velo i warstwy

Gazy
-
Uniformly fills any container
Mixes completely with any other gas
Exerts pressure on its surroundings
Ciśnienie
F
p=
S
1 atm = 101325 Pa
1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr
N
kg ⋅ m
kg
= Pa
2 = 2
2 = 2
m
s ⋅m
s ⋅m
A tm o sp h e ric
pre ssu re (P atm )
A tm o sp h eric
p ressu re (P a tm )
05_48
A Schemat prostego manometru.
Pomiar ciśnienia gazu w bańce
(mm Hg = Torr)
a) ciśnienie gazu = ciśnienie
atmosferyczne – h,
b) ciśnienie gazu = ciśnienie
atmosferyczne + h
h
G as
p re ssu re (P ga s )
le ss th a n
a tm o sp h e ric
p re ssu re
(P ga s ) = (P atm ) - h
(a )
h
G as
p re ssu re (P g a s )
g re a te r th a n
a tm o sp h e ric
p re ssu re
(P ga s ) = (P atm ) + h
(b )
Jakie są właściwości gazów?
Wyniki doświadczeń
Film1_zależność p od V.MOV
Prawo Boyle’a
Doświadczenie
40
slo pe = k
V(in3)
P (in Hg)
100
50
20
P
temperatura stała
P
2
0
0
0 5_ 15 41
P ext
20
40
60
0
0.01
0.02
0.03
1/P (in H g)
V
P ext
V o lu m e is d e c re a s e d
2V
a)
b)
Objętość się podwaja jeżeli ciśnienie spada
dwukrotnie
Wykres V od 1/p daje linię prostą, z
nachylenia której można wyznaczyć stałą k
Prawo Boyle’a*
Synteza informacji
ciśnienie × objętość = constant
V = k/p
(T = constant)
(T = constant)
p1V1 = p2V2
(T = constant)
*
stosuje się do niskich ciśnień
Film2 - zależność p od T.MOV
Prawo Charlesa
He
05_53
6
5
Doświadczenie
CH4
V(L)
4
05_1543
T2
2
H2
1
N2O
-200
-273.2 ºC
P ext
z
E nergy (heat) added
V1
H2O
-300
P ext
T1
3
V2
-100
0
100
200
300
T(ºC)
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
V1 V2
=
T1 T2
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:
ptotal = p1 + p2 + p3 + . . .
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, m3
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
2.
Masa cząsteczkowa
Mp
d=
RT
kg
3
m
mRT dRT
M=
=
pV
p
kg
mol
Równanie stanu gazu
doskonałego
w szczególnych przypadkach:
z
z
z
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
L
L
L
dp ∆p
2m 2
≅
F=
⇒ F=
u
dt ∆t
L
F
2m 2 m 2
p= = 2 u =
u
S 6L ⋅ L
3V
dla 1 mola cząstek
m 2
u
p = NA
3V
Film6 gazy - mechanizm przekazywania ciepła.MOV
Model gazu doskonałego
Wnioski z modelu
2. Średnia prędkość
cząsteczek
z równania stanu gazu dosk.
dla 1 mola cząstek
p = NA
m 2
u
3V
i
⇒
p=
RT
V
u=
⇒ NA
m 2 RT
u =
3V
V
3RT
N Am
Model gazu doskonałego
Wnioski z modelu
3. Średnia energia
kinetyczna cząsteczek
u=
3RT
N Am
1
1 3RT 3 RT
mu 2 = m
=
2
2 N Am 2 N A
E=
3
RT
2
dla 1 mola cz.
dla 1 cz.
Model gazu doskonałego
Przewidywania modelu
1.
2.
3.
Średnia prędkości cząsteczek:
H2≈ 2000 m/s
NH3 ≈ 600 m/s
C6H6 ≈ 300 m/s
Droga swobodna
10-8 – 10-7 m
Częstość zderzeń
109 – 1010 s-1
Model Maxwella-Boltzmanna
Rozkład prędkości cząstek gazu
Ile cząstek gazu posiada określoną prędkość?
prędkość średnia
u
u
*
with given velocity
prędkość najbardziej
prawdopodobna
Relative number of O2 molecules
05_58
0
4 x 102
8 x102
M o le c u la r v e lo c ity (m /s )
273 K
with given velocity
Wraz z temperaturą rośnie
średnia prędkość
cząsteczek oraz liczba
cząsteczek o prędkości
zbliżonej do średniej
Relative number of N2 molecules
Rozkład Maxwella-Boltzmanna
1273 K
2273 K
0
1000
2000
V e lo c ity ( m /s )
3000
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
evacuated chamber.
05_60
Pinhole
Gas
Vacuum
Opis stanu gazów
Jakim innym modelem można opisać gazy?
Jak ulepszyć model gazu doskonałego?
_63
Opis stanu gazów
203 K
1 .8
PV
nRT
Zależność pV/nRT od p dla
azotu w 3 temperaturach
293 K
1 .4
673 K
1 .0
Id e a l
gas
gaz doskonały
0 .6
0
200
400
600
800
P (a tm )
05_62
CH4
N2
2 .0
H2
Zależność pV/nRT od p dla kilku
różnych gazów (w 200 K)
PV
nRT
CO2
1 .0
gaz doskonały
0
Modelgazu
gazudoskonałego
doskonałegodziała
działapod
pod
niskimi
0niskimi
200
400
600
Model
ciśnieniamiiiwwwysokich
wysokichtemperaturach
temperaturach
P (a tm )
ciśnieniami
800
Id e a l
gas
1000
Równania stanu gazu
1 Równanie Van der Waalsa
2
[Pobs + a (n / V) ] × (V − nb) = nRT
↑
poprawka na ciśnienie
Pideal
↑
poprawka na objętość
Videal
Równania stanu gazu
1 Równanie Van der Waalsa
gaz
He
H2
H2O
Cl2
a, kPa⋅(dm3)2⋅mol-2 b, dm3⋅mol-1
3.45
0.0237
22.7
0.0266
553
0.0305
658
0.0562
Równania stanu gazu
ciśnienie,atm
atm
ciśnienie,
60
60
Porównanie wyników otrzymanych z obliczeń na podst.
50
równania
stanu gazu doskonałego i równania Van der
50
Waalsa dla azotu (0.5 mol/dm3).
40
40
a = 1.39 atm⋅(dm3)2⋅mol-2
b=
0.0391 dm3⋅mol-1
30
30
20
20
ppdosk
doskc=0.5
c=0.5
ppvdW
vdWc=0.5
c=0.5
10
10
00
-200
-200
00
200
400
600
200
400
600
temperatura,
temperatura, °C
°C
800
800
1000
1000
Równania stanu gazu
2 Równanie wirialne
K2 K3
Kn
+ 2 + ... + n −1
pV = K 1 +
V
V
V
gdzie
p – ciśnienie, Pa
K1>> K2> K3
V – objętość, m3
K1, K2, K3 – stałe równania, K1 – nie zależy
od rodzaju gazu
Stosowalność – dla każdego gazu w każdych warunkach
Równania stanu gazu
2 Równanie wirialne
Z doświadczeń wynika:
K1 = K1(n, T) = n·k(T)
k(T) = 8.3144·(t+273.16)
J
Stala gazowa = R = 8.3144
mol ⋅ K
Równania stanu gazu
2 Równanie wirialne
Jeżeli K2,K3→ 0 ⇒
pV = K1 = nk(T)=nRT
Równanie gazu doskonałego
Równania stanu gazu
Nazwa równania
Postać równania
Gazu doskonałego
pV = nRT
Wirialne
pV = K1 + K2/V + K3/V2
Van der Waalsa
(p + an2/V2)(V-nb) = nRT
Bertholeta
(p + an2/TV2)(V-nb) = nRT
Dietericiego
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
-13
10
-8
1000
ciśnienie, atm
100
10
-3
10
-1
10
troposfera
1
-100
-50
0
temperatura, °C
50
1
100
odległość, km
10
Chemia atmosfery
Zanieczyszczenia powietrza
•
•
•
•
•
•
CO, CO2
NOx
SO2
VOCs – węglowodory lotne
PAHs – policykliczne związki aromatyczne
cząstki
Chemia atmosfery
Zanieczyszczenia powietrza
68
Other
pollutants
0.3
NO2
0.2
„zły ozon”
Time of day
6:00
4:00
2:00
Noon
0
10:00
0.1
8:00
3O2(g) → 2O3(g)
O3
NO
4:00
2NO2(g) → 2NO(g) + 2O(g)
2O (g) + 2O2(g) → 2O3(g)
2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
0.4
6:00
N2(g)+O2(g) → 2NO(g)
2NO(g)+O2 → 2NO2(g)
Molecules of unburned
fuel (petroleum)
0.5
Concentration (ppm)
transport
Chemia atmosfery
Zanieczyszczenia powietrza
transport
3O2(g) → 2O3(g)
O*+ H2O → 2OH*
OH* + NO2 → HNO3
OH* + CHx → CHyOz
smog
Chemia atmosfery
Zanieczyszczenia powietrza
transport
CO2
Chemia atmosfery
Zanieczyszczenia powietrza
kwaśne deszcze
CO2, NO2, SO2
S+O2→SO2
SO2+½O2→SO3+H2O→H2SO4
Chemia atmosfery
Dziura ozonowa
„dobry ozon”
Budowa warstwy ozonowej
stężenie ozonu, 1012 cząst./cm3
Chemia atmosfery
Dziura ozonowarodnik tlenowy
hν
O3 → O2 + O·
O· + O3 → 2 O2
Fotochemiczne
Fotochemiczne
Katalityczne
Katalityczne
Rodnikowe
Rodnikowe
pochłanianie promieniowania przez ozon
O3 + X → O2 + XO·
XO· + O· → O2 + X
X= Cl, OH, Br, NO
źródła rodników: freony (CFC),
N2O, H2O
niszczenie ozonu przez
zanieczyszczenia powietrza