Gazy - Uniformly fills any container - Mixes completely with any other gas - Exerts pressure on its surroundings
Ciśnienie p = F S 1 atm = 101325 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
Jakie są właściwości gazów? Wyniki doświadczeń
Film1_zależność p od V.MOV Prawo Boyle a Doświadczenie temperatura stała 05_1541 P ext P (in Hg) P 100 50 P 2 0 20 40 60 V V(in 3 ) 40 20 0 0 slope = k 0.01 0.02 0.03 1/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
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
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 -300-200 -100 0 100 200 300 T 1 T 2-273.2 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.
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
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
Prawo Daltona ciśnienia parcjalne Dla mieszaniny gazów: p total = p 1 + p 2 + p 3 +...
Jak uogólnić wyniki doświadczeń? Równanie stanu gazu doskonałego prawo co się dzieje? model dlaczego tak się dzieje?
Równania stanu gazu stan gazu określają parametry stanu p, T, V
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
Równanie stanu gazu doskonałego Wnioski 1. Gęstość gazu d = Mp RT kg 3 m 2. Masa cząsteczkowa mrt M = = pv drt p kg mol
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
Jak wyjaśnić wyniki doświadczeń? Równanie stanu gazu doskonałego prawo co się dzieje? model dlaczego tak się dzieje?
Model gazu doskonałego Założenia 1. Objętość cząsteczek gazu 0. 2. 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
Model gazu doskonałego Założenia Film3 gazy - ruch cząsteczek.mov Film5- mikroskopowe ujęcie temperatury.mov
Model gazu doskonałego Ograniczenia modelu Kiedy model może być stosowany? T wysoka p niskie Dlaczego?
Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 1. Ciśnienie 2 2 2 2 3 6 2 2 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
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
Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 3. Średnia energia kinetyczna cząsteczek u = 3RT N m A 1 2 2 mu = 1 2 m 3RT N m A = 3 2 RT N A dla 1cz. E = 3 2 RT dla 1 mola cz.
Model gazu doskonałego Przewidywania modelu 1. Średnia prędkości cząsteczek: H 2 2000 m/s NH 3 600 m/s C 6 H 6 300 m/s 2. Droga swobodna 10-8 10-7 m 3. Częstość zderzeń 10 9 10 10 s -1
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 10 2 8 x10 2 Molecular velocity (m/s)
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 0 1000 2000 3000 V e locity (m /s)
Jak wyjaśnić zjawiska? Model jest dobry jeśli potrafi wyjaśnić i przewidzieć
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
Opis stanu gazów Jakim innym modelem można opisać gazy? Jak ulepszyć model gazu doskonałego?
_63 203 K Opis stanu gazów 1.8 293 K Zależność pv/nrt od p dla azotu w 3 temperaturach PV nrt 1.4 1.0 0.6 0 gaz doskonały 200 400 600 800 673 K Ideal gas P (atm) 05_62 CH 4 2.0 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 200 400 600 800 P (atm) 1000
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
Równania stanu gazu 1 Równanie Van der Waalsa gaz a, kpa (dm 3 ) 2 mol -2 b, dm 3 mol -1 He 3.45 0.0237 H 2 22.7 0.0266 H 2 O 553 0.0305 Cl 2 658 0.0562
Równania stanu gazu ciśnienie, atm atm 60 60 Porównanie wyników otrzymanych z obliczeń na podst. równania 50 50 stanu gazu doskonałego i równania Van der Waalsa dla azotu (0.5 mol/dm 3 ). 40 40 a = 1.39 atm (dm 3 ) 2 mol -2 b= 30 30 0.0391 dm 3 mol -1 20 20 10 10 p dosk dosk c=0.5 c=0.5 p vdw vdw c=0.5 c=0.5 0-200 -200 0 200 200 400 400 600 600 800 800 1000 1000 temperatura, C C
Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne pv K K = K + 2 + 3 +... + 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
Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne Z doświadczeń wynika: K 1 = K 1 (n, T) = n k(t) k(t) = 8.3144 (t+273.16) Stala gazowa = R = 8.3144 J mol K
Równania stanu gazu 2 Równanie wirialne Jeżeli K 2,K 3 0 pv = K 1 = nk(t)=nrt Równanie gazu doskonałego
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)
Chemia atmosfery Skład powietrza Azot - 78,06 %.(objętościowych) Tlen - 20,98 % Argon - 0,93% inne - 0.03 "%
Chemia atmosfery Parametry stanu atmosfery 10-13 1000 10-8 ciśnienie, atm 10-3 10-1 100 10 odległość, km troposfera 1-100 -50 0 50 100 1 temperatura, C
Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza CO, CO 2 NO x SO 2 VOCs węglowodory lotne PAHs policykliczne związki aromatyczne cząstki
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 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 4:00 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
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
Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport CO 2
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
Chemia atmosfery Dziura ozonowa Budowa warstwy ozonowej dobry ozon stężenie ozonu, 10 12 cząst./cm 3
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