北京市一零一中學高中化學競賽氣體

1、第1講 氣 體【競賽要求】氣體。理想氣體標準狀態(tài)。理想氣體狀態(tài)方程。氣體密度。分壓定律。氣體相對分子質量測定原理。【知識梳理】一、氣體 氣體、液體和固體是物質存在的三種狀態(tài)。氣體的研究對化學學科的發(fā)展起過重大作用。氣體與液體、固體相比較，具有兩個明顯特點。1、擴散性 當把一定量的氣體充入真空容器時，它會迅速充滿整個容器空間，而且均勻分布，少量氣體可以充滿很大的容器，不同種的氣體可以以任意比例均勻混合。2、可壓縮性當對氣體加壓時，氣體體積縮小，原來占有體積較大的氣體，可以壓縮到體積較小的容器中。二、理想氣體如果有這樣一種氣體：它的分子只有位置而無體積，且分子之間沒有作用力，這種氣體稱之為理想氣體

2、。當然它在實際中是不存在的。實際氣體分子本身占有一定的體積，分子之間也有吸引力。但在低壓和高溫條件下，氣體分子本身所占的體積和分子間的吸引力均可以忽略，此時的實際氣體即可看作理想氣體。三、理想氣體定律1、理想氣體狀態(tài)方程將在高溫低壓下得到的波義耳定律、查理定理和阿佛加德羅定律合并，便可組成一個方程：pV= nRT （1-1） 這就是理想氣體狀態(tài)方程。式中p是氣體壓力，V是氣體體積，n是氣體物質的量，T是氣體的絕對溫度（熱力學溫度，即攝氏度數+273），R是氣體通用常數。在國際單位制中，它們的關系如下表：表1-1 R的單位和值pVnTR國際單位制Pam3molK或kPadm3molK（1-1）式

3、也可以變換成下列形式：pV= RT （1-2）p = · = 則： = （1-3）式中m為氣體的質量，M為氣體的摩爾質量，為氣體的密度。對于一定量（n一定）的同一氣體在不同條件下，則有： = （1-4）如果在某些特定條件下，將（1-1）、（1-2）和（1-3）式同時應用于兩種不同的氣體時，又可以得出一些特殊的應用。如將（1-1）式n =，在等溫、等壓、等容時應用于各種氣體，則可以說明阿佛加德羅定律。因為物質的量相等的氣體，含有相等的分子數。若將（1-2）式 = 在等溫、等壓和等容時應用于兩種氣體，則得出： = （1-5）如果將（1-3）式= ，在等溫等壓下應用于兩種氣體，則有： =

4、（1-6）若令 = D ，D為第一種氣體對第二種氣體得相對密度，則有：D = 或 M1 = DM2 （1-7）已知M = 2g·mol，= 29g·mol則 M1=2 D 或 M1= 29DD為某氣體相對H2的密度，D為某氣體相對空氣的密度。2、氣體分壓定律和分體積定律（1）氣體分壓定律當研究對象不是純氣體，而是多組分的混合氣體時，由于氣體具有均勻擴散而占有容器全部空間的特點，無論是對混合氣，還是混合氣中的每一組分，均可按照理想氣體狀態(tài)方程式進行計算。當一個體積為V的容器，盛有A、B、C三種氣體，其物質的量分別為nA、nB、nC，每種氣體具有的分壓分別是pA、pB、pC，則

5、混合氣的總物質的量為： n= nA + nB + nC （1-8）混合氣的總壓為： p = pA + pB + pC （1-9）在一定溫度下，混合氣體的總壓力等于各組分氣體的分壓力之和。這就是道爾頓分壓定律。計算混合氣各組分的分壓有兩種方法。根據理想氣態(tài)方程計算在一定體積的容器中的混合氣體pV = nRT ，混合氣中各組分的分壓，就是該組分單獨占據總體積時所產生的壓力，其分壓數值也可以根據理想氣態(tài)方程式求出：pAV = nART （1-10） pBV = nBRT （1-11） pCV = nCRT （1-12）根據摩爾分數計算：摩爾分數（XA）為混合氣中某組分A的物質的量與混合氣的總的物質的

6、量之比： XA = （1-13）混合氣體中某組分的分壓等于總壓與摩爾分數的乘積： pA = pXA （1-14）（2）氣體分體積定律在相同的溫度和壓強下，混合氣的總體積（V）等于組成混合氣的各組分的分體積之和：V = VA +VB + VC （1-15）這個定律叫氣體分體積定律。根據混合物中各組分的摩爾分數等于體積分數，可以計算出混合氣中各組分的分體積：據 = 得 VA = V （1-16）四、實際氣體狀態(tài)方程理想氣體定律是從實驗中總結出來的，并得到了理論上的解釋。但應用實際氣體時，它只有一定的適用范圍（高溫低壓），超出這個范圍就有偏差，必須加以修正。對于實際氣體的實驗值與理想值的偏差，我們常

7、用壓縮系數Z來表示：Z = 其中p、T都是實驗值。若氣體完全理想，則Z = 1，否則Z1或Z1。出現(xiàn)這種偏差，是由于實際氣體分子本身的體積不容忽視，那么實測體積總是大于理想狀態(tài)體積（即V = Vb）；實際上分子之間也不可能沒有吸引力（內聚力P），這種吸引力使氣體對器壁碰撞產生的壓力減小，使實測壓力要比理想狀態(tài)壓力?。磒 = p + p），所以Z1。實際上以上兩種因素同時存在，前者起主導作用時，Z1，后者起主導作用時，Z1，若兩種因素恰好相當，則Z = 1（CO2在40和52 MPa時）。將以上修正項代入理想氣體狀態(tài)方程，即得： (p + p)(b) = RTp既與容器內部得分子數目成正比，又

8、與近壁分子數目成正比。這兩種分子數目又都與氣體的密度成正比，所以 p2而，所以 p()2 或 p = 則 （p +）（b） = RT對于n摩爾氣體來說，則， （p + ）（Vnb）= nRT （1-17）注意，上式中p、V、T都是實測值；a和b都是氣體種類有關的特性常數，統(tǒng)稱為范德華常數。（1-17）式稱為范德華方程。它是從事化工設計必不可少的依據。五、氣體相對分子質量測定原理1、氣體相對分子質量測定由（1-3）式： = ，可以變換成以下形式：M = （1-18）可見，在一定溫度和壓強下，只要測出某氣體的密度，就可以確定它的相對分子質量。2、氣體精確相對分子質量測定根據M = RT，理想氣體在

9、恒溫下的/p值應該是一個常數，但實際情況不是這樣。如：在273 K時測得CH3F蒸氣在不同壓力下的值及/p值如下表：p/Pa/(g·m-3)/(p·10-2)×105×103×105×103×104×103從表中數據可以看到，壓力越大，/p越大，不是常數。因為壓力越大，氣體分子間的吸引力越大 ，分子本身的體積也不能忽略，因而就不能用理想氣體狀態(tài)方程來描述了，所以對于實際氣體/p不是一個常數。以/p對作圖（圖1-1）如果將直線內推到p = 0時，則CH3F這一實際氣體已接近理想氣體，所以從圖上所得的(/p)0

10、5;10-2是符合理想氣體狀態(tài)方程的。若將(/p) 之值代入理想氣體狀態(tài)方程M = RT，即可求得CH3F的精確分子量。這種求氣體分子量的方法，叫極限密度法。 M = （）RT = 0×10-2g·dm-3·k Pa-1×8.314 k Pa·dm3·mol-1·K-1×273.16K = 34.05 g·mol-1故CH3F的分子量為34.02。按相對原子質量計算：M = 12.011 + 3×兩者結果非常接近?！镜湫屠}】×105×105 Pa時，問共放出多少重的氧氣？分

11、析：因為pV =nRT，n = ；所以pV = RT，由此式求出氣筒的體積。×105 Pa，氣筒內剩余氧氣的質量m。最后算出放出氧氣的質量。解：pV = RT則氣筒的體積：V = = = 0.123 m3×105 Pa時，氣筒內剩余氧氣的質量mm= = = 128 g因此放出氧氣的質量m= 480-128 = 352g×105 Pa的壓力下，稱量為153.679 g，假若在同溫同壓下，充滿氯氣后為156.844 g；充滿氧氣后為155.108 g，求氯氣的分子量。分析：M·mol-1，若將pV= RT 式先用于氧氣 ，求出箱子的體積V，再將 pV= RT

12、式用于氯氣，求出M，這當然是可行的。但運算繁雜，既費時又易出錯。由題意可知，這實際上是在等溫、等壓和等容條件下，pV= RT式的兩次應用。所以可以直接用 = 式，則簡便得多。解：MMM= = ·mol-1故氯氣的分子量為70.87。例3、某砷的氧化物化學式為As2O3，加熱升溫氣化，實驗測得在101 k Pa和844 K時，其蒸氣密度為5.70 g/L。計算：該氧化物的相對分子質量，并求其分子式。分析：依據題目給出的一定溫度和壓強下的氣體密度，可以算出氣體的相對分子質量。由pV= nRT 可得 M = 因為 = ， 所以 M = 根據化學式As2O3可以算出式量，用相對分子質量除以式

13、量，即可確定氣態(tài)氧化物的分子式。解：氣態(tài)氧化物的相對分子質量（M）為：M = = = 396 As2O3的式量為：75×2+16×3 =198所以，在氣態(tài)時這種砷的氧化物的分子式是As4O6 。例4、在298K，101000 Pa時，用排水集氣法收集氫氣，收集到335 mL。已知298K時水的飽和蒸氣壓為3200 Pa，計算：（1）氫氣的分壓是多少？ （2）收集的氫氣的物質的量為多少？（3）這些氫氣干燥后的體積是多少（干燥后氣體溫度，壓強視為不變）？分析：用排水集氣法收集的氫氣，實際上是氫氣和水蒸氣的混合氣。可由氣體分壓定律：p = p + p ，計算得氫氣的分壓。再利用理

14、想氣體氣態(tài)方程式：pV = nRT求出氫氣的物質的量n ，根據p = p· 算出V 。解：（1）混合氣中氫氣的分壓p為：p = p p= 101000 Pa 3200 Pa = 97800 Pa（2）所得氫氣的物質的量n (H2)n = = = 0.0140 mol注意：R(Pa·m3·mol-1·K-1) ，V必須用m3作單位，355 mL一定要換算成355×10-6 m3。（3）所得干燥氫氣得體積V為：V= V× = 355 mL× = 344mL【知能訓練】×104 Pa，計算氯化汞的摩爾質量。×1

15、05×105 Pa的氧氣，A、B兩容器間由活塞連接，當打開活塞兩氣體均勻混合后，在溫度不變時計算氮氣、氧氣的分壓。×105 Pa時，吸入的空氣體積分數約為：N2 79 %；O2 21.0 %。而呼出的氣體體積分數:約為：N2 75.1 %；O2 15.2 %；CO2 3.80 %；H2O%。（1）試計算呼出氣體的平均摩爾質量及CO2的分壓；（2）用計算結果說明呼出的空氣比吸入的空氣的密度是大還是小。4、相對濕度的定義為：在某一溫度時，空氣中水蒸氣的分壓與同溫度應有的飽和水蒸氣壓之比。試計算：（1）303 K，相對濕度為100 % 時1 L空氣中含水汽之質量；（2）323 K

16、，相對濕度為80 % 時1 L空氣中含水汽之質量。（已知：水的飽和蒸氣壓：303 K 4239.6 Pa，323K 12332.3 Pa）×105 Pa時，加熱一敞口細頸瓶到500 K，然后封閉其細頸口，并冷至原來的溫度，求此時瓶內的壓強。6、在1.32 L容器中充入1 mol CO2氣體，加熱至321 K，分別用理想氣態(tài)方程式和范德華方程計算氣體的壓強。（CO2的范德華常數：a ×10-1 m6·Pa·mol-2，b ×10-5 m3·mol-1）×105 Pa下，將1.0 dm3潔凈干燥的空氣緩慢通過CH3OCH3液體，

17、在此過程中，液體損失0.0335 g，求此液體273 K時的飽和蒸氣壓。8、在273K時，O2在不同壓強下的p值如下表：p/105Pap/105Pa·dm3·mol-1用作圖外推法（將p對p作圖）求在標準狀況時O2的摩爾體積。9、某實驗測出人類呼吸中各種氣體的分壓/Pa如下表所示：氣體吸入氣體呼出氣體792747584821328154634037326676265（1）請將各種氣體的分子式填入上表。（2）指出表中第一種和第二種呼出氣體的分壓小于吸入氣體分壓的主要原因。×105 Pa、546K下（此時氯化鋁也為氣體）測得氣體總體積為11.2L。試通過計算寫出氣態(tài)氯

18、化鋁的分子式。11、溫度為0時，三甲胺的密度是壓力的函數，有人測得了如下數據：patmdg·L10.533 61.636 32.205 4試根據以上數據，計算三甲胺的分子量。12、兩個體積相等的玻璃球，中間用細管連通（其體積不計），開始時兩球溫度均為300K，共含0.7mol H2×P0（P0為標準壓力，其值為101.325KPa，1Kp103Pa）。若將（甲）球放入400K油浴中，而（乙）球仍為300K。求兩球內的壓強和H2的物質的量。13、在科學院出版物化學指南里有下列一些物質飽和蒸氣壓的數據：物質溫度蒸氣壓mmHg柱密度g/L苯 C6H6760甲醇CH3OH400醋酸

19、CH3COOH20醋酸CH3COOH760根據所列數字計算蒸氣的摩爾質量（假設蒸氣中的分子類似理想氣體分子）如何解釋相對質量的理論值與所得計算值之間的偏差？對此給出定性的并盡可能定量的解釋。14、某溫、某壓下取三份等體積無色氣體A，于25、80及90測得其摩爾質量分別為58.0、20.6、20.0g/mol。于25、80、90下各取11dm3（氣體壓力相同）上述無色氣體分別溶于10dm3水中，形成的溶液均顯酸性。（1）無色氣體為； （2）各溫度下摩爾質量不同的可能原因是： （3）若三份溶液的體積相同（設：溶解后溶液溫度也相同），其摩爾濃度的比值是多少？15、測定相對分子質量的一個實驗步驟為（其

20、裝置如右圖所示）：取一干燥的250mL圓底燒瓶、封口用鋁箔和棉線一起稱量（稱準到0.1g），得m1），用鋁箔和棉線封口并在鋁箔上穿一小孔。把燒瓶迅速浸入盛于大燒杯內的沸水中，繼續(xù)保持（水的）沸騰。待四氯化碳全部汽化后，從水中取出燒瓶冷卻。擦干燒瓶外的水后稱量（準確到0.1g），得m2。倒出瓶內的液態(tài)四氯化碳，充滿水，量體積（室溫時水的密度大約1g/cm3）。按理想氣體公式pVmRT/M求四氯化碳的相對分子質量（M）。式中p為壓強（Pa），V為體積（L），m為四氯化碳的質量（g），R·mol，T為絕對溫度。請考慮并回答以下幾個問題：（1）把燒杯放入沸水中，為什么要保持沸騰？（2）如果在

21、鋁箔上開的孔較大，又在瓶內液態(tài)四氯化碳揮發(fā)完后過了一段時間才從熱水中取出燒瓶，其他操作均正常。按以上不正確操作所得的實驗數據求四氯化碳的相對分子質量將偏大還是偏??？（3）用水充滿燒瓶再量其體積，實驗前忘了倒出原先在瓶內的液態(tài)四氯化碳，是否會對實驗結果造成影響？（4）把燒瓶放入沸水，要盡可能沒入。事實上用這個裝置求相對分子質量時很難做到將燒瓶完全沒入水中，而總有部分露在水面上（見圖），這是否會對實驗結果造成影響？參考答案：1、pV= nRTn = 所以pV= RTM = 代入計算得 M = 274（g·mol-1）2、p×105 Pa××105 Pa p&

22、#215;105 Pa××105 Pa3、（1）·mol-1×·mol-1×15.2 %×·mol-1×3.8 % + 18.0 g·mol-1×%·mol-1 p= 1.01 Pa×105××103 Pa（2）（吸）= 28.0 g·mol-1×79 % +32.0 g·mol-1×·mol-）因為（呼）（吸）所以呼出的空氣比吸入的空氣的密度小。4、（1）303 K空氣中水汽的分壓為：×100% = 100%p= 4239.6 Pa 代入m = 得 m = 0.03 g（2）同理 m = 0.07 g×104×106×103 Pa8、將P對p作圖得