Gazy - Uniformly fills any container - Mixes completely with any other gas - Exerts pressure on its surroundings Ciśnienie p = F S 1 atm = 10135 Pa 1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr N = m kg m s m = kg s 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 doświadcze wiadczeń Film1_zależność p od V.MOV Prawo Boyle a Doświadczenie temperatura stała 05_1541 P ext P (in Hg) P 100 50 P 0 0 40 60 V V(in 3 ) 40 0 0 0 slope = k 0.01 0.0 0.03 1/P (in Hg) P ext V Volume 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 p 1 V 1 = p V (T = constant) (T = constant) * stosuje się do niskich ciśnień Film - zależność p od T.MOV Prawo Charlesa 05_53 6 He Doświadczenie 5 4 CH 4 V(L) 3 H O 1 H N O 05_1543 P ext -300-00 -100 0 100 00 300 T 1 T -73. ºC T(ºC) P ext Energy (heat) added V 1 V 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 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 + 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. 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
Model gazu doskonałego Założenia 1. Objętość cząsteczek gazu 0.. 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 F = p = dp dt F S p t m = u 6L L m 3V dla 1 mola cząstek p = N A u m F = u L m = u 3V
Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.mov Model gazu doskonałego Wnioski z modelu. Średnia prędkość cząsteczek dla 1 mola cząstek m RT m p = N A u i p = N A u = 3V V 3V z równania stanu gazu dosk. RT V u = 3RT N m A Model gazu doskonałego Wnioski z modelu 3. Średnia energia kinetyczna cząsteczek u = 3RT N m A 1 mu = 1 3RT m = N m A 3 RT N A dla 1cz. E = 3 RT dla 1 mola cz.
Model gazu doskonałego Przewidywania modelu 1. Średnia prędkości cząsteczek: H 000 m/s NH 3 600 m/s C 6 H 6 300 m/s. 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 molecules with given velocity 0 4 x 10 8 x10 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 molecules with given velocity 73 K 173 K 73 K 0 1000 000 3000 V elocity (m /s) Jak wyjaśnić zjawiska? Model jest dobry jeśli potrafi wyjaśni nić 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 Zjawiska w gazach Effusion: Diffusion: Rate of effusion for gas 1 Rate of effusion for gas Distance traveled by gas 1 Distance traveled by gas = = M M 1 M M 1
Opis stanu gazów Jakim innym modelem można opisać gazy? Jak ulepszyć model gazu doskonałego? _63 03 K Opis stanu gazów 1.8 93 K Zależność pv/nrt od p dla azotu w 3 temperaturach. PV nrt 05_6 1.4 1.0 0.6 0 gaz doskonały 00 400 600 800 P (atm) 673 K Ideal gas CH 4.0 N H Zależność pv/nrt od p dla kilku różnych gazów (w 00 K). Model gazu doskona ci PV nrt 1.0 0 0 gaz doskonały 00 400 600 800 Model gazu doskonałego dzia ciśnieniami i w wysokich temperaturach P (atm) ego działa a pod niskimi CO 1000 Ideal gas
Równania stanu gazu 1 Równanie Van der Waalsa [ P + a( n/ V) ] ( V nb) = nrt obs poprawka na ciśnienie poprawka na objęto tość P ideal V ideal Równania stanu gazu 1 Równanie Van der Waalsa gaz a, kpa (dm 3 ) mol - b, dm 3 mol -1 He 3.45 0.037 H.7 0.066 H O 553 0.0305 Cl 658 0.056
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 ) mol - b= 30 30 0.0391 dm 3 mol -1 0 0 p dosk dosk c=0.5 10 c=0.5 10 p vdw vdw c=0.5 c=0.5 0-00 -00 0 00 00 400 400 600 600 800 800 1000 1000 temperatura, C C Równania stanu gazu Równanie wirialne pv K V K V K V 3 n = K 1 + + +... + n 1 gdzie p ciśnienie, Pa K 1 >> K > K 3 V objętość, m 3 K 1, K, K 3 stałe równania, K 1 nie zależy od rodzaju gazu Stosowalność dla każdego gazu w każdych warunkach
Równania stanu gazu Równanie wirialne Z doświadczeń wynika: K 1 = K 1 (n, T) = n k(t) k(t) = 8.3144 (t+73.16) Stala gazowa = R = 8.3144 J mol K Równania stanu gazu Równanie wirialne Jeżeli K,K 3 0 pv = K 1 = nk(t)=nrt Równanie gazu doskonałego
Równania stanu gazu Nazwa równania Gazu doskonałego Wirialne Van der Waalsa Bertholeta Dietericiego Postać równania pv = nrt pv = K 1 + K /V + K 3 /V (p + an /V )(V-nb) = nrt (p + an /TV )(V-nb) = nrt p(v-nb) = nrtexp(-na/rtv) Chemia atmosfery Skład powietrza Azot - 78,06 %.(objętościowych) Tlen - 0,98 % Argon - 0,93% inne - 0.03 "%
Chemia atmosfery Parametry stanu atmosfery 10-13 1000 10-8 ciśnienie, atm 10-3 10-1 troposfera 100 10 odległość, km 1 1-100 -50 0 50 100 temperatura, C Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza CO, CO NO x SO VOCs węglowodory lotne PAHs policykliczne związki aromatyczne cząstki
Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport N (g)+o (g) NO(g) NO(g)+O NO (g) NO (g) NO(g) + O(g) O (g) + O (g) O 3 (g) NO(g) + O (g) NO (g) 3O (g) O 3 (g) zły ozon Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport 3O (g) O 3 (g) 68 0.5 Molecules of unburned fuel (petroleum) O*+ H O OH* OH* + NO HNO 3 OH* + CH x CH y O z Concentration (ppm) 0.4 0.3 0. 0.1 NO NO O 3 Other pollutants smog 0 4:00 6:00 8:00 10:00 Noon :00 4:00 6:00 Time of day
Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza transport CO Chemia atmosfery Zanieczyszczenia powietrza kwaśne deszcze CO, NO, SO S+O SO SO +½O SO 3 +H O H SO 4
Chemia atmosfery Dziura ozonowa Budowa warstwy ozonowej dobry ozon stężenie ozonu, 10 1 cząst./cm 3 Chemia atmosfery Dziura ozonowa rodnik tlenowy h ν O 3 O + O O + O 3 O O 3 + X O + XO Fotochemiczne Katalityczne Rodnikowe XO + O O X= Cl, OH, Br, NO źródła rodników: freony (CFC), N O, H O