Программа курса. «физическая химия» Краткая характеристика газов

«Физическая химия»

1. Краткая характеристика газов

Энергетическое взаимодействие между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами) определяет существование его в твердом, жидком или газообразном состояниях (агрегатное состояние вещества). Взаимодействия между частицами у вещества в газообразном состоянии очень слабые, они усиливаются, когда вещество переходит в жидкое или твердое состояние. Если силы межчастичного притяжения больше энергии тепловых колебаний – вещества находятся в твердом состоянии. Твердое кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой (геометрически правильное расположение частиц в пространстве).

Если силы взаимодействий между частицами уже не способны преодолевать тепловые колебания, существующие связи между частицами рвутся и образуются новые, частицы смещаются относительно друг друга, и хотя контакт между ними сохраняется, нарушается геометрически правильная структура – это жидкое состояние. Таким образом, частицы в жидкости взаимосвязаны, но структура ее не определена, хотя на близком расстоянии от определенной частицы расположение других частиц может быть упорядоченным. Твердое и жидкое состояния называют конденсированным состоянием.

Если же частицы вещества не связаны друг с другом – это газообразное состояние.

Идеальный газ – это идеализированное состояние реальных газов при бесконечно малом давлении (концентрации). Принимается, что между частицами идеального газа нет никаких взаимодействий – ни притяжения, ни отталкивания. Частицы свободны и перемещаются беспрепятственно (неупорядоченное состояние), причем собственный объем молекул газа настолько мал по сравнению с объемом, в котором эти молекулы располагаются, что его можно не учитывать. Понятие идеальное состояние принято для упрощения первичного математического описания систем, а переход к реальному состоянию осуществляется путем введения в уравнения для идеального газа необходимых поправок (учитывая межчастичные взаимодействия и объем частиц).

В твердом состоянии вещество с трудом изменяет объем и форму (слабо сжимается и ничтожно мало деформируется), в жидком – с трудом изменяет объем, но легко может менять форму (чрезвычайно слабо сжимается, но свободно деформируется), а в газообразном – легко изменяет как объем, так и форму.

При очень высокой температуре (сотни тысяч градусов) энергия столкновений между частицами газа настолько велика, что молекулы разрушаются, а атомы теряют электроны, в результате чего образуется плазма, состоящая из ядер и электронов. Плазма рассматривается как четвертое – плазменное состояние материи (например, вещества внутри Солнца).

Газовые системы являются наиболее наглядными моделями при изучении законов термодинамики и кинетики. От свойств идеальных газов легко перейти к свойствам идеальных жидких растворов, а затем и к свойствам реальных растворов.

Уравнение состояния идеального газа определяет соотношение между давлением, температурой и объемом газа. Так, для случая переменных параметров состояния P, V и T они связаны между собой следующим образом:

(1.1)

где n – число моль идеального газа в объеме V, т.е. , здесь m – масса газа, г;

M – молярная масса газа, г/моль;

R – универсальная газовая постоянная (коэффициент пропорциональности), которую для 1 моль идеального газа (из уравнения 1.1) можно выразить:

. (1.2)

В численном выражении (в системе СИ) универсальная газовая постоянная равна 8,31 Дж/моль ^. К, а учитывая, что 1 кал = 4,18 Дж, R = 1,987 кал/моль·К. Во внесистемных единицах R = 0,082 л·атм/моль·К.

Если в объеме V смешано несколько идеальных газов, то каждый из них будет оказывать на стенки сосуда свое собственное (парциальное) давление – такое, как если бы только один газ занимал весь объем. Тогда наблюдаемое полное давление будет равно сумме парциальных давлений каждого газа (закон Дальтона), и уравнение состояния для смеси газов А, В и С в объеме V при температуре Т примет вид:

PV = (P_А + Р_В + Р_С)V = (n_А + n_В + n_C)RT, (1.3)

где Р_А, Р_В и Р_С – парциальное давление индивидуальных газов А, В и С, Па;

n_A, n_B и n_C – количество моль отдельных газов А, В и С.

Отметим, что для реальных газов (с более высокими, т.е. реальными, концентрациями молекул) должны учитываться взаимные притяжения газовых молекул и их собственный объем, который будет занимать уже заметную долю от всего объема. Тогда объем, в котором движутся молекулы реального газа, будет не V, а V – b, где константа b – учет суммарного собственного объема молекул и их взаимного отталкивания (на малых расстояниях). Кроме того, вследствие наличия в реальном газе сил межмолекулярного притяжения, давление реального газа должно быть ниже давления идеального газа, что также необходимо учитывать, т.е. вводить еще один дополнительный коэффициент а, относящийся к свойству молекул конкретного реального газа. Тогда уравнение состояния (1.4) для реального газа принимает вид (Ван-дер-Ваальс):

, (1.4)

где a и b – константы, характеризующие свойства молекул данного реального газа; находятся экспериментальным путем.