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第 11 章 氣體

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第 11 章 氣體. 氣體的壓擠. 氣體分子不斷的在運動 當氣體因運動而敲擊或推擠表面 推擠 = 力 如果能量測在一瞬間由氣體壓擠全部表面所造成的總力 ， 則將知道氣體的壓力 ( pressure) 。 壓力 = 單位面積的力. 吸管與氣壓. 當吸管內氣體壓力低於空氣壓力時，管內液體被壓擠，使其液體高度高於管外。. 當吸管內外液體高度相同時，吸管內氣體壓力與管外空氣壓力相同。. 空氣壓力. 一切接觸空氣的事物 ， 都受到大氣壓力的影響 。 平均為 14.7 psi 與 10.3m 高水柱所呈現的壓力相同. 氣體性質. 擴展而完全充滿整個容器

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第 11 章 氣體

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  1. 第 11 章 氣體

  2. 氣體的壓擠 • 氣體分子不斷的在運動 • 當氣體因運動而敲擊或推擠表面 • 推擠 =力 • 如果能量測在一瞬間由氣體壓擠全部表面所造成的總力，則將知道氣體的壓力(pressure) 。 • 壓力 =單位面積的力

  3. 吸管與氣壓 當吸管內氣體壓力低於空氣壓力時，管內液體被壓擠，使其液體高度高於管外。 當吸管內外液體高度相同時，吸管內氣體壓力與管外空氣壓力相同。

  4. 空氣壓力 • 一切接觸空氣的事物，都受到大氣壓力的影響。 • 平均為14.7 psi • 與10.3m高水柱所呈現的壓力相同

  5. 氣體性質 • 擴展而完全充滿整個容器 • 具有容器的形狀 • 低密度 • 較固體或液體低很多 • 可壓縮 • 氣體混合經常是均相 • 流體

  6. 氣體動力論 • 氣體粒子(可為原子或分子)是持續運動 • 粒子間的引力可忽略 • 當運動粒子碰撞其他粒子或容器器壁時，並不會彼此黏住，而是彈跳出來在另一方向繼續運動。 • 像撞球

  7. 氣體動力論 • 氣體粒子間具有一些空隙 • 與氣體粒子大小相比 • 氣體粒子的平均動能正比於凱氏溫度 • 當氣體溫度升高，氣體粒子的平均速率增加。 • 氣體粒子是以不同速率在運動

  8. 氣體動力論 1.氣體是持續運動的碰撞粒子 2.氣體間沒有吸引或排斥的作用力，碰撞為完全彈性碰撞。 3.碰撞氣體間的距離遠大於氣體本身大小 4.溫度上升，促使氣體運動速率增加。

  9. 解釋氣體性質 • 因氣體粒子自由運動與擴展並充滿任意容器，因此氣體不具有固定形狀及體積。 • 因氣體粒子間有較大空隙，使氣體具壓縮性及低密度。

  10. 不定形狀與不定體積的性質 因為氣體粒子具有足夠動能可克服引力，使得氣體粒子能運動並擴展而充滿容器，導致容器內的氣體具有容器的形狀與體積。

  11. 可壓縮性質 在氣體結構中尚有一些未佔據的空間， 因此氣體可被壓擠的更靠近。

  12. 低密度性質 在氣體結構中尚有一些未佔據的空間， 因此氣體密度較低。

  13. 氣體壓力 • 氣體壓力取決於運動粒子數目與碰撞容器器壁的數目 • 幾個因素決定氣體壓力 • 在給予體積中的氣體粒子數目 • 容器體積 • 氣體粒子的平均速率

  14. 氣壓量測 • 使用氣壓計(barometer) • 由空氣壓力促成的水銀柱 • 盤中水銀表面空氣作用力與管柱水銀高度的重力是相同的

  15. 大氣壓力與高度 • 上升越高，週遭大氣壓力越小。 • 海平面的大氣壓力是14.7 psi，但是在10,000 ft 高空僅有10.0 psi。 • 當大氣壓力快速改變，使兩耳壓力不平衡造成耳部的疼痛。

  16. 耳壓不平衡 當耳膜兩側壓力嚴重不同時， 將造成耳膜刺穿，稱之為耳膜破裂(popped eardrum) 。

  17. 常用壓力單位

  18. 波以耳定律(Boyle’s Law) • 氣體壓力與其體積成反比 • 恆溫與定量氣體 • 畫出 P 對 V 是曲線 • 畫出 P 對 1/V 是直線 • 當 P 增加或V減少是具有相同效果 • P ×V = 常數 • P1× V1 = P2× V2

  19. 波以耳實驗 • 將水銀加進J型管並將空氣封存在管內 • 將管柱內空氣高度視為量測體積

  20. 當對氣體施壓加倍時氣體體積則減為一半 (此時溫度與氣體數量不變)

  21. 波以耳定律與潛水 • 因海水較空氣還要深，每潛水10 m ，肺所承受壓力增加1 atm。 • 在 20 m 深總壓力為3 atm • 在深水處，潛水氣瓶僅維持在1 atm，則將無法吸氣進入肺部。

  22. 波以耳定律與潛水 • 潛水氣瓶具有調解週遭水壓與氣瓶供氣給肺部壓力相同的調解閥 • 當潛水夫維持呼吸並快速爬升到週遭壓力降為1atm 的水面時，根據波以耳定律，肺部內空氣體體積將有何變化？

  23. 溫標 水沸點 100°C 373 K 212°F 冰熔點 0°C 273 K 32°F 水銀沸點 -38.9°C 234.1 K -38°F 氧氣沸點 -183°C 90 K -297°F 氦氣沸點 -269°C 4 K -452°F 絕對零度 -273°C 0 K -459 °F 攝氏 凱氏 華氏

  24. 標準狀態 • 一般做為比較的參考點 • 標準壓力 = 1.00 atm • 標準溫度 = 0°C • 273 K • STP：在標準溫度及標準壓力的狀態

  25. 體積與溫度 • 在剛性容器中，溫度增加則壓力增加。 • 在有活塞的圓筒中，內外壓力維持相同。 • 維持一定壓力下拉升活塞，將使圓筒內體積增加。 • 當體積增加則壓力降低

  26. 體積與溫度 汽球內的熱空氣較週遭的空氣的密度要低，而使汽球上升。

  27. 查理定律(Charles’ Law) • 氣體體積與溫度成正比 • 在固定 P 及定量氣體下 • 畫V 對 T 的關係圖成線性 • 當T 增加則V 也增加 • 凱氏溫度(T) = 攝氏溫度(t) + 273 • V = 常數× T • 以凱氏溫度量測

  28. 絕對零度 • 在氣體不具體積及沒有壓力時理論上的溫度 • 凱氏以延伸法計算出 • 0 K = -273.15 °C = -459 °F • 無法達到 • 雖然可以很接近 • 所有氣體定律中的溫度都以凱氏溫度表示

  29. 絕對零度判定 延伸體積與溫度的 直線關係，直至體積為零時，判定出理論溫度。

  30. 併合氣體定律(Combined Gas Law ) • 波以耳定律表示壓力與體積間的關係 • 在恆定溫度下 • 查理定律表示體積與絕對溫度間的關係 • 在恆定壓力下 • 將上述兩定律併合成當壓力與溫度改變時可預測氣體體積的定律

  31. 亞佛加厥定律(Avogadro’s Law) • 氣體體積與氣體莫耳數成正比 • V =常數× n • 在恆定 P 及 T 下 • 較多氣體莫耳數= 較大氣體體積 • 以莫耳計算氣體莫耳數(moles) • 相同氣體體積具相同氣體莫耳數

  32. 亞佛加厥定律

  33. 理想氣體定律(Ideal Gas Law) • 將氣體定律整合成一個方程式 • R稱為氣體常數(Gas Constant) • R 值取決於 P 及 V的單位 • 通常是 0.0821 其中 P 以 atm為單位，V以 L為單位。 • 探討單一氣體某一狀態時，使用理想氣體定律； 當氣體狀態改變時，則使用併合氣體定律。

  34. 單一氣體莫耳質量(Molar Mass) • 化學家將已知重量的樣本氣化後，量測所需溫度、壓力及氣化後體積，代入理想氣體定律，即可決定未知物質的莫耳質量。

  35. 理想氣體相較於真實氣體 ．真實氣體通常在高壓及低溫下不具有理想氣體的行為 ．理想氣體的假設 (1)氣體粒子間不具有引力 (2)氣體粒子不具有體積 • 以氣體動力論為基礎 ．在低溫及高壓下理想氣體的假設將不正確

  36. 理想氣體相較於真實氣體 粒子間具交互作用

  37. 混合氣體 • 根據氣體動力論(Kinetic Molecular Theory) ，氣體粒子的行為是獨立的。 • 空氣是混合物，但能以單一氣體處理之。 • 同時認為混合中的任一氣體與其他氣體是獨立的 • 混合氣體中的所有氣體具有相同的體積及相同的溫度 • 所有氣體皆佔據在容器內，且混合氣體中的所有氣體之體積為容器體積。

  38. 分壓(Partial Pressure) • 混合氣體中任何氣體所呈現的壓力與其他混合氣無關 • 混合氣體中的成份氣體壓力稱為分壓( partial pressure) • 所有混合氣體中成份氣體的分壓的總和等於總壓 • 道耳吞分壓定律(Dalton’s Law of Partial Pressures) • Ptotal = Pgas A + Pgas B + Pgas C +...

  39. 發現分壓 • 成份氣體的分壓等於混合氣體總壓乘於成份氣體的組成分率 • 以總壓為1atm其中80.0% He 及 20.0% Ne的混合氣體為例則He的分壓為： PHe = (0.800)(1.0 atm) = 0.80 atm • 組成分率 = 組成百分率除以100

  40. 登山與分壓 • 通常呼吸的氣體中氧氣分壓為0.21 atm • 氧氣分壓低於0.1 atm將導致高山症(hypoxia) • 神智不清甚至死亡 • 攀登喜馬拉亞山的登山者，要攜帶呼吸用的氧氣以避免高山症。 • 在喜馬拉亞山的頂峰Pair = 0.311 atm，因此 PO2 = 0.065 atm。

  41. 深海昏迷與分壓 • 也有可能因為O2濃度過高而造成氧氣中毒(oxygen toxicity) • PO2 > 1.4 atm • 氧氣中毒，將會導致肌肉抽蓄、視力模糊、痙攣 ；也可能因N2濃度過高，而造成氮氣昏迷 (nitrogen narcosis) 。 • 就像嚴重酒醉一般 • 當潛水很深時，潛水夫呼吸空氣的壓力增加使得氧氣的分壓增加。 • 55 m 深 O2的分壓是 1.4 atm • 潛水夫潛到深度超出50 m ，則使用O2百分比較一般空氣低稱為heliox的He 及 O2混合氣。

  42. 分壓與總壓的比較 在30 m深的海裡潛水夫，肺部裡的空氣總壓 是在一般空氣中分壓總和的四倍。

  43. 氣體收集 • 常以排水集氣法收集氣體 • 問題在於水的蒸發使收集的氣體中存在水蒸氣 • 水蒸氣的分壓稱為蒸氣壓(vapor pressure) ，僅與溫度有關。 • 可由查表方式得知所收集氣體中水蒸氣的分壓 • 所收集氣體的總壓在25°C 時是758 mmHg ，而水蒸氣的分壓為23.8 mmHg ，則所收集的乾燥氣體的分壓為734.2 mmHg。

  44. 水的蒸氣壓

  45. 金屬鋅(Zn)與HCl(aq) 反應產生H2(g) 經由導管將反應所產生的氣泡，導入集氣瓶中，並將其中的水置換出來。 . 因為水的蒸發，使有些水蒸氣混在收集的氫氣中。

  46. 化學反應中的氣體 • 在第8章化學反應的計量數基礎，能與化學反應中的氣體定律相結合。 • 反應中的氣體經常以體積表示氣體的數量 • 取代莫耳數 • 在理想氣體方程式中，將莫耳分率當成係數，則可將氣體體積換算成莫耳數。

  47. L∙atm mol∙K (1.00 atm) × V = (1.00 moles)(0.0821 )(273 K) 在標準狀態下計算理想氣體1mole的體積. P x V = n x R x T • 任何氣體在標準狀態下的體積是22.4 L • 此體積稱為莫耳體積(molar volume ) ，可視為轉換因子。 1 mol  22.4 L V = 22.4 L

  48. 莫耳體積(Molar Volume) 氣體分子間存在很大空間， 在理想狀態下 ，氣體分子大小並不會影響氣體體積。

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