教材第2章内容

25气体和分子阿佛伽德罗通过对气态物质的研究，把握了分子；分子量也是通过研究气体的共性获得的。可见研究气体对了解分子的行为有着极大的重要性。搞化学始终要同原子和分子打交道，这就有必要进一步谈一谈气体和分子的关系。气体是物质的一种物理状态。所谓物质的气、液、固“三态”，气态就是其中之一。不少单质和化合物在常温常压下是气体，如H2、N2、O3、O2、F2、Cl2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn等单质，以及列于表II-1的那些非金属氢化物、氧化物和卤化物在常温常压下都是气体。许多在常温常压下是液态或固态的物质，到了高温或低压条件下也会变成气体。水是典型的例子，常压下，水在室温时是液体，但到100C以上它就变成了气体。在气体状态，物质都分散为单个分子，它们能占满任意体积的容器。气体的体积比分子的体积要大得多。气体中分子间的距离很大，在高温低压条件下，可以认为分子间不存在任何相互作用。于是便能撇开各种气态物质的具体特性而去考察气体的共同性质。本章就来考察气体的共性。表II-1常温常压下的气态化合物无机化合物有机化合物氢化物氧化物氟化物烷烃烯烃炔烃卤代烃醚醛B2H6,(B4H10).SiH4.NH3;PH3;AsH3H2S;H2Se;H2Te.HF;HCl;HBr;HI.CO,CO2.N2O,NO,(NO2).SO2.Cl2O.BF3,B2F4.CF4,C2F4,SiF4NF3;PF3,PF5;AsF5.OF2;SF2,SF4,SF6;SeF6;TeF6.ClF,(ClF3);(BrF);IF7CH4C2H6C3H8C4H10C2H4C3H6C4H8C2H2C3H4(C4H6)CH3F;CH3Cl;CH3BrCH2F2(C2H5Cl)CHF3C2H5FC3H7FC4H9F(CH3)2OH2CO(CH3CHO)*()内为正常沸点在5－25oC范围内的化合物II-1气体的宏观性质26经验告诉我们，在一定温度和压强下，一定量气体常有一定的体积。温度(T)、压强(P)、体积(V)和化学量(n)就是气体的四大宏观性质，也是描述气体行为的四个最基本的物理量。温度、体积和物质的化学量已经在第一章讲过，这里只要介绍压强这个物理量就行了。压强符号：P单位SI制：帕斯卡(Pa)1Pa=1Nm-2=1kgm-1s-2其他：标准大气压(atm)1atm=101,325Pa乇(torr)1torr=(1/760)atm=133.322Pa毫米汞柱(mmHg)1mmHg=1torr=133.322Pa巴(bar)1bar=1×105Pa磅每平方英寸(psi，lbin-2)14.6960psi=14.6960lbin-2=1atm压强是垂直作用在单位面积物体上的力。若物体的表面积为S，力为F；压强P即为：P=FS。在SI制中，压强的单位是帕斯卡(Pa,为纪念法国物理学家B.Pascal而命名)。因为力的单位是牛顿(N)，面积的单位是平方米(m2)，所以Pa1=21m1N=12-2msmkg=21smkg1人们习惯于用托里析利(E.Torricelli)水银压力计(图II-1)测量大气的压强，这种压力计根据汞柱的重力与大气压力相平衡的原理设计，直接读汞柱的高度便知道大气压强的大小。0.76m汞高(0oC，=13.5951gcm-3)被定义为一个标准大气压。所以人们常用标准大气压作为气压的单位，符号：atm。因为0.76m3汞的质量为：m=V=13.5951gcm1kg10g10cm1m0.76m336333=10,332.3kg，图II-1气压计其重力为：F=mg=10,332.3kg9.80665ms-2=101,325kgms-2，27所以1标准大气压为：1atm=22m1smkg101,325=101,325kgm-1s-2=1.01325105Pa。由于1atm=760mmHg。若以毫米汞(乇,torr)作为气体压强的单位，可以给出另一个换算因子：1torr=1mmHg=atm1Pa101,325mHg0.76atm1mmHg10mHg1mmHg13=133.322Pa。气体的宏观状态自然科学中常把从整个宇宙中取出来作为研究对象的那一部分物质称为体系，而把体系以外的世界称为环境。当一个气体体系的温度、体积、压强和化学量都有确定的数值时，这个体系就处于确定的宏观状态。例如，在0C和1atm时，1mol气体的体积是22.415L，物理学中就把T=0C、P=1atm、n=1mol、V=22.415L称为气体的标准状态。若其中的一个性质变了，体系的宏观状态也随之改变。所以气体体系的宏观状态是由温度、压强、体积和物质的化学量四个宏观性质决定的，T、P、V和n就是气体体系的状态变量。气体的这些状态变量之间有一定的内在联系，用数学语言说：在四个状态变量之间存在着某种函数关系。描述这种函数关系的数学方程式称为气体状态方程式。气体状态方程具有怎样的数学形式？人们又是怎么知道的？下面就来谈这些问题。练习题1.按实际情况的不同，气体的压强常采用不同的单位。完成下列恒等式：(a)0.982bar=_______atm(b)150kPa=_______torr(c)10.7mmHg=_______atm。2.在下面所示的装置中，气体的压强各为若干mmHg？装置中的液体是汞。3.在化学手册中，70C时，水的饱和蒸气压为233.7mmHg。按SI制，该温度下水的饱和蒸气压应为若干Pa？4.若用密度为1.00gcm-3的水设计气压计，计算在与1.00atm的大气达平衡时的水柱的高度(以m为单位)。5.海洋生物用溶于海水中的碳酸钙形成骨骼和贝壳，当这些生物死亡时，它们的残躯就沉入海底。碳酸钙在海水中溶解的量，随压强的增大而增加。在海洋的深处，压强要超过414atm，在这样高的压强下，贝壳就重新溶解。假定海水的密度是1.00gcm-3，估算贝壳重新溶解之处，海洋的深度(以m为单位)。6.若你的身体宽50cm，厚25cm。若大气压强为745mmHg，在你身体上方要支撑多少公斤的空气？7.在STP时空气的平均密度为1.3gL-1，假若整个大气层是均匀的，计算地面大气压强为745mmHg时，大气层的厚度(以m为单位)。II-2气体定律关于气体的四个状态变量之间的内在联系是人们在实践中逐步了解的，起初是几条互不相关的经验定律。阿佛伽德罗定律在断言等温等压下等体积任何气体所含的分子数相等的同时，阿佛伽德罗指出：在温度和压强28不变的条件下，气体的体积正比于它们的分子数。这就是阿佛伽德罗定律的原始形式。当气体的分子数采用摩尔作单位时，阿佛伽德罗定律就可以表述为：等温等压下，气体的体积和它的化学量成正比。其数学形式为：V=K(P,T)nK(P,T)是一个比例常数。温度和压强不变时，K(P,T)是定值；温度和压强变了，K(P,T)是要变的。波义耳定律1660年，英国物理学家和化学家波义耳(R.Boyle)用图II-2所示的一根一端封口的U形玻璃管考察了一定量气体样品在一定温度下的体积和压强关系。波义耳发现，如果从U形管开口一端注入的水银愈多，封在另一端的气体样品的体积就愈小。因为气体的压强是U形管两臂的水银面差和大气压强之和，测定不同压强时气体样品的体积，波义耳获得了列于表II-2的实验数据，气体的体积和压强的乘积近乎等于常数。由此波义耳得出结论：一定温度下，一定量气体的体积与压强成反比。这就是波义耳定律，其数学形式为：PV=K(n,T)或V=K(n,T)1P，波义耳其中K(n,T)是一个与气体的化学量和温度有关的比例常数。波义耳定律还可以用图解法表示为图II3所示的三种形式：1.以体积对压强直接作图，得图II3a所示的双曲线。这类曲线只和温度有关，称为气体的等温线。用这类图形难以判断气体对波义耳定律服从到何种程度。2.以体积对压强的倒数作图，得图II3b所示的通过原点、斜率为K(n,T)的直线。这类直线直观地反映气体体积对压强的反比关系。一旦气体的行为违背波义耳定律，直线可能弯曲。3.以压强和体积的乘积对压强作图，得图II3c所示的水平直线。一旦气体的行为违背波义耳定律，图形就不再是水平直线。图II-2波义耳实验29表II-2空气压缩时的波义耳数据(in=英寸)3inVHginPHgininVP3总汞P大气P总P38.040.032.024.020.016.012.00.06.215.129.741.658.188.429.129.129.129.129.129.129.129.135.344.258.870.787.2117.514.010214.110214.110214.110214.110214.010214.1102图II3波义耳定律的图解表示在任何特定的压强P下，阿佛伽德罗定律都可以写成如下的形式：V=K’(T)×n其中K’(T)是一个只和温度有关的比例常数，然后在上式二侧都乘以特定的压强P，给出的是如下所示的关系式：PV=PK’(T)×n。从这个关系式看，尽管在不同压强下，K’(T)的值是不一样的，但是在和压强P相乘以后，它们的乘积就必须同时服从波义耳定律：PV=PK’(T)×n=K(n,T)。由于K(n,T)是一个跟n和T有关的常数，当气体的化学量n确定不变时，PK’(T)就只可能是一个跟温度有关的常数K(T)。所以把阿佛伽德罗定律和波义耳定律联系起来，便给出了波义耳定律的另一种表达方式：PV=nK(T)；若令Vm=V/n为气体的摩尔体积，可以同时给出1mol气体的波义耳定律为：PVm=PV/n=K(T)，在标准温度压强STP(T=273.15K,P=1.00atm)下，气体的摩尔体积是22.415Lmol-1；所以当温度为T=273.15K时，K(T)的数值和单位是：K(T)=1.00atm22.415Lmol-1=22.415atmLmol-1。后来发现，波义耳定律并不是对气体体积-压强关系的严格描述。如果用更精确的实验数据作图，所得的PV-P图，不再是一条斜率为零的水平直线。图II-4是273.15K时Ne、O2和CO2三种气体在压强为01atm范围内的PVmP图。由图可见，在这样的温度和压强范围内，三种气体的PVm和P之间近似地呈下式所示的直线关系：PVm=K(T)+P其中是直线的斜率，因气体不同而不同；K(T)是截距，所有气体的K(T)值都是22.415atmLmol-1。上面的事实表明：只有在压强接近于零的理想条件下，即P值很小时，PVmK(T)，气体的行为才接近波义耳定律；压强大了，P值也大，气体行为就偏离波义耳定律。于是，人们就把绝对服从波义耳定律的气体称为理想气体，而任何实际气体只有在30图II-4Ne、O2和CO2的PVm-P图PK(T)或PK(T)/，即压强接近于零的条件下，才接近理想行为。波义耳定律常用于处理气体问题。但是波义耳定律只适用于描述理想气体的行为，而理想气体是一种虚拟的气体。因此用波义耳定律处理实际气体问题，计算结果就不会严格正确。然而经验告诉我们：在常温常压下，还是可以用波义耳定律对某些气体的实际行为作近似计算。图II-4所示的三种气体在1atm时的PVm值对22.415atmLmol-1的偏差分别为：Ne+0.08%，O20.07%，CO20.65%。偏差都不超过1%，在要求不十分严格的情况下，计算结果基本有效。查理－盖·吕萨克定律查理1787年，法国的热气球爱好者查理(J.Charles)首先发现如果温度增加的刻度相同，气体膨胀的体积也相等。这就是说，如果拿气体的温度对体积作图，二者成直线关系。但是查理没有公布他的研究结果。十五年后，盖·吕萨克重复了查理的实验，并在一定压强下比较精确地测定了一定量干燥空气在不同温度时的体积，确定了温度改变时，气体的膨胀系数。在一定压强下，测量一定量空气在0100oC范围内的体积，可以获得如下所列的一组数据：tc(oC)0.020.040.060.080.0100.0V(mL)153.1164.2175