Gaser - Åbo Akademiusers.abo.fi/jwerkeli/Slideshows/chapter05.pdf · 2009. 10. 1. · • En...

Gaser

Kapitel 5

Kapitel 5

Innehåll

Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 2

5.1 Tryck5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro5.3 Den ideala gaslagen5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner5.5 Daltons lag för partialtryck5.6 Den kinetiska gasteorin5.7 Effusion och Diffusion5.8 Verkliga gaser5.9 Egenskaper hos några verkliga gaser5.10 Atmosfärens kemi

Kapitel 5


Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen

Fast fas Flytande fas Gasfas

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

1 mol flytande N2 vid -196°Char densiteten 0.81 kg/l och upptar 0.035 l.

I gasform vid 0°C har N2densiteten 0.0012 g/l och upptar 22.4 l.

Kapitel 5


Innehåll

• Storheter

– som påverkar det gasformiga tillståndet

• Lagar och Teorier

– som beskriver gasernas tillstånd

• Kemiska reaktioner

– som inbegriper gasformiga ämnen

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

En gas

är kompressibel, är helt löslig i andra gaser,upptar jämt fördelat volymen av en behållare, ochutövar tryck på sin omgivning.

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

Tryck = kraft per area (P = F/A)

SI-enhet: 1 N/m2 = 1 PaNormalt lufttryck vid havsytan

= 1 atmosfär (atm)= 101,3 kPa = 1,013 bar= 760 mm Hg = 760 torr

Avsnitt 5.1

Tryck

Return to TOC

Torricelli’sbarometer

(1600-tal)

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

• används för att mäta trycket i en behållare

Manometer

Avsnitt 5.1

Tryck


Return to TOC

Ett gastryck uppmäts till 2.5 atm. Vad motsvarar detta i torr och Pa?

Enhetskonvertering för tryckstorheter: ett exempel

( ) 3760 torr2.5 atm = 1.9 10 torr1 atm

⎛ ⎞× ×⎜ ⎟⎝ ⎠

( ) 5101,325 Pa2.5 atm = 2.5 10 Pa1 atm

⎛ ⎞× ×⎜ ⎟⎝ ⎠

Avsnitt 5.2

Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro


Return to TOC

En ballong sänks ned i flytande kväve (-196 °C)

Avsnitt 5.2



Return to TOC

• Vad hände med gasen i ballongen?• En temperaturminskning hos ballongen

följdes av en volymminskning.• Detta är en observation (fakta).• Det förklarar INTE “varför,” utan endast

“vad som hände.”

Flytande kväve och en ballong

Avsnitt 5.2



Return to TOC

• Vilken naturlag resulterar från upprepade observationer av det här slaget?

• Volymen hos en gas är beroende av temperaturen hos gasen (vid konstant P, tryck, och n, antal mol av gasen).

Volym och temperatur

Avsnitt 5.2



Return to TOC

Fyra storheter beskriver en gas kvantitativt:

• Volym, V (m3) • Tryck, P (Pa) • Temperatur, T (K) • Substansmängd, n (mol)

Avsnitt 5.2



Return to TOC

• Volymen och temperaturen (i Kelvin) är direkt proportionella (vid konstant P och n).

• V=b·T (b är en proportionalitetskonstant)• K = °C + 273• 0 K är den absoluta nollpunkten.

Charles lag

1 2

1 2= V V

T T

Avsnitt 5.2



Return to TOC

Övning

En ballong fylld med luft om 1.30 liter vid 24.7 °C läggs i en behållare med flytande koldioxid vid –78.5 °C. Vad kommer ballongens nya volym att bli vid denna temperatur (konstant tryck)?

0.849 L

Avsnitt 5.2



Return to TOC

• Tryck och volym är omvänt proportionella (vid konstant T, temperatur, och n, antal mol gas).

• PV = k (k är en proportionalitetskonstant)

Boyles lag

1 1 2 2 = P V P V× ×

Avsnitt 5.2



Return to TOC

Boyles lag

Avsnitt 5.2



Return to TOC

• Volym och substansmängd är direkt proportionella (vid konstant T och P).

• V = a·n (a är en proportionalitetskonstant)

Avogadros lag

1 2

1 2

n n= V V

Avsnitt 5.3

Den ideala gaslagen


Return to TOC

• Vi kan sammanföra dessa tre lagar till en helhet: den ideala gaslagen

V = bT (constant P and n)V = an (constant T and P)V = (constant T and n)

PV = nRT(där R = 0.08206 L·atm/mol·K, den allmänna gaskonstanten)

kP

Avsnitt 5.3

Den ideala gaslagen


Return to TOC

En gas som strängt följer gaslagarna kallas en ideal gas.

Avsnitt 5.3

Den ideala gaslagen


Return to TOC

Gaskonstanten

R = gaskonstanten = naturkonstant

• Olika värde beroende på i vilka enheter den uttrycks

• Vi använder bl.a.:0.08206 l⋅atm /(mol⋅K) 8.3145 m3⋅Pa/(mol⋅K)8.3145 J /(mol⋅K)8.3145 kJ/(kmol ⋅K)

pV = nRT

Avsnitt 5.3

Den ideala gaslagen


Return to TOC

Övning

Vad är trycket i en 304.0 liters tank som innehåller 5.670 kg helium vid 25°C?

114 atm

Avsnitt 5.4

Stökiometri för gasfasreaktioner


Return to TOC

• För 1 mol ideal gas vid 0°C och 1 atm, är volymen hos gasen 22.42 l.

• NTP = normal temperatur och tryck (P)

0°C (273 K) och 1 atmDen molära volymen är 22.42 l vid NTP.

Molära volymen hos en ideal gas

( )( )( )1.000 mol 0.08206 L atm/K mol 273.2 KV = = = 22.42 L

1.000 atm

⋅ ⋅nRTP

Avsnitt 5.4



Return to TOC

Avsnitt 5.4



Return to TOC

Stökiometri

• Reaktioner i gasfas kan behandlas som i vattenlösningar om man tar i beaktande att

– Volymen inte alltid är konstant– Koncentrationer kan uttryckas som partialtryck

Avsnitt 5.4



Return to TOC

Materia

Heterogena Blandningar

Homogena Blandningar

Rena ämnen

Föreningar Grundämnen

Atomer

ElektronerKärnor

Protoner Neutroner

Kvarkar Kvarkar

Kemiska metoder

Fysikaliska metoder

Fysikaliska metoder

Gasblandningar

Avsnitt 5.4



Return to TOC

Övning

2.80 l metangas vid 25°C, 1.65 atm. och 35.0 l syrgas vid 31°C, 1.25 atm. blandas och antänds varpå det bildas koldioxid och vatten. Hur stor volym utgör koldioxiden i blandningen vid 125°C och 2.50 atm. om vi antar fullständig reaktion.

3.57 g

Avsnitt 5.4



Return to TOC

[ ][ ]

[ ][ ][ ][ ]

( )

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅⋅

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

====molg

atm

KKmol

atmllg

pTR

nm

molgMolmassa ρ

Molmassa ur idealgaslagen

ρ = gasens densitetT = temperaturen i KelvinP = gasens tryckR = den universella gaskonstanten

Avsnitt 5.4



Return to TOC

Övning

Vilken densitet har F2 vid NTP (i g/l)?

1.70 g/l

Avsnitt 5.5

Daltons lag för partialtryck


Return to TOC

• För en blandning av gaser i en behållare gäller att

PTotal = P1 + P2 + P3 + . . . • Det totala trycket i behållaren motsvarar

summan av trycken från de enskilldagaserna i blandningen om de vore ensamma i samma behållare.

Avsnitt 5.5


Return to TOC

Daltons lag:ptot = p1 + p2 + .. + pn

Avsnitt 5.5



Return to TOC

Övning

27.4 l syrgas vid 25.0°C och 1.30 atm samt 8.50 l helium vid 25.0°C och 2.00 atmleddes till en tank om 5.81 l vid 25°C.• Beräkna det nya partialtrycket syrgas.

6.13 atm• Beräkna det nya partialtrycket helium.

2.93 atm• Beräkna det nya totaltrycket av båda gaserna.

9.06 atm

Avsnitt 5.6

Den kinetiska gasteorin


Return to TOC

• Än så länge har vi sagt “vad” som händer med inget om “varför” det händer.

• I vetenskapen kommer alltid “vad” före “varför.”

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Lagar och teorier

• Lagar:– Boyles lag: V ∝ 1/P– Charles lag: V ∝ T– Avogadros lag: V ∝ n

• Den kinetiska gasteorin

Den ideala gaslagen

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Lagar och teorier (se Kapitel 2)

• En lag: sammanfattar vad som sker• En teori: förklarar varför det sker

• Den kinetiska gasteorin förklarar den ideala gaslagen

• En teori är alltid en förenkling av verkligheten, den är i princip aldrig sann, men den kan likna sanningen – om den är bra.

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Antaganden i kinetiska gasteorin

1. Gasmolekylernas andel av gasvolymen är noll.2. Gasens tryck orsakas av kollisioner mellan

gasmolekylerna och väggen3. Partiklar kollidererar aldrig och utövar inga

krafter på varandra.4. Gasmolekylernas kinetiska energi är direkt

proportionell mot den absoluta temperaturen.

Avsnitt 5.6



Return to TOC

En gasmolekyls rörelse i en behållare

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Kinetic Molecular Theory

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Betydelsen av temperatur

Kelvintemperaturen är ett mått på gaspartiklars slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE)

(KE) 32avg = RT

Avsnitt 5.6



Return to TOC

R = 8.3145 J/K·mol(J = joule = kg·m2/s2)

T = Temperaturen på gasen (in K)M = Molära massan hos gasen i kg

• Enheten blir m/s.

Gaspartiklarnas medelhastighet ur kinetiska gasteorin

3 = RTurms M

Avsnitt 5.6


Return to TOC

Hastighets-fördelningen hos kvävgasmolekyler vid tre olika temperaturer

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Molecular View of Boyle’s Law

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Molecular View of Charles’s Law

Avsnitt 5.6



Return to TOC

Molecular View of The Ideal Gas Law

Avsnitt 5.7

Effusion och Diffusion


Return to TOC

Effusion beskriver inflödet av en gas till en behållare i vakuum.

Diffusion är hastigheten med vilken gaser transporteras i varandra (blandas).

Diffusion och effusion

Avsnitt 5.7



Return to TOC

Effusion

Avsnitt 5.7



Return to TOC

Diffusion

Avsnitt 5.7



Return to TOC

Diffusion: De relativa diffusionshastigheterna för NH3(g) and HCl(g) i luft visas då HCl(g) och NH3(g) möts och reagerar och det bildas en vit rök av fast NH4Cl(s).

Avsnitt 5.7



Return to TOC

Rate of effusion for gas 1Rate of effusion for gas 2

2

1=

MM

Distance traveled by gas 1Distance traveled by gas 2

2

1=

MM

Effusion:Effusion:

Diffusion:Diffusion:

Avsnitt 5.7



Return to TOC

Avsnitt 5.8

Verkliga gaser


Return to TOC

Verkliga gaser

Man måste korrigera idealgaslagen vid höga tryck och låga temperaturer.

Vid högt ökar partiklarnas andel av den totala volymen (antas vara noll i kinetiska gasteorin)

Vid låga temperaturer ökar inverkan av mellanmolekylära krafter hos partiklarna (den kinetiska gasteorin försummar dessa krafter)

Avsnitt 5.8

Verkliga gaser


Return to TOC

PV/nRT borde vara lika med 1,här plottat mot trycket (P) för några verkliga gaser vid 200 K.

Avsnitt 5.8

Verkliga gaser


Return to TOC

PV/nRT borde vara lika med 1,här plottat mot trycket (P) för kvävgas vid tre olika temperaturer.

Avsnitt 5.8

Verkliga gaser


Return to TOC

Korrigering av Idealgaslagen för verkliga gaser

[ ]P a V nb nRTobs2( / )+ × −( ) =n V

�� korrigerat tryckkorrigerat tryck korrigerad volymkorrigerad volym

PPidealideal VVidealideal

Avsnitt 5.9

Egenskaper hos några verkliga gaser


Return to TOC

• Hos en verklig gas är trycket alltid lägre än det förväntade trycket för en ideal gas. Det beror på de intermolekylära krafterna mellan partiklarna i den verkliga gasen.

Avsnitt 5.9

Egenskaper hos några verkliga gaser


Return to TOC

Värden på van der Waals konstanter för några gaser

• Värdet på konstanten motsvarar hur mycket volym (a) och tryck (b) måste korrigeras för att de observerade storheterna skall motsvara de ideala.

• Ett lågt värde på amotsvarar låga krafter mellan molekylerna i gasen.

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi


Return to TOC

• Två huvudsakliga källor:Transport Uppvärmning

• Förbränning av bränslen ger utsläpp av CO, CO2, NO och NO2 samt ytterligare en rad olika .

Luftutsläpp

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi


Return to TOC

Luft

en gasblandning av framförallt två

gaser: N2 och O2.

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi

Return to TOC

Luftens temperatur och tryck vid olika höjd över havet

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi

Return to TOC

Fotokemisk smog i en storstad

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi


Return to TOC

• I förbränningsprocesser reagerar luftens N2och O2 till NO, som långsamt oxideras vidare till NO2.

• Med hjälp av solljus går NO2 tillbaka till NO varpå det bildas frigörs syreradikaler.

• Syreradikaler reagerar med O2 och bildar marknära ozon (O3).

Bildning av fotokemisk smog från NOx

Radiantenergy

2NO ( ) NO( ) O( )⎯⎯⎯⎯→ +g g g

2 3O( ) O ( ) O ( )+ ⎯⎯→g g g

Avsnitt 5.10

Atmosfärens kemi


Return to TOC

Gaser

• Storheter

– tryck, temperatur, densitet

• Naturlagar och teori

– Ideala gaslagen och kinetiska gasteorin

• Reaktioner

– Variabel volym, partialtryck

Gaser - Åbo Akademiusers.abo.fi/jwerkeli/Slideshows/chapter05.pdf · 2009. 10. 1. · • En...

Documents

Transcript of Gaser - Åbo Akademiusers.abo.fi/jwerkeli/Slideshows/chapter05.pdf · 2009. 10. 1. · • En...