普通化学/气体

气体的特性

气体具有一些特殊的性质，使其区别于物质的其他状态。以下是气体的性质列表

气体的特性

• 气体没有固定形状或固定体积。它们会膨胀到容器的大小。
• 气体是流体，易于流动。
• 气体的密度很低，除非被压缩。由于由大量开放空间中的微小粒子组成，气体非常可压缩。
• 气体会扩散（混合并扩散）和逸散（穿过小孔）。

标准温度和压力

标准温度和压力，或STP，是 0 °C 和 1 个大气压。用其他单位表示，STP 是 273 K 和 760 torr。我们将在下文讨论的后面部分中讨论开尔文和托，它们分别是温度和压力的有用单位。

阿伏伽德罗定律

意大利化学家阿梅代奥·阿伏伽德罗。阿伏伽德罗定律以他和他在气体行为方面的发现命名

阿伏伽德罗定律指出，在相同温度和压力下，等体积的气体含有相同数量的分子。因此，1 摩尔氙气在 STP 下（131.3 克）和 1 摩尔氦气在 STP 下（4.00 克）都占 22.4 升。即使 1 摩尔空气（由多种气体混合而成）也占 22.4 升的体积。22.4 L 是气体的标准摩尔体积。

[阿伏伽德罗定律]

${\frac {V}{n}}=k\,$.

其中

V 是气体的体积。

n 是气体的摩尔数。

k 是比例常数。

阿伏伽德罗定律最重要的结果是理想气体常数对所有气体都相同。这意味着常数

${\frac {p_{1}\cdot V_{1}}{T_{1}\cdot n_{1}}}={\frac {p_{2}\cdot V_{2}}{T_{2}\cdot n_{2}}}=const$

其中

p 是气体的压力

T 是气体的温度

对所有气体都具有相同的值，与气体分子的大小或质量无关。

压力

气体对其容器和所有其他物体施加压力。压力衡量为单位面积上的力。气压计是一种测量压力的装置。有许多不同的单位来测量压力

• 托，等于毫米汞柱 (mm Hg)：如果将一个没有气体的玻璃圆柱体放入一个盛有液态汞的盘子里，汞会在圆柱体内上升到一定数量的毫米。
• 大气压 (atm)，是海平面的空气压力。
• 帕斯卡 (Pa)，等于 1 牛顿 (N) 每平方米。牛顿是使 1 千克物体以 1 米每秒平方的速度加速所需的力。

你应该知道1 atm = 760 torr = 101.3 kPa。

理想气体

气体是复杂的东西，由大量以高速运动的微小粒子组成。有许多复杂的力控制着气体分子之间的相互作用，而这些相互作用反过来又会影响气体的整体性质。为了绕开这些复杂性并简化我们的研究，我们将讨论理想气体。

理想气体是气体的简化模型，它遵循几个严格的规则并满足几个限制性假设。理想气体可以通过少数方程完全建模和预测。

理想气体遵循以下规则，包括但不限于以下规则

理想气体规则

1. 构成气体的分子是点质量，这意味着它们没有体积。
2. 气体粒子分散得很开，每个分子之间有很大的距离。因此，分子间力基本为零，这意味着它们既不吸引也不排斥彼此。
3. 如果气体粒子之间发生碰撞，这些碰撞是弹性的，这意味着没有动能（运动）损失。
4. 气体分子处于持续随机运动状态。
5. 温度与动能成正比。

理想气体定律

理想气体可以使用理想气体定律完全描述

[理想气体定律]

$\ pV=nRT$

其中

$\ p$ 是气体的绝对压强，

$\ V$ 是气体的体积，

$\ n$ 是气体的摩尔数，

$\ R$ 是理想气体常数，

$\ T$ 是绝对温度，单位为开尔文。

理想气体常数

R 的值	单位
8.314 472(15)	J K−1 mol−1
8.314 472(15)	m3 Pa K−1 mol−1
8.314 472(15)	cm3 MPa K−1 mol−1
0.082 057 46(14)	L atm K−1 mol−1
62.363 67(11)	L Torr K−1 mol−1

理想气体常数 R 是理想气体方程式中的一个常数，它有助于将各种量联系在一起。气体常数表示相同的值，但它的确切数值表示可能因用于每个项的单位而异。右侧的表格显示了不同单位下 R 的一些值。以下是使用焦耳表示能量，开尔文表示温度，摩尔表示数量的 R 值

[理想气体常数]

$R=8.314472\ \ JK^{-1}mol^{-1}$

真实气体

所有真实气体（或非理想气体）都偏离我们上面讨论的理想气体定律。这些偏差可能由于几个原因而发生

• 真实分子具有质量和体积。它们太大，不再像理想点质量那样表现
• 低体积和高压会导致分子足够靠近以产生分子间力。极性分子会加剧这个问题。
• 低温意味着低动能。在较低的温度下，分子间力变得显著，不能像理想气体那样被忽略
• 其他复杂的因素可能会阻止理想行为。

当出现这些问题时，气体分子会相互吸引，甚至可能冷凝成液体。当分子质量低（体积小）、非极性且处于高温低压时，气体最像理想气体。像氙或氩这样的惰性气体最像理想气体，因为它们基本上是电中性的，并且不相互作用。

分子动理论

该理论解释了为什么气体表现出其性质。它只准确适用于理想气体。由于不存在理想气体，分子动理论只能近似地描述气体行为。它仍然对化学家非常有用。

分子动理论解释了气体及其分子的压强、温度、动能和速度。有关分子动理论的确切方程以及详细解释，请参见维基百科。最重要的是了解一般概念，而不是具体的方程。

动能和温度

动能是机械能或运动能。它由以下公式给出

$KE={\frac {1}{2}}mv_{rms}^{2}$

其中

$m$ 是质量，而

$v_{rms}$ 是平均速度

用文字解释，动能取决于粒子的质量与其速度平方的乘积。动能越大，粒子移动得越快。反之亦然，粒子移动得越快，它的动能就越大。

分子动理论指出动能和温度成正比。因此，温度加倍会导致动能加倍，速度增加 1.4 倍（2 的平方根，见 KE 方程）。这意味着气体的温度越高，气体中单个粒子的移动速度就越快。

较热的气体比较冷的气体具有更高的动能。如果两种气体处于相同的温度，它们将具有相同的动能。质量较轻的气体在相同的能量水平下，其粒子的平均速度会更高。重要的是要知道，气体温度必须以开尔文为单位测量。零摄氏度等于 273 开尔文。一摄氏度等于一开尔文，但开尔文标度将水的冰点定为 273，沸点定为 373。必须使用开尔文，因为在使用分子动理论时，温度始终必须为正值。

读者问题

气体的温度从 20°C 升高到 40°C。它的动能增加了多少倍？速度呢？

压强和碰撞

压强存在是因为气体分子处于持续的随机运动中，并且会不断撞击容器壁。由于碰撞力更大，随着分子速度的增加，压强也会增加。随着分子质量的增加，压强也会增加。一个小的、缓慢的分子比一个大的、快的分子动量小，这解释了它们在压强上的差异。

读者问题

例如，有两个装有理想气体的罐子。在 A 罐中是氮气 (N₂)。在 B 罐中是甲烷气 (CH₄)。两个罐子都处于相同的温度。哪个的压强更大？

读者问题

现在，A 罐和 B 罐都装有丙烷气 (C₃H₈)。A 罐的温度为 300 K，B 罐的温度为 500 K。哪个的压强更大？