2021年化学竞赛气体.doc

高中化学奥林匹克竞赛讲座第1讲 气 体【竞赛规定】气体抱负气体原则状态抱负气体状态方程气体密度分压定律气体相对分子质量测定原理知识梳理】一、气体气体、液体和固体是物质存在三种状态气体研究对化学学科发展起过重大作用气体与液体、固体相比较，具备两个明显特点1、扩散性当把一定量气体充入真空容器时，它会迅速布满整个容器空间，并且均匀分布，少量气体可以布满很大容器，不同种气体可以以任意比例均匀混合2、可压缩性当对气体加压时，气体体积缩小，本来占有体积较大气体，可以压缩到体积较小容器中二、抱负气体如果有这样一种气体：它分子只有位置而无体积，且分子之间没有作用力，这种气体称之为抱负气体固然它在实际中是不存在实际气体分子自身占有一定体积，分子之间也有吸引力但在低压和高温条件下，气体分子自身所占体积和分子间吸引力均可以忽视，此时实际气体即可看作抱负气体三、抱负气体定律1、抱负气体状态方程将在高温低压下得到波义耳定律、查理定理和阿佛加德罗定律合并，便可构成一种方程：pV= nRT （1-1）这就是抱负气体状态方程。

式中p是气体压力，V是气体体积，n是气体物质量，T是气体绝对温度（热力学温度，即摄氏度数+273），R是气体通用常数在国际单位制中，它们关系如下表：表1-1 R单位和值pVnTR国际单位制Pam3molK8.314或kPadm3molK8.314（1-1）式也可以变换成下列形式：pV= RT （1-2）p = · = 则： = （1-3）式中m为气体质量，M为气体摩尔质量，为气体密度对于一定量（n一定）同一气体在不同条件下，则有： = （1-4）如果在某些特定条件下，将（1-1）、（1-2）和（1-3）式同步应用于两种不同气体时，又可以得出某些特殊应用如将（1-1）式n =，在等温、等压、等容时应用于各种气体，则可以阐明阿佛加德罗定律由于物质量相等气体，具有相等分子数若将（1-2）式 = 在等温、等压和等容时应用于两种气体，则得出： = （1-5）如果将（1-3）式= ，在等温等压下应用于两种气体，则有： = （1-6）若令 = D ，D为第一种气体对第二种气体得相对密度，则有：D = 或 M1 = DM2 （1-7）已知M = 2g·mol，= 29g·mol 则 M1 = 2 D 或 M1 = 29DD为某气体相对H2密度，D为某气体相对空气密度。

2、气体分压定律和分体积定律（1）气体分压定律当研究对象不是纯气体，而是多组分混合气体时，由于气体具备均匀扩散而占有容器所有空间特点，无论是对混合气，还是混合气中每一组分，均可按照抱负气体状态方程式进行计算当一种体积为V容器，盛有A、B、C三种气体，其物质量分别为nA、nB、nC，每种气体具备分压分别是pA、pB、pC，则混合气总物质量为：n= nA + nB + nC （1-8）混合气总压为：p = pA + pB + pC （1-9）在一定温度下，混合气体总压力等于各组分气体分压力之和这就是道尔顿分压定律计算混合气各组分分压有两种办法①依照抱负气态方程计算在一定体积容器中混合气体pV = nRT ，混合气中各组分分压，就是该组分单独占据总体积时所产生压力，其分压数值也可以依照抱负气态方程式求出：pAV = nART （1-10）pBV = nBRT （1-11）pCV = nCRT （1-12）②依照摩尔分数计算：摩尔分数（XA）为混合气中某组分A物质量与混合气总物质量之比： XA = （1-13）混合气体中某组分分压等于总压与摩尔分数乘积：pA = pXA （1-14）（2）气体分体积定律在相似温度和压强下，混合气总体积（V）等于构成混合气各组分分体积之和：V = VA +VB + VC （1-15）这个定律叫气体分体积定律。

依照混合物中各组分摩尔分数等于体积分数，可以计算出混合气中各组分分体积：据 = 得 VA = V （1-16）四、实际气体状态方程抱负气体定律是从实验中总结出来，并得到了理论上解释但应用实际气体时，它只有一定合用范畴（高温低压），超过这个范畴就有偏差，必要加以修正对于实际气体实验值与抱负值偏差，咱们惯用压缩系数Z来表达：Z = 其中p、、T都是实验值若气体完全抱负，则Z = 1，否则Z＞1或Z＜1浮现这种偏差，是由于实际气体分子自身体积不容忽视，那么实测体积总是不不大于抱负状态体积（即V = V – b）；事实上分子之间也不也许没有吸引力（内聚力P），这种吸引力使气体对器壁碰撞产生压力减小，使实测压力要比抱负状态压力小（即p = p + p），因此Z＜1事实上以上两种因素同步存在，前者起主导作用时，Z＞1，后者起主导作用时，Z＜1，若两种因素正好相称，则Z = 1（CO2在40℃和52 MPa时）将以上修正项代入抱负气体状态方程，即得：(p + p)(– b) = RTp既与容器内部得分子数目成正比，又与近壁分子数目成正比。

这两种分子数目又都与气体密度成正比，因此p2而，因此p()2 或 p = 则 （p +）（– b） = RT对于n摩尔气体来说，则， （p + ）（V – nb）= nRT （1-17）注意，上式中p、V、T都是实测值；a和b都是气体种类关于特性常数，统称为范德华常数1-17）式称为范德华方程它是从事化工设计必不可少根据五、气体相对分子质量测定原理1、气体相对分子质量测定由（1-3）式： = ，可以变换成如下形式：M = （1-18）可见，在一定温度和压强下，只要测出某气体密度，就可以拟定它相对分子质量2、气体精准相对分子质量测定依照M = RT，抱负气体在恒温下/p值应当是一种常数，但实际状况不是这样如：在273 K时测得CH3F蒸气在不同压力下值及/p值如下表：p/Pa/(g·m-3)/(p·10-2)1.013×1051.5454×1031.52556.753×1051.0241×1031.52123.375×1040.5091×1031.50840.3366 0.6733 1.0101.531.521.511.501.49p/(105Pa)/(p·10-2)（图1-1）CH3F-p图从表中数据可以看到，压力越大，/p越大，不是常数。

由于压力越大，气体分子间吸引力越大 ，分子自身体积也不能忽视，因而就不能用抱负气体状态方程来描述了，因此对于实际气体/p不是一种常数以/p对作图（图1-1）如果将直线内推到p = 0时，则CH3F这一实际气体已接近抱负气体，因此从图上所得(/p) = 1.50×10-2是符合抱负气体状态方程若将(/p) 之值代入抱负气体状态方程M = RT，即可求得CH3F精准分子量这种求气体分子量办法，叫极限密度法M = （）RT = 1.50×10-2g·dm-3·k Pa-1×8.314 k Pa·dm3·mol-1·K-1×273.16K = 34.05 g·mol-1故CH3F分子量为34.02按相对原子质量计算：M = 12.011 + 3×1.0079 + 18.9984 = 34.033两者成果非常接近典型例题】例1、300K、3.30×105 Pa时，一气筒具有480g氧气，若此筒被加热到373K，然后启开活门（温度保持373K）始终到气体压强减少到1.01×105 Pa时，问共放出多少重氧气？分析：由于pV =nRT，n = ；因此pV = RT，由此式求出气筒体积然后再依照气态方程式求出压强降到1.01×105 Pa，气筒内剩余氧气质量m。

最后算出放出氧气质量解：pV = RT则气筒体积：V = = = 0.123 m3再依照方程式求压强减少到1.01×105 Pa时，气筒内剩余氧气质量mm = = = 128 g因而放出氧气质量m= 480-128 = 352 g例2、设有一真空箱子，在288 K时，1.01×105 Pa压力下，称量为153.679 g，假若在同温同压下，布满氯气后为156.844 g；布满氧气后为155.108 g，求氯气分子量分析：M=32.00g·mol-1，若将pV= RT 式先用于氧气 ，求出箱子体积V，再将 pV= RT式用于氯气，求出M，这固然是可行但运算繁杂，既费时又易出错由题意可知，这事实上是在等温、等压和等容条件下，pV= RT式两次应用因此可以直接用 = 式，则简便得多解：M= 155.108g － 153.679g = 1.429g M= 156.844g － 153.679g =3.165g∴ M= = = 70.87g·mol-1故氯气分子量为70.87例3、某砷氧化物化学式为As2O3，加热升温气化，实验测得在101 k Pa和844 K时，其蒸气密度为5.70 g/L。

计算：该氧化物相对分子质量，并求其分子式分析：根据题目给出一定温度和压强下气体密度，可以算出气体相对分子质量由pV= nRT 可得 M = 由于 = ， 因此 M = 依照化学式As2O3可以算出式量，用相。