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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 3
Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen
Fast fas Flytande fas Gasfas
Avsnitt 5.1
Tryck
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 4
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 6
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 7
Return to TOC
Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken
Avsnitt 5.1
Tryck
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 8
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 10
Return to TOC
• används för att mäta trycket i en behållare
Manometer
Avsnitt 5.1
Tryck
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 11
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 12
Return to TOC
En ballong sänks ned i flytande kväve (-196 °C)
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 13
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
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 14
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
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 15
Return to TOC
Fyra storheter beskriver en gas kvantitativt:
• Volym, V (m3) • Tryck, P (Pa) • Temperatur, T (K) • Substansmängd, n (mol)
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 16
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
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 17
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
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 18
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
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 19
Return to TOC
Boyles lag
Avsnitt 5.2
Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 20
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 21
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 22
Return to TOC
En gas som strängt följer gaslagarna kallas en ideal gas.
Avsnitt 5.3
Den ideala gaslagen
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 23
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 24
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 25
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 26
Return to TOC
Avsnitt 5.4
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 27
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 28
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 29
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 30
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
Stökiometri för gasfasreaktioner
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 31
Return to TOC
Övning
Vilken densitet har F2 vid NTP (i g/l)?
1.70 g/l
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 32
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
Daltons lag för partialtryck
Return to TOC
Daltons lag:ptot = p1 + p2 + .. + pn
Avsnitt 5.5
Daltons lag för partialtryck
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 34
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 35
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
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 36
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
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 37
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
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 38
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
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 39
Return to TOC
En gasmolekyls rörelse i en behållare
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 40
Return to TOC
Kinetic Molecular Theory
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 41
Return to TOC
Betydelsen av temperatur
Kelvintemperaturen är ett mått på gaspartiklars slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE)
(KE) 32avg = RT
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 42
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
Den kinetiska gasteorin
Return to TOC
Hastighets-fördelningen hos kvävgasmolekyler vid tre olika temperaturer
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 44
Return to TOC
Molecular View of Boyle’s Law
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 45
Return to TOC
Molecular View of Charles’s Law
Avsnitt 5.6
Den kinetiska gasteorin
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 46
Return to TOC
Molecular View of The Ideal Gas Law
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 47
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
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 48
Return to TOC
Effusion
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 49
Return to TOC
Diffusion
Avsnitt 5.7
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 50
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
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 51
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
Effusion och Diffusion
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 52
Return to TOC
Avsnitt 5.8
Verkliga gaser
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 53
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 54
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 55
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 56
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 57
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 58
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 59
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 60
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 63
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
Copyright © Cengage Learning. All rights reserved 64
Return to TOC
Gaser
• Storheter
– tryck, temperatur, densitet
• Naturlagar och teori
– Ideala gaslagen och kinetiska gasteorin
• Reaktioner
– Variabel volym, partialtryck