gaser - Åbo akademi · torricelli’s barometer (1600-tal) ... • en teori: förklarar varför...
TRANSCRIPT
Gaser
Kapitel 5
Kapitel 5
Innehåll
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 2
5.1 Tryck
5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
5.3 Den ideala gaslagen
5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner
5.5 Daltons lag för partialtryck
5.6 Den kinetiska gasteorin
5.7 Effusion och Diffusion
5.8 Verkliga gaser
5.9 Egenskaper hos några verkliga gaser
5.10 Atmosfärens kemi
Kapitel 5
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 3
Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen
Fast fas Flytande fas Gasfas
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 4
Gasfas
1 mol N2
vid 0 C har
densiteten 0,0012 g/l
och upptar 22,4 l.
Flytande fas
1 mol N2
vid -196 C har
densiteten 0,81 kg/l
och upptar 0,035 l.
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 5
Egenskaper hos en gas
kompressibel
helt löslig i andra gaser
upptar jämt fördelat volymen av en behållare
utövar tryck på sin omgivning
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 6
Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 7
Tryck = kraft per area
Enheter:
Pascal (Pa)
(SI-enhet)
Bar = 105 Pa
Atmosfär (atm)
mm Hg = torr
…
][][
][2
Pam
N
A
FP
Normalt lufttryck vid havsytan
= 1 atm
= 101,3 kPa = 1,013 bar
= 760 mm Hg = 760 torr
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Torricelli’s
barometer
(1600-tal)
Lufttrycket mäts enligt
höjden på
kvicksilverpelaren.
Avsnitt 5.1
Tryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 9
Ett gastryck uppmäts till 2.5 atm. Vad motsvarar
detta i torr och Pa?
Enhetskonvertering för tryckstorheter: ett exempel
kPa 101,325atm1
torr101,9atm1
torr7602,5atm 3
Pa102,5 atm1
Pa10101,3252,5atm 5
3
torr760atm1
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 10
Demonstration:
En ballong sänks ned i flytande kväve (-196
C)
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 11
Demonstration:
En ballong sänks ned i flytande kväve (-196
C)
• Vad hände med gasen i ballongen?
• En temperaturminskning hos ballongen följdes
av en volymminskning.
• Detta är en observation (fakta).
• Det förklarar INTE “varför det händer,” utan
beskriver endast “vad som händer.”
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
• Volymen och temperaturen (i Kelvin) är
direkt proportionella (vid konstant P och n).
– K =
C + 273
– 0 K är den absoluta nollpunkten
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 12
Charles lag
1 2
1 2
= V V
T TTbV
konstant
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 13
• Tryck och volym är omvänt proportionella
(vid konstant T, temperatur, och n, antal
mol gas).
Boyles lag
kPV
konstant
2211 VPVP
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 14
• Volym och substansmängd är direkt
proportionella (vid konstant T och P)
Avogadros lag
naV
konstant
2
2
1
1
V
n
V
n
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 15
Fyra storheter beskriver en gas kvantitativt:
• V = Volym (m3)
• P = Tryck (Pa)
• T = Temperatur (K)
• n = Substansmängd (mol)
Avsnitt 5.3
Den ideala gaslagen
Return to TOC
• Temperatur, T
(Charles lag)
• Tryck, P
(Boyles lag)
• Substansmängd, n
(Avogadros lag)
Genom att kombinera dessa gaslagar får vi
Ideala gaslagen:
R = allmänna gaskonstanten
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 16
• 3 storheter som påverkar gasens volym:
TbV
naV
nRTpV
pk
V1
Avsnitt 5.3
Den ideala gaslagen
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 17
En gas som strängt följer gaslagarna
kallas en ideal gas.
Avsnitt 5.3
Den ideala gaslagen
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 18
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)
nRTpV
Avsnitt 5.3
Den ideala gaslagen
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 19
Övning
Vad är trycket i en 304,0 liters tank som
innehåller 5,670 kg helium vid 25°C?
Avsnitt 5.4
Stökiometri för gasfasreaktioner
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 20
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 21
Materia
Heterogena Blandningar
Homogena Blandningar
Rena ämnen
Föreningar Grundämnen
Atomer
Elektroner Kärnor
Protoner Neutroner
Kvarkar Kvarkar
Gasblandningar
Fysikaliska metoder
Fysikaliska metoder
Kemiska metoder
Avsnitt 5.4
Stökiometri för gasfasreaktioner
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 22
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.
Avsnitt 5.4
Stökiometri för gasfasreaktioner
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 23
Molmassa & densitet ur idealgaslagen
ρ = gasens densitet
T = temperaturen i Kelvin
P = gasens tryck
R = den universella gaskonstanten
V
m
M
mn nRTpV
RTM
mpV
pV
mRTM
p
RT
Vp
mRTM
RT
Mp
Avsnitt 5.4
Stökiometri för gasfasreaktioner
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 24
Övning
Vilken densitet har F2 vid NTP (i g/l)?
1,70 g/l
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 25
• 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 enskillda
gaserna i blandningen om de vore
ensamma i samma behållare.
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Return to TOC
ptot = p1 + p2 + .. + pn
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Return to TOC
ntot p...ppp 21
V
RTn...
V
RTn
V
RTnp n
tot21
V
RT)n...n(np ntot 21
V
RTnp tottot
Det totala trycket beror på den totala substansmängden
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 28
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 atm
leddes 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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 29
• 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
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 30
Lagar och teorier
• Lagar:
– Boyles lag: V 1/P
– Charles lag: V T
– Avogadros lag: V n
• Teori:
– Den kinetiska gasteorin
Den ideala
gaslagen
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 31
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
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 32
Antaganden i kinetiska gasteorin
1. Gasmolekylernas andel av gasvolymen är noll.
2. Gasens tryck orsakas av kollisioner mellan
gasmolekylerna och väggen
3. Partiklar kollidererar aldrig och utövar inga
krafter på varandra.
4. Gasmolekylernas kinetiska energi är direkt
proportionell mot den absoluta temperaturen.
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 33
Betydelsen av temperatur
Temperaturen (i Kelvin) är ett mått på gaspartiklars
slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE)
(KE)3
2avg RT
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 34
urms = medelhastighet (root mean square velocity)
R = 8,3145 J/(K·mol) (J = joule = kg·m2/s2)
T = Temperaturen på gasen (K)
M = Molära massan hos gasen (kg/mol)
• Enheten blir m/s.
Gaspartiklarnas medelhastighet ur kinetiska gasteorin
3 =
RTurms M
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 35
En verklig gasmolekyls rörelse i en behållare
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Hastighets-
fördelningen hos
kvävgasmolekyler
vid tre olika
temperaturer
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 37
Effusion beskriver inflödet av en gas till en
behållare i vakuum.
Diffusion är hastigheten med vilken gaser
transporteras i varandra (blandas).
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 38
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
Effusion och Diffusion
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 39
Effusion:
Diffusion:
Diffusion och effusion är beroende av gasernas molmassa:
1
2
M
M
2 gasfor effusion of Rate
1 gasfor effusion of Rate
1
2
M
M
2 gasby traveledDistance
1 gasby traveledDistance
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 40
Avsnitt 5.8
Verkliga gaser
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 41
• För 1 mol ideal gas vid 0
C och 1 atm, är volymen
hos gasen 22.42 l.
• NTP = normal temperatur och tryck
(STP = standard temperatur och tryck)
0
C (273 K) och 1 atm
Den 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
nRT
P
Avsnitt 5.8
Verkliga gaser
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 42
Avsnitt 5.8
Verkliga gaser
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 43
Verkliga gaser
Man måste korrigera idealgaslagen vid höga tryck och
låga temperaturer.
• Vid högt tryck 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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 44
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 45
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 46
Korrigering av Idealgaslagen för verkliga gaser
[ ]P a V nb nRTobs2( / )n V
korrigerat tryck korrigerad volym
Pideal Videal
Avsnitt 5.9
Egenskaper hos några verkliga gaser
Return to TOC
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 47
• 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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 48
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 a
motsvarar låga krafter
mellan molekylerna i
gasen.