Gaser - Åbo Akademi · Torricelli’s barometer (1600-tal) ... • En teori: förklarar varför det sker • Den kinetiska gasteorin förklarar den ideala gaslagen • En teori är

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


Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen

Fast fas Flytande fas Gasfas

Avsnitt 5.1

Tryck

Return to TOC


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


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


Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken

Avsnitt 5.1

Tryck

Return to TOC


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


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


Demonstration:

En ballong sänks ned i flytande kväve (-196

C)

Avsnitt 5.2


Return to TOC


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


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


Charles lag

1 2

1 2

= V V

T TTbV

konstant

Avsnitt 5.2


Return to TOC


• Tryck och volym är omvänt proportionella

(vid konstant T, temperatur, och n, antal

mol gas).

Boyles lag

kPV

konstant

2211 VPVP

Avsnitt 5.2


Return to TOC


• 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


Return to TOC


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


• 3 storheter som påverkar gasens volym:

TbV

naV

nRTpV

pk

V1

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)

nRTpV

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?

Avsnitt 5.4

Stökiometri för gasfasreaktioner

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

Elektroner Kärnor

Protoner Neutroner

Kvarkar Kvarkar

Gasblandningar

Fysikaliska metoder

Fysikaliska metoder

Kemiska metoder

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.

Avsnitt 5.4


Return to TOC


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


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 enskillda

gaserna i blandningen om de vore

ensamma i samma behållare.

Avsnitt 5.5


Return to TOC

ptot = p1 + p2 + .. + pn

Avsnitt 5.5


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


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 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


• 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

• Teori:

– 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 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


Return to TOC


Betydelsen av temperatur

Temperaturen (i Kelvin) är ett mått på gaspartiklars

slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE)

(KE)3

2avg RT

Avsnitt 5.6


Return to TOC


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


Return to TOC


En verklig gasmolekyls rörelse i en behållare

Avsnitt 5.6


Return to TOC

Hastighets-

fördelningen hos

kvävgasmolekyler

vid tre olika

temperaturer

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).

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


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


Return to TOC


Avsnitt 5.8

Verkliga gaser

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

(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


Avsnitt 5.8

Verkliga gaser

Return to TOC


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


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 tryck korrigerad volym

Pideal Videal

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 a

motsvarar låga krafter

mellan molekylerna i

gasen.

Documents

Gaser - Åbo Akademi · Torricelli’s barometer (1600-tal) ... • En teori: förklarar varför det sker • Den kinetiska gasteorin förklarar den ideala gaslagen • En teori är