Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Transkript

1 Kapitel 5 Gaser

2 Kapitel 5 Innehåll 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2

3 Kapitel 5 Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen Fast fas Flytande fas Gasfas Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3

4 Avsnitt 5.1 Tryck Flytande fas 1 mol N 2 vid -196 C har densiteten 0,81 kg/l och upptar 0,035 l. Gasfas 1 mol N 2 vid 0 C har densiteten 0,0012 g/l och upptar 22,4 l. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4

5 Avsnitt 5.1 Tryck Egenskaper hos en gas kompressibel helt löslig i andra gaser upptar jämt fördelat volymen av en behållare utövar tryck på sin omgivning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 5.1 Tryck Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

7 Avsnitt 5.1 Tryck Tryck = kraft per area P F A [ N] [ Pa] 2 [ m ] Enheter: Pascal (Pa) (SI-enhet) Bar = 10 5 Pa Atmosfär (atm) mm Hg = torr Normalt lufttryck vid havsytan = 1 atm = 101,3 kpa = 1,013 bar = 760 mm Hg = 760 torr Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7

8 Avsnitt 5.1 Tryck Torricelli s barometer (1600-tal) Lufttrycket mäts enligt höjden på kvicksilverpelaren.

9 Avsnitt 5.1 Tryck Enhetskonvertering för tryckstorheter: ett exempel Ett gastryck uppmäts till 2.5 atm. Vad motsvarar detta i torr och Pa? 1atm 760 torr 2,5atm 760 torr 1atm 1, torr 1atm 101,325 kpa 2,5atm 101, atm 3 Pa 2, Pa Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9

10 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Demonstration: En ballong sänks ned i flytande kväve (-196 C) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10

11 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11

12 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Charles lag Volymen och temperaturen (i Kelvin) är direkt proportionella (vid konstant P och n). K = C K är den absoluta nollpunkten V b T V T = V 1 2 T 1 2 konstant Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12

13 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Boyles lag Tryck och volym är omvänt proportionella (vid konstant T, temperatur, och n, antal mol gas). PV k P V P V konstant Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Avogadros lag Volym och substansmängd är direkt proportionella (vid konstant T och P) V a n n 1 n 2 V 1 V 2 konstant Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14

15 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Fyra storheter beskriver en gas kvantitativt: V = Volym (m 3 ) P = Tryck (Pa) T = Temperatur (K) n = Substansmängd (mol) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

16 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen 3 storheter som påverkar gasens volym: Temperatur, T (Charles lag) Tryck, P (Boyles lag) Substansmängd, n (Avogadros lag) V b V 1 k V a T p n Genom att kombinera dessa gaslagar får vi Ideala gaslagen: pv nrt R = allmänna gaskonstanten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen En gas som strängt följer gaslagarna kallas en ideal gas. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

18 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Gaskonstanten pv nrt R = gaskonstanten = naturkonstant Olika värde beroende på i vilka enheter den uttrycks Vi använder bl.a.: 0,08206 l atm /(mol K) 8,3145 m 3 Pa/(mol K) 8,3145 J /(mol K) 8,3145 kj/(kmol K) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

19 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Övning Vad är trycket i en 304,0 liters tank som innehåller 5,670 kg helium vid 25 C? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

20 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20

21 Avsnitt 5.4 Materia Stökiometri för gasfasreaktioner Gasblandningar Heterogena Blandningar Fysikaliska metoder Homogena Blandningar Rena ämnen Fysikaliska metoder Föreningar Protoner Kemiska metoder Kärnor Grundämnen Atomer Elektroner Neutroner Kvarkar Kvarkar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

22 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 n Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner Molmassa & densitet ur idealgaslagen m M pv pv M nrt m RT M mrt pv ρ = gasens densitet T = temperaturen i Kelvin P = gasens tryck R = den universella gaskonstanten M m V mrt Vp Mp RT RT p Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23

24 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner Övning Vilken densitet har F 2 vid NTP (i g/l)? 1,70 g/l Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck För en blandning av gaser i en behållare gäller att P Total = P 1 + P 2 + P Det totala trycket i behållaren motsvarar summan av trycken från de enskillda gaserna i blandningen om de vore ensamma i samma behållare. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

26 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck p tot = p 1 + p p n

27 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck Det totala trycket beror på den totala substansmängden ptot p1 p2... p n p p tot n1rt V (n n tot 1 2 n2rt V... n n nnrt... V RT ) V p tot n tot RT V

28 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

29 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Än så länge har vi sagt vad som händer med inget om varför det händer. I vetenskapen kommer alltid vad före varför. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Lagar och teorier Lagar: Boyles lag: V 1/P Charles lag: V T Avogadros lag: V n Den ideala gaslagen Teori: Den kinetiska gasteorin Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

31 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31

32 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32

33 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Betydelsen av temperatur (KE) avg 3 2 RT Temperaturen (i Kelvin) är ett mått på gaspartiklars slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33

34 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Gaspartiklarnas medelhastighet ur kinetiska gasteorin u rms = 3RT M u rms = medelhastighet (root mean square velocity) R = 8,3145 J/(K mol) (J = joule = kg m 2 /s 2 ) T = Temperaturen på gasen (K) M = Molära massan hos gasen (kg/mol) Enheten blir m/s. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34

35 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin En verklig gasmolekyls rörelse i en behållare Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35

36 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Hastighetsfördelningen hos kvävgasmolekyler vid tre olika temperaturer

37 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Diffusion är hastigheten med vilken gaser transporteras i varandra (blandas). Effusion beskriver inflödet av en gas till en behållare i vakuum. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37

38 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Diffusion: De relativa diffusionshastigheterna för NH 3 (g) and HCl(g) i luft visas då HCl(g) och NH 3 (g) möts och reagerar och det bildas en vit rök av fast NH 4 Cl(s). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38

39 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Diffusion och effusion är beroende av gasernas molmassa: Diffusion: Distance traveled by gas 1 Distance traveled by gas 2 M M 2 1 Effusion: Rate of Rate of effusion for gas 1 effusion for gas 2 M M 2 1 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

40 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

41 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser Molära volymen hos en ideal gas För 1 mol ideal gas vid 0 C och 1 atm, är volymen hos gasen l. nrt mol L atm/k mol K V = = = L P atm NTP = normal temperatur och tryck (STP = standard temperatur och tryck) 0 C (273 K) och 1 atm Den molära volymen är l vid NTP. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

42 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

43 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser 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) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

44 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser PV/nRT borde vara lika med 1, här plottat mot trycket (P) för några verkliga gaser vid 200 K. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

45 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser PV/nRT borde vara lika med 1, här plottat mot trycket (P) för kvävgas vid tre olika temperaturer. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45

46 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser Korrigering av Idealgaslagen för verkliga gaser [ P a ( n / V) ] V nb nrt obs 2 korrigerat tryck korrigerad volym P ideal V ideal Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46

47 Avsnitt 5.9 Egenskaper hos några verkliga gaser 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

48 Avsnitt 5.9 Egenskaper hos några verkliga gaser 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48