1、无机化学无机化学第一章第一章 气气 体体 1.1 1.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 1.2 1.2 气体混合物气体混合物 * *1.3 1.3 气体分子运动论气体分子运动论 1.4 1.4 真实气体真实气体 * *1.5 1.5 大气化学大气化学 无机化学无机化学1.1.1 1.1.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 1.1.2 1.1.2 理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程式的应用 1.11.1理想气体状态方程式理想气体状态方程式1.1 理想气体状态方程式无机化学无机化学 1.1.1理想气体状态方程式1.1 理想气体状态方程式气体的最基本特征： 具有可压缩性和扩散性理
2、想气体状态方程式理想气体状态方程式pV=nRT R- 气体常数在STP下，p=101.325kPa, T=273.15Kn=1.0mol时, Vm=22.414L=22.41410-3m31133KmolJ314.8K15.2731.0molm1022.4Pa101325nTpVRR=8.314 kPaLK-1mol-1无机化学无机化学1.1 理想气体状态方程式理想气体物理模型 人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。 理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。无机化学无机化学 1.1.2理想气体状态方程式的应用1.1 理想气体状态方程式1.
3、 计算p，V，T，n四个物理量之一 应用范围： 温度不太低，压力不太高的真实气体。无机化学无机化学 2. 气体摩尔质量的计算1.1 理想气体状态方程式pVmRTMRTMmpVnRTpVMmnM = Mr gmol-1无机化学无机化学 3. 气体密度的计算1.1 理想气体状态方程式 =RTpMpVmRTM = m / VpRTM有关气体体积的化学计算例例:为了行车的安全，可在汽车中装备上空气袋，防止碰撞时司机受到伤害。这种空气袋是用氮气充胀起来的，所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在火花的引发下反应生成的。总反应是：6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)在25
4、。748mmHg下，要产生75.0L的N2，计算需要叠氮化钠的质量。解：解： 根据化学反应方程式所显示出的n（NaN3）与n（N2）的数量关系，可以进一步确定在给定条件下，m（NaN3）与V（N2）的关系。6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6mol9molMr(NaN3)=65.01 P=748mmHg=99.73kPa T=298Km(NaN3)=390.06g V(N2)=223.6Lm(NaN3)=？ V(N2)=75.0Lm(NaN3)= =131gL6223L075g06390.无机化学无机化学 1.21.2气体混合物气体混合物1.2 气体混合
5、物 1.2.1 1.2.1 分压定律分压定律 1.2.2 1.2.2 分压定律的应用分压定律的应用* *1.2.3 1.2.3 分体积定律分体积定律 无机化学无机化学1.2.1 道尔顿（J.Dalton)分压定律组分气体： 理想气体混合物(在同一容器中，相互间不发生化学反应，分子本身的体积和它们相互间的作用力可略而不计的几种不同气体形成的混合物）中每一种气体叫做组分气体。分压： 组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。1.2 气体混合物VRTnpBB无机化学无机化学1.2 气体混合物分压定律： 混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。 p =
6、p1 + p2 + 或 p = pB VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 无机化学无机化学1.2 气体混合物分压的求解：x B B的摩尔分数VRTnpBBpxpnnpxnnppBBBBBBVnRTp 例：例： 某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合物。取样分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。解：n= n（NH3）+n（O2）+n（N2） =0.320mol+0.180mol+0.700mol =1
7、.200mol 35.5kPakPa0.133200.1320.0NH)NH(33pnnp p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5 .35320. 0180. 0OO22pnnp无机化学无机化学1.2.2 分压定律的应用1.2 气体混合物无机化学无机化学1.2 气体混合物例：例：某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。所得到的氢气用排水集气法在水面上收集。温度为18时，室内气压计为753.8mmHg，湿氢气体积为0.567L。用分子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢气的体积以及氢气的
8、物质的量。 解：解：排水集气法收集气体时，通常将所收集气体中的水蒸气看 作 饱 和 蒸 气 。 由 化 学 手 册 中 查 出 1 8 下 ，p(H2O)=15.477mmHg。在湿氢气中，氢的分压为：p1(H2)= (753.815.477)mmHg = 738.3mmHgp1(H2)= = 98.43kPakPammHgmmHg325.1017603 .738干氢气的p2(H2)= 753.8mmHg = 100.5kPa ，体积为V2(H2)。V2(H2)= = = 0.555Ln(H2)= = =2.3110-2mol)()(2221HpVHpRTVHp)(21kPaLkPa5 .10
9、0567. 043.98KKmolJLkPa)18273(314. 8567. 043.9811无机化学无机化学1.2 气体混合物习题：习题： 在17，99.3kPa气压下，用排水集气法收集N2150ml。求在标准状况下该气体经干燥后的体积。已知17 水的饱和蒸气压为1.93kPa。无机化学无机化学1.2 气体混合物*1.2.3 分体积定律分体积: 混合气体中某一组分B的分体积VB是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。pRTnVBB V = V1 + V2 + pRTnVBBBBVV或pnRTV pRTnnpRTnpRTnV2121 称为B的体积分数BBBnnVVppV
10、VxPpBBBBBBB例：例： 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病）。 某潜水员潜至海水30m处作业，海水的密度为1.03gcm-3温度为20。在这种条件下，若维持O2、He混合气中p(O2)=21kPa氧气的体积分数为多少？以1.000L混合气体为基准，计算氧气的分体积和氦的质量。（重力加速度取9.807m/s2）解：解：T=（273+20）K=293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的大气共
11、同产生。海面上的空气压力为760mmHg，则P=g hw+ kPa101mmg760mmHg760=9.807 m/s2 1.30103kgcm-330m+101kPa=3.03103 kgcm-1 s-2 +101kPa =303kPa+101kPa =404kPa%2.5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iiXVVXVVPpPg63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL2 . 5L052. 0)O(1112TRVPMmMrV若混合气体体积为1.000L时，无机
12、化学无机化学 1.41.4真实气体真实气体1.4 真实气体1.4.1 1.4.1 真实气体与理想气体的偏差真实气体与理想气体的偏差1.4.2 Van der1.4.2 Van der Waals Waals 方程方程无机化学无机化学1.4 真实气体1.4.1 真实气体与理想气体的偏差 理想气体状态方程式仅在足够低压力下适合于真实气体。 产生偏差的主要原因是:气体分子本身的体积的影响分子间力的影响无机化学无机化学1.4 真实气体1.4.2 Van der Waals 方程nRTnbVVnap)(22a,b分别称为Van der waals常量。(V-nb)=Videal等于气体分子运动的自由空间
13、b为1mol气体分子自身的体积。 分子间吸引力正比与(n/V)2 内压力 p=a(n/V)2 pideal=preal+a(n/V)2真实气体压力测定值真实气体压力测定值气体10a(Pam6mol-2)104b(m3mol-1)He0.034570.2370H20.24760.2661Ar1.3630.3219O21.3780.3183N21.4080.3913CH42.2830.4278CO23.6400.4267HCl3.7160.4081NH34.2250.3707NO25.3540.4424H2O5.5360.3049C2H65.5620.6380SO26.8030.5636C2H5O
14、H12.180.8407某些气体的Van der Waals 常量例：例： 分别按理想气体状态方程式和Van der wa?ls方程式计算1.50mol SO2在30摄氏度占有20.0L体积时的压力，并比较两者的相对误差。如果体积减少为2.00L，其相对误差又如何？解：解：已知T=303K，V=20.0L，n=1.50mol，a=0.6803Pa m6 mol-2，=0.563610-4m3 mol-1189kPa20.0L303KmolK8.314J1.5mol111VnRTP%9 .18%1001059. 110)59. 189. 1 (kPa1059. 1 kPa1089. 1 L00.
15、 2 %61. 1%100186186189186kPa3.8kPa189.7kPa (20.0L)LkPa100.6803(1.5mol) 1.50molmol0.05636L20.0L303KmolK8.314J1.50mol 332213231221232111222PPPPPVPPPVannbVnRTP无机化学无机化学 * * 1.51.5气体混合物气体混合物1.5 大气化学1.5.1 大气层的分布大气层的分布1.5.2 大气中氮与氧的循环大气中氮与氧的循环1.5.3 臭氧耗损臭氧耗损1.5.4 温室效应温室效应1.5.5 酸雨酸雨1.5.6 光化学烟雾光化学烟雾无机化学无机化学1.5
16、 大气化学1.5.1 大气层的分布对流层：平流层 （同温层）散逸层：热电离层：无机化学无机化学1.5 大气化学 1.5.2 大气中氮与氧的循环氮的循环:氧的循环无机化学无机化学1.5 大气化学1.5.3 臭氧耗损 臭氧层处于平流层。O3的形成始于在240nm以下的太阳辐射下O2的光分解： O2 O + O反应活性很高的O原子与O2结合形成O3: OO2M O3M臭氧自身吸收200nm300nm的uv,而发生分解: O3 OO2UVUV无机化学无机化学1.5 大气化学臭氧耗损 在STP条件下,臭氧层厚度仅仅有3mm。本世纪七十年代中期科学家们已关切到某些氟氯烃对臭氧层的有害影响使用中的氟氯烃最终
17、大多逃逸到大气中，再扩散到平流层中，在175220nm波长的uv辐射下引起分解： CFCl3 CFCl2+Cl CF2Cl2 CF2Cl+Cl无机化学无机化学1.5 大气化学 臭氧耗损所形成的活泼的Cl原子再发生下列反应： Cl+O3 ClO+O2 ClO+O Cl+O2最终导致O3从平流层中被除去：关键是Cl原子对臭氧破坏的催化作用。1个Cl原子能破坏10万个O3分子。 1986年在南极上发现了臭氧洞。无机化学无机化学1.5 大气化学 在北极圈附近臭氧减少的情形不那么严重。在过去的十年里北极的臭氧减少了34%。1992年的测量揭示出在美国，加拿大和欧洲的最北部分的上空ClO的含量令人惊奇的高
18、。这暗示着北极将在近年内出现大的臭氧洞。臭氧耗损无机化学无机化学1.5 大气化学 大气中的CO2仅占0.33%左右，它是控制气候的关键角色。CO2对地球温度的影响常被称作温室效应。在全球生态系统中的循环（见图）1.5.4 温室效应全球生态系统中的循环无机化学无机化学1.5 大气化学温室效应 地球从太阳辐射1005000nm波长范围吸收能量。主要是400700nm范围内的可见光区。因为地球表面温度低，它所释放的热辐射是波长大于4000nm的红外辐射。这种IR辐射只能被水分子和二氧化碳所吸收。 自本世纪开始二氧化碳的浓度不断地升高。（见图） 自本世纪开始二氧化碳的浓度不断地升高。无机化学无机化学1
19、.5 大气化学 大气中CO2浓度增高主要源于矿物原料的燃烧，某些气象专家推测地球的平均温度将增加13。温室气体还包括氟氯烃，甲烷，一氧化氮，以及各种易挥发的有机化合物。各种温室气体对全球变暖的影响（见图）各种温室气体对全球变暖的影响无机化学无机化学1.5 大气化学1.5.5 光化学烟雾 光化学烟雾是在阳光作用下，汽车排放的气体发生反应而产生的。在高温下，汽车发电机中来自大气的氮与氧反应： N2 (g)+O2(g)2NO(g) NO进入空气后，很快被氧化为NO2 2NO(g)+O2(g) 2NO2 (g) 波长小于400nm的阳光能引起NO2的光化学分解： 2NO2 (g)+hv NO(g)+O
20、(g) O(g)+O2(g)+M O3 (g)+M无机化学无机化学1.5 大气化学 继而臭氧与未燃烧的烃和其他有机化合物反应生成过氧一酰硝酸脂（PAN）、醛等二次污染物。一次和二次污染物随着每时的时间变化而变化。 它们的存在总有烟雾相伴而生。这是由烃氧化能产生各种有机中间产物，其中一些不易挥发物（如醇，羧酸）最终凝聚成小液滴。这些滴状物分散空气中形成烟 雾，使阳光散射，降低了能见度。 光化学烟雾对眼睛，呼吸系统有明显的刺激作用，使农作物减产，引发橡胶的老 化，导致交通事故的增多。1.5.6 酸雨酸雨能腐蚀建筑和雕刻被称为石头“麻风”。无机化学无机化学1.5 大气化学酸雨 pH5.5的雨水称为酸雨。主要是二氧化碳和氮氧化物使雨水的酸性增强。SO2主要来源于：火山爆发，有色金属的冶炼，以及工业，发电厂，家庭中矿物燃料燃烧中产生的SO2。无机化学无机化学1.5 大气化学作业： p1920： 第10、14题
