Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. 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 1 mol flytande N 2 vid -196 C har densiteten 0.81 kg/l och upptar l. I gasform vid 0 C har N 2 densiteten g/l och upptar 22.4 l. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4

5 Kapitel 5 Innehåll Storheter som påverkar det gasformiga tillståndet Lagar och Teorier som beskriver gasernas tillstånd Kemiska reaktioner som inbegriper gasformiga ämnen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 5.1 Tryck En gas 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 6

7 Avsnitt 5.1 Tryck Locket skruvas på efter att vatten kokats i metalldunken Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7

8 Avsnitt 5.1 Tryck Tryck = kraft per area (P = F/A) SI-enhet: 1 N/m 2 = 1 Pa Normalt lufttryck vid havsytan = 1 atmosfär (atm) = 101,3 kpa = 1,013 bar = 760 mm Hg = 760 torr Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8

9 Avsnitt 5.1 Tryck Torricelli s barometer (1600-tal)

10 Avsnitt 5.1 Tryck Manometer används för att mäta trycket i en behållare Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10

11 Avsnitt 5.1 Tryck Enhetskonvertering för tryckstorheter: ett exempel Ett gastryck uppmäts till 2.5 atm. Vad motsvarar detta i torr och Pa? 760 torr atm = torr 1 atm ( ) 101,325 Pa atm = Pa 1 atm ( ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11

12 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro En ballong sänks ned i flytande kväve (-196 C) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12

13 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro 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, utan endast vad som hände. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Volym och temperatur 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). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14

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

16 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Charles lag Volymen och temperaturen (i Kelvin) är direkt proportionella (vid konstant P och n). V=b T (b är en proportionalitetskonstant) K = C K är den absoluta nollpunkten. V T = V T Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro 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)? L Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

18 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 (k är en proportionalitetskonstant) P V = P V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

19 Avsnitt 5.2 Gaslagarna från Boyle, Charles och Avogadro Boyles lag Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

20 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 (a är en proportionalitetskonstant) n V = n V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20

21 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 21

22 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen En gas som strängt följer gaslagarna kallas en ideal gas. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 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.: l atm /(mol K) m 3 Pa/(mol K) J /(mol K) kj/(kmol K) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23

24 Avsnitt 5.3 Den ideala gaslagen Övning Vad är trycket i en liters tank som innehåller kg helium vid 25 C? 114 atm Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner Molära volymen hos en ideal gas För 1 mol ideal gas vid 0 C och 1 atm, är volymen hos gasen l. ( mol)( L atm/k mol)( K) nrt V = = = L P atm NTP = normal temperatur och tryck (P) 0 C (273 K) och 1 atm Den molära volymen är l vid NTP. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

26 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26

27 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 27

28 Avsnitt 5.4 Materia Stökiometri för gasfasreaktioner Heterogena Blandningar Fysikaliska metoder Föreningar Homogena Blandningar Rena ämnen Kemiska metoder Fysikaliska metoder Gasblandningar Grundämnen Atomer Kärnor Elektroner Protoner Kvarkar Neutroner Kvarkar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

29 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 g Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 5.4 Stökiometri för gasfasreaktioner Molmassa ur idealgaslagen Molmassa = g mol = [ m] [] n = [ ρ][ R][ T ] [ p] = g l l atm mol K ( atm) ( K ) = g mol ρ = gasens densitet T = temperaturen i Kelvin P = gasens tryck R = den universella gaskonstanten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

31 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 31

32 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 32

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

34 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 atm Beräkna det nya partialtrycket helium atm Beräkna det nya totaltrycket av båda gaserna atm Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34

35 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 35

36 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 Den kinetiska gasteorin Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36

37 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 37

38 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 38

39 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin En gasmolekyls rörelse i en behållare Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

40 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Kinetic Molecular Theory Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

41 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Betydelsen av temperatur 3 (KE) = RT avg 2 Kelvintemperaturen är ett mått på gaspartiklars slumpvisa rörelser och kinetiska energi (KE) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

42 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Gaspartiklarnas medelhastighet ur kinetiska gasteorin u rms = 3RT M R = J/K mol (J = joule = kg m 2 /s 2 ) T = Temperaturen på gasen (in K) M = Molära massan hos gasen i kg Enheten blir m/s. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

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

44 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Molecular View of Boyle s Law Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

45 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Molecular View of Charles s Law Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45

46 Avsnitt 5.6 Den kinetiska gasteorin Molecular View of The Ideal Gas Law Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46

47 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 47

48 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Effusion Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48

49 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Diffusion Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49

50 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 50

51 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Effusion: Rate of effusion for gas 1 Rate of effusion for gas 2 = M M 2 1 Diffusion: Distance traveled by gas 1 Distance traveled by gas 2 = M M 2 1 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51

52 Avsnitt 5.7 Effusion och Diffusion Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52

53 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser 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) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53

54 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 54

55 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 55

56 Avsnitt 5.8 Verkliga gaser Korrigering av Idealgaslagen för verkliga gaser [ P + a( n/ V) ] ( V nb) = nrt obs korrigerat tryck 2 korrigerad volym P ideal V ideal Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56

57 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 57

58 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 58

59 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Luftutsläpp Två huvudsakliga källor: Transport Uppvärmning Förbränning av bränslen ger utsläpp av CO, CO 2, NO och NO 2 samt ytterligare en rad olika. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 59

60 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Luft en gasblandning av framförallt två gaser: N 2 och O 2. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60

61 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Luftens temperatur och tryck vid olika höjd över havet

62 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Fotokemisk smog i en storstad

63 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Bildning av fotokemisk smog från NOx I förbränningsprocesser reagerar luftens N 2 och O 2 till NO, som långsamt oxideras vidare till NO 2. Med hjälp av solljus går NO 2 tillbaka till NO varpå det bildas frigörs syreradikaler. Syreradikaler reagerar med O 2 och bildar marknära ozon (O 3 ). 2 Radiant energy NO ( g) NO( g) + O( g) O( g) + O ( g) O ( g) 2 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 63

64 Avsnitt 5.10 Atmosfärens kemi Gaser Storheter tryck, temperatur, densitet Naturlagar och teori Ideala gaslagen och kinetiska gasteorin Reaktioner Variabel volym, partialtryck Copyright Cengage Learning. All rights reserved 64