Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Transkript

1 Kapitel 5 Gaser Kapitel 5 Innehåll Den ideala gaslagen Daltons lag för partialtryck Effusion och Diffusion Egenskaper hos några verkliga gaser 5.10 Atmosfärens kemi Copyright Cengage Learning. All rights reserved Kapitel 5 Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen Fast fas Flytande fas Gasfas 1 mol flytande N vid -196 C har densiteten 0.81 kg/l och upptar l. I gasform vid 0 C har 1 mol N densiteten g/l och upptar.4 l. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 En gas Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1

2 kraft per area (P F/A) SI-enhet: 1 N/m 1 Pa Normalt lufttryck vid havsytan 1 atmosfär (atm) 101,3 kpa 1,013 bar 760 mm Hg 760 torr Torricelli s barometer (1600-tal) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Enhetskonvertering för tryckstorheter: ett exempel Ett gastryck uppmäts till.5 atm. Vad motsvarar detta i torr och Pa? En ballong sänks ned i flytande kväve (-196 C) 760 torr 3 (.5 atm ) torr 1 atm 101,35 Pa 5 (.5 atm ).5 10 Pa 1 atm Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 Flytande kväve och en ballong 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. Charles lag Volymen och temperaturen (i Kelvin) är direkt proportionella (vid konstant P och n). Vb T (b är en proportionalitetskonstant) K C K är den absoluta nollpunkten. V V T 1 1 T Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 1

3 Boyles lag och volym är omvänt proportionella (vid konstant T, temperatur, och n, antal mol gas). PV k (k är en proportionalitetskonstant) P V P V 1 1 Avogadros lag Volym och substansmängd är direkt proportionella (vid konstant T och P). V a n (a är en proportionalitetskonstant) n V n 1 1 V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 Fyra storheter beskriver en gas kvantitativt: Volym, V (m 3 ), P (Pa) Temperatur, T (K) Substansmängd, n (mol) Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen 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 k (constant T and n) P PV nrt (där R L atm/mol K, den allmänna gaskonstanten) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Gaskonstanten pv nrt En gas som strängt följer gaslagarna kallas en ideal gas. R gaskonstanten naturkonstant Olika värde beroende på i vilka enheter den uttrycks Vi använder bl.a.: l atm /(mol K) m 3 Pa/(mol K) J /(mol K) kj/(kmol K) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18 3

4 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Övning Vad är trycket i en liters tank som innehåller kg helium vid 5 C? 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 19 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 0 ateria Fysikaliska metoder Heterogena Blandningar Föreningar Protoner Homogena Blandningar Rena ämnen Kemiska metoder Fysikaliska metoder Kärnor Gasblandningar Grundämnen Atomer Neutroner Elektroner Övning.80 l metangas vid 5 C, 1.65 atm. och 35.0 l syrgas vid 31 C, 1.5 atm. blandas och antänds varpå det bildas koldioxid och vatten. Hur stor volym utgör koldioxiden i blandningen vid 15 C och.50 atm. om vi antar fullständig reaktion. Kvarkar Kvarkar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 1 Copyright Cengage Learning. All rights reserved olmassa ur idealgaslagen olmassa g mol [ m] [] n [ ρ][ R][ T ] [ p] g l atm l mol K ( atm) ( K ) g mol Övning Vilken densitet har F vid NTP (i g/l)? 1.70 g/l ρ gasens densitet T temperaturen i Kelvin P gasens tryck R den universella gaskonstanten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 4

5 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck För en blandning av gaser i en behållare gäller att P Total P 1 + P + P 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 lag för partialtryck Daltons lag: p tot p 1 + p p n Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Avsnitt 5.5 Daltons lag för partialtryck Övning 7.4 l syrgas vid 5.0 C och 1.30 atm samt 8.50 l helium vid 5.0 C och.00 atm leddes till en tank om 5.81 l vid 5 C. Beräkna det nya partialtrycket syrgas atm Beräkna det nya partialtrycket helium..93 atm Beräkna det nya totaltrycket av båda gaserna atm 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 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Lagar och teorier Lagar och teorier (se Kapitel ) Lagar: Boyles lag: V 1/P Charles lag: V T Avogadros lag: V n Den ideala gaslagen En lag: sammanfattar vad som sker En teori: förklarar varför det sker 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 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30 5

6 Antaganden i kinetiska gasteorin En gasmolekyls rörelse i en behållare 1. Gasmolekylernas andel av gasvolymen är noll.. 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 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Betydelsen av temperatur 3 (KE) avg RT Kelvintemperaturen är ett mått på gaspartiklars slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE) Gaspartiklarnas medelhastighet ur kinetiska gasteorin u rms 3RT R J/K mol (J joule kg m /s ) T Temperaturen på gasen (in K) olära massan hos gasen i kg Enheten blir m/s. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Hastighetsfördelningen hos kvävgasmolekyler vid tre olika temperaturer Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Diffusion och effusion 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 36 6

7 Avsnitt 5.7 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). Effusion och Diffusion Effusion: Rate of effusion for gas 1 Rate of effusion for gas 1 Diffusion: Distance traveled by gas 1 Distance traveled by gas 1 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion olära volymen hos en ideal gas För 1 mol ideal gas vid 0 C och 1 atm, är volymen hos gasen.4 l. ( mol)( L atm/k mol)( 73. K) nrt V.4 L P atm NTP normal temperatur och tryck (P) 0 C (73 K) och 1 atm Den molära volymen är.4 l vid NTP. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 an 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) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 7

8 PV/nRT borde vara lika med 1, här plottat mot trycket (P) för några verkliga gaser vid 00 K. PV/nRT borde vara lika med 1, här plottat mot trycket (P) för kvävgas vid tre olika temperaturer. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Korrigering av Idealgaslagen för verkliga gaser [ P + a( n/ V) ] ( V nb) nrt obs korrigerat tryck korrigerad volym 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. P ideal V ideal Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 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 47 8