Gazy. - Uniformly fills any container - Mixes completely with any other gas - Exerts pressure on its surroundings

Transkrypt

1 Gazy - Uniformly fills any container - Mixes completely with any other gas - Exerts pressure on its surroundings

2 Ciśnienie p = F S 1 atm = Pa 1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr N 2 m = kg m 2 s 2 m = 2 s kg m = Pa 05_48 Atmospheric pressure (P atm ) Atmospheric pressure (P atm ) A Schemat prostego manometru. Pomiar ciśnienia gazu w bańce (mm Hg = Torr) a) ciśnienie gazu = ciśnienie atmosferyczne h, b) ciśnienie gazu = ciśnienie atmosferyczne + h Gas pressure (P gas ) less than atmospheric pressure h Gas pressure (P gas ) greater than atmospheric pressure (P gas ) = (P atm ) - h (P gas ) = (P atm ) + h (a) (b) h

3 Jakie są właściwości gazów? Wyniki doświadczeń

4 Film1_zależność p od V.MOV Prawo Boyle a Doświadczenie temperatura stała 05_1541 P ext P (in Hg) P P V V(in 3 ) slope = k /P (in Hg) P ext 2V Volum e is decreased a) Objętość się podwaja jeżeli ciśnienie spada dwukrotnie b) Wykres V od 1/p daje linię prostą, z nachylenia której można wyznaczyć stałą k

5 Prawo Boyle a * Synteza informacji ciśnienie objętość = constant (T = constant) V = k/p (T = constant) p 1 V 1 = p 2 V 2 (T = constant) * stosuje się do niskich ciśnień

6 Film2 - zależność p od T.MOV Prawo Charlesa 05_53 6 He Doświadczenie 5 4 CH 4 V(L) 3 H 2 O 2 1 H 2 N 2 O 05_1543 P ext T 1 T ºC T(ºC) P ext Energy (heat) added V 1 V 2 Wyniki eksperymentów pokazują, że zależność V od T jest prostoliniowa. Linie ciągłe odpowiadają wynikom eksperymentów, linie przerywane są ekstrapolacją wyników do obszarów gdzie gazy skraplają się a następnie zestalają.

7 Prawo Charlesa Synteza informacji Objętość gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury V = b T V T 1 1 = V T 2 2 dla p = const

8 Prawo Avogadry dla gazu w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem objętość jest wprost proporcjonalna do liczby moli gazu (niskie ciśnienia). V = a n a = stała proporcjonalności V = objętość gazu n = liczba moli

9 Prawo Daltona ciśnienia parcjalne Dla mieszaniny gazów: p total = p 1 + p 2 + p

10 Jak uogólnić wyniki doświadczeń? Równanie stanu gazu doskonałego prawo co się dzieje? model dlaczego tak się dzieje?

11 Równania stanu gazu stan gazu określają parametry stanu p, T, V

12 Równanie stanu gazu doskonałego pv = nrt p ciśnienie, Pa V objętość, m 3 n liczba moli, mol T temperatura, K R wsp. proporcjonalności, stała gazowa 8.31 J/mol K

13 Równanie stanu gazu doskonałego Wnioski 1. Gęstość gazu d = Mp RT kg 3 m 2. Masa cząsteczkowa mrt M = = pv drt p kg mol

14 Równanie stanu gazu doskonałego w szczególnych przypadkach: T=const p=k/v V=const p=bt p=const V=aT -prawo Boyle a - prawo Gay-Lussaca - prawo Charlesa Uogólnione równanie sprowadza się do wcześniejszych praw

15 Jak wyjaśnić wyniki doświadczeń? Równanie stanu gazu doskonałego prawo co się dzieje? model dlaczego tak się dzieje?

16 Model gazu doskonałego Założenia 1. Objętość cząsteczek gazu Cząsteczki znajdują się w ciągłym ruchu. Zderzenia cząsteczek ze ściankami zbiornika są przyczyną ciśnienia wywieranego przez gaz na ścianki. 3. Cząsteczki nie oddziałują ze sobą nie odpychają się i nie przyciągają. 4. Średnia energia kinetyczna wywierana przez cząsteczki temperatura gazu wyrażona w Kelvinach

17 Model gazu doskonałego Założenia Film3 gazy - ruch cząsteczek.mov Film5- mikroskopowe ujęcie temperatury.mov

18 Model gazu doskonałego Ograniczenia modelu Kiedy model może być stosowany? T wysoka p niskie Dlaczego?

19 Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 1. Ciśnienie u V m u L L m S F p u L m F t p dt dp F = = = = = L L L 2 3 u V m N p A = dla 1 mola cząstek

20 Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.mov Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 2. Średnia prędkość cząsteczek dla 1 mola cząstek p m 2 RT m 2 = N A u i p = N A u = 3V V 3V z równania stanu gazu dosk. RT V u = 3RT N A m

21 Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 3. Średnia energia kinetyczna cząsteczek u = 3RT N m A mu = 1 2 m 3RT N m A = 3 2 RT N A dla 1cz. E = 3 2 RT dla 1 mola cz.

22 Model gazu doskonałego Przewidywania modelu 1. Średnia prędkości cząsteczek: H m/s NH m/s C 6 H m/s 2. Droga swobodna m 3. Częstość zderzeń s -1

23 Model Maxwella-Boltzmanna Rozkład prędkości cząstek gazu Ile cząstek gazu posiada określoną prędkość? 05_58 prędkość najbardziej prawdopodobna prędkość średnia * u u Relative number of O 2 molecules with given velocity 0 4 x x10 2 Molecular velocity (m/s)

24 Rozkład Maxwella-Boltzmanna Wraz z temperaturą rośnie średnia prędkość cząsteczek oraz liczba cząsteczek o prędkości zbliżonej do średniej Relative number of N 2 molecules with given velocity 273 K 1273 K 2273 K V e locity (m /s)

25 Jak wyjaśnić zjawiska? Model jest dobry jeśli potrafi wyjaśnić i przewidzieć

26 Zjawiska w gazach Diffusion: describes the mixing of gases. The rate of diffusion is the rate of gas mixing. Effusion: describes the passage of gas into an 05_60 evacuated chamber. Pinhole Vacuum Gas

27 Opis stanu gazów Jakim innym modelem można opisać gazy? Jak ulepszyć model gazu doskonałego?

28 _ K Opis stanu gazów K Zależność pv/nrt od p dla azotu w 3 temperaturach PV nrt gaz doskonały K Ideal gas P (atm) 05_62 CH N 2 H 2 Zależność pv/nrt od p dla kilku różnych gazów (w 200 K) PV nrt 1.0 CO 2 gaz doskonały Ideal gas Model gazu doskonałego działa pod niskimi ciśnieniami i i w wysokich temperaturach 0 Model gazu doskonałego działa pod 0niskimi P (atm) 1000

29 Równania stanu gazu 1 Równanie Van der Waalsa [ P + a( n/ V) ] ( V nb) = nrt obs poprawka na ciśnienie 2 poprawka na objętość P ideal V ideal

30 Równania stanu gazu 1 Równanie Van der Waalsa gaz a, kpa (dm 3 ) 2 mol -2 b, dm 3 mol -1 He H H 2 O Cl

31 Równania stanu gazu ciśnienie, atm atm Porównanie wyników otrzymanych z obliczeń na podst. równania stanu gazu doskonałego i równania Van der Waalsa dla azotu (0.5 mol/dm 3 ) a = 1.39 atm (dm 3 ) 2 mol -2 b= dm 3 mol p dosk dosk c=0.5 c=0.5 p vdw vdw c=0.5 c= temperatura, C C

32 Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne pv K K = K n 1 2 n 1 V gdzie p ciśnienie, Pa K 1 >> K 2 > K 3 V objętość, m 3 K 1, K 2, K 3 stałe równania, K 1 nie zależy od rodzaju gazu V Stosowalność dla każdego gazu w każdych warunkach V K

33 Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne Z doświadczeń wynika: K 1 = K 1 (n, T) = n k(t) k(t) = (t ) Stala gazowa = R = J mol K

34 Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne Jeżeli K 2,K 3 0 pv = K 1 = nk(t)=nrt Równanie gazu doskonałego

35 Równania stanu gazu Nazwa równania Gazu doskonałego Postać równania pv = nrt Wirialne pv = K 1 + K 2 /V + K 3 /V 2 Van der Waalsa Bertholeta Dietericiego (p + an 2 /V 2 )(V-nb) = nrt (p + an 2 /TV 2 )(V-nb) = nrt p(v-nb) = nrtexp(-na/rtv)

36 Chemia atmosfery Skład powietrza Azot - 78,06 %.(objętościowych) Tlen - 20,98 % Argon - 0,93% inne "%

37 Chemia atmosfery Parametry stanu atmosfery ciśnienie, atm odległość, km troposfera temperatura, C

38 Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza CO, CO 2 NO x SO 2 VOCs węglowodory lotne PAHs policykliczne związki aromatyczne cząstki

39 Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport N 2 (g)+o 2 (g) 2NO(g) 2NO(g)+O 2 2NO 2 (g) 2NO 2 (g) 2NO(g) + 2O(g) 2O (g) + 2O 2 (g) 2O 3 (g) 2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) 3O 2 (g) 2O 3 (g) 68 Concentration (ppm) zły ozon :00 Molecules of unburned fuel (petroleum) NO 6:00 NO 2 O 3 8:00 10:00 Noon Time of day Other pollutants 2:00 4:00 6:00

40 Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport 3O 2 (g) 2O 3 (g) O*+ H 2 O 2OH* OH* + NO 2 HNO 3 OH* + CH x CH y O z smog

41 Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport CO 2

42 Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza kwaśne deszcze CO 2, NO 2, SO 2 S+O 2 SO 2 SO 2 +½O 2 SO 3 +H 2 O H 2 SO 4

43 Chemia atmosfery Dziura ozonowa Budowa warstwy ozonowej dobry ozon stężenie ozonu, cząst./cm 3

44 Chemia atmosfery Dziura ozonowa rodnik tlenowy Fotochemiczne Katalityczne Rodnikowe h ν O 3 O 2 + O pochłanianie promieniowania przez ozon O + O 3 2 O 2 O 3 + X O 2 + XO XO + O O 2 + X X= Cl, OH, Br, NO źródła rodników: freony (CFC), N 2 O, H 2 O niszczenie ozonu przez zanieczyszczenia powietrza