shù)。 1.5 真實(shí)氣體的狀態(tài)方程1. van der Waals 方程2. van der Waals 方程的應(yīng)用 1.5.1 van der Waals 方程 因家境貧寒無法上學(xué)，在工作之余，刻苦鉆研，自學(xué)成才 van der

14、 Waals（1837-1923） 荷蘭物理學(xué)家 他的博士論文“論液態(tài)和氣態(tài)的連續(xù)性”引起了學(xué)術(shù)界關(guān)注 1873年，他最先假設(shè)原子間和分子間存在某種吸引力，后來被稱為van der Waals力。1881年，得出van der Waals方程 1910年，因研究氣態(tài)和液態(tài)方程成績顯著，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1.5.1 van der Waals 方程 van der Waals 對理想氣體的狀態(tài)方程作了兩項(xiàng)修正：（1）1 mol 分子自身占有的體積為 b（2）1 mol 分子之間的作用力，即內(nèi)壓力為2m/a V導(dǎo)出的van der Waals 方程為：m2mapVbRTV 1.5.1 van de

15、r Waals 方程m2mapVbRTV22n apVnbnRTV或 a，b 稱為van der Waals 常數(shù)，常見氣體的這常數(shù)值可以查表。a 的單位：62Pa mmolb 的單位：31mmol * 從臨界參數(shù)求 a, b 值van der Waals 方程可改寫為2mmRTapVbVcc23mm,cm,c20TRTpaVVVb m,c3Vbc2c324mm,cm,c260TRTpaVVVbc827aTRbc227apbcm,cc83p VRTccm,c82.6673RTp V這部分內(nèi)容僅供老師參考 *1.5.2 從臨界參數(shù)求 a, b 值 用實(shí)驗(yàn)測定真實(shí)氣體的臨界參數(shù)m,c3Vbc827aTRbc227apbcm,cc83p