Bài giảng Trạng thái khí

TRẠNG THÁI KHÍ Hoá Đại Cương A1 Các tính chất của khí Mọi vật chất tồn tại ở 3 pha: rắn, lỏng và khí. Các chất khí dễ bị nén, ép và phân bố trong toàn bộ thể tích vật chứa chúng. Khi một chất khí bị nén, thể tích của nó giảm. Các chất khí luôn luôn tạo hỗn hợp đồng thể với các chất khí khác. ÁP SUẤT Áp suất không khí và khí áp kế (barometer) Áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích: Trọng lực tạo nên một lực lên khí quyển của trái đất. Một cột không khí tiết diện 1 m2 tạo nên một lực là 105 N. Áp suất của cột không khí 1 m2 là 100 kPa. Áp suất Áp suất không khí và khí áp kế (barometer) Áp suất Áp suất không khí và khí áp kế (barometer) Hệ đơn vị SI : 1 N = 1 kg.m/s2; 1 Pa = 1 N/m2. Áp suất không khí được đo bởi áp kế (barometer) Nếu một cột (mao quản) nhúng trong một vật chứa thủy ngân thông với khí quyển, mực thủy ngân sẽ dâng lên đến 760 mm trong cột. Áp suất chuẩn của khí quyển là áp suất tạo được mực thuỷ ngân là 760 mm of Hg trong cột. Đơn vị: SI: 1 pascal (Pa) = 1 N/m2 Thông thường :1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 14.7 lb/in2 (psi) = 101.325 kPa = 1.013 bar Áp suất Áp suất không khí và khí áp kế (barometer) Áp suất Áp suất của các khí trong hệ kín và áp kế (Manometer) Áp suất của các khí trong hệ không thông với khí quyển được đo bằng áp kế (manometers). Một áp kế gồm một bầu chứa khí gắn vào một ống hình chữ U (U-tube) chứa Hg. Nếu ống hình chữ U đóng, áp suất của khí là sự chênh lệch của chiều cao chất lỏng trong cột (thường là thủy ngân) Nếu ống hình chữ U mở thông với khí quyển, ta sử dụng hệ thức sau: Nếu Pgas Patm thì Pgas = Patm + Ph2. Áp suất Áp suất của các khí trong hệ kín và áp kế (Manometer) Các định luật của chất khí Mối liên hệ giữa thể tích và áp suất: Định luật Boyle (Robert Boyle, 1662) Định luật Boyle: Thể tích của một lượng chất khí nhất định thì tỷ lệ nghịch với áp suất của nó (tại nhiệt độ không đổi) . Các định luật của chất khí Mối liên hệ giữa thể tích và áp suất: Định luật Boyle Biểu thức toán học: P1V1 = P2V2 (at constant T) Đồ thị của V theo P là một hyperbola. Tương tự, đồ thị của V theo 1/P phải là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ The Gas Laws The Pressures-Volume Relationship: Boyle’s Law Các định luật của chất khí Mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ : Định luật Charles (Jacques Charles, 1787) Chúng ta đều biết rằng khí trong khinh khí cầu nở ra khi được đốt nóng. Định luật Charles : Thể tích của một lượng chất khí nhất định tại áp suất không đổi tăng khi nhiệt độ tăng Biểu thức toán học: (at constant P) Các định luật của chất khí The Temperature-Volume Relationship: Charles’s Law Đồ thị của V theo T là một đường thẳng Khi T được đo bằng C, đồ thị cắt trục hoành tại nhiệt độ là -273.15C. Chúng ta định nghĩa độ không tuyệt đối (absolute zero), 0 K = -273.15C. The Gas Laws Các định luật của chất khí Mối liên hệ giữa số lượng và thể tích: Định luật Avogadro Định luật Gay-Lussac về kết hợp thể tích: Tại nhiệt độ và áp suất xác định, thể tích của các khí tham gia phản ứng tương ứng với hệ số tỷ lượng. Giả thuyết của Avogadro: những thể tích như nhau của các chất khí tại cùng nhiệt độ và áp suất thì chứa cùng số lượng phân tử chất khí. Định luật Avogadro: Thể tích của chất khí tại nhiệt độ và áp suất xác định thì tỷ lệ với số mol của chất khí V = constant  n. 22.4 L chất khí bất kỳ tại 25C luôn chứa 6.02  1023 phân tử khí. Phương trình khí lý tưởng Các định luật: Boyle: V  1/P (constant n, T) Charles: V  T (constant n, P) Avogadro: V  n (constant P, T). Kết hợp lại: Phương trình khí lý tưởng: Phương trình khí lý tưởng PV = nRT. R = hằng số khí lý tưởng = 0.08206 L*atm/mol*K. R = 82.06 mL*atm/mol*K = 8.314 J/mol*K = 1.987 cal/mol*K STP (standard temperature and pressure) = 0C, 273.15 K, 1 atm. Thể tích của 1 mol khí tại STP is 22.4 L. Tỷ trọng của khí và khối lượng phân tử: Tỷ trọng có đơn vị là khối lượng trên thể tích Nhân 2 vế của phương trình khí lý tưởng với M (khối lượng phân tử), chúng ta có: Ứng dụng của định luật khí lý tưởng Khối lượng phân tử của một chất khí như vậy có thể xác đinh như sau: Hỗn hợp khí và áp suất riêng phần (Gas Mixtures and Partial Pressures) Vì các phân tử khí phân bố xa nhau nên chúng ta có thể xem như chúng độc lập với nhau. Định luật Dalton: Áp suật tổng cộng của một hỗn hợp khí thì bằng tổng áp suất riêng phần của mỗi khí trong thành phần hỗn hợp đó. Pt = P1 + P2 + P3 + … Mỗi khí đều tuân theo PT khí lý tưởng: Combining equations: Áp suất riêng phần và phân mol (Mole Fractions) Gọi ni là số mol của khí i tạo nên áp suất riêng phần Pi, thì Pi = iPt, với: i là phân mol(ni/nt). Collecting Gases over Water Sau khi được tiến hành tổng hợp, các khí thường được sục qua nước. Để tính toán chính xác lượng khí tạo thành, chúng ta cần hiệu chỉnh thành phần áp suất riêng phần của nước. Ptotal = Pgas + Pwater Gas Mixtures and Partial Pressures Collecting Gases over Water Thuyết động học phân tử Kinetic-Molecular Theory Là lý thuyết được xây dựng nhằm giải thích tính chất các chất khí Là lý thuyết của các phân tử chuyển động. Các giả định: Các khí gồm lượng rất lớn các phân tử chuyển động không ngừng. Thể tích của các phân tử rất nhỏ so với thể tích vật chứa. Các lực liên phân tử có thể bỏ qua. Năng lượng có thể được chuyển đổi giữa các phân tử nhưng tổng động năng la không đổi tại nhiệt độ xác định. Động năng trung bình của các phân tử tỳ lệ thuận với nhiệt độ. Kinetic-Molecular Theory Kinetic molecular theory gives us an understanding of pressure and temperature on the molecular level. Pressure of a gas results from the number of collisions per unit time on the walls of container. Thuyết động học phân tử Độ mạnh của áp suất phụ thuộc vào số lượng và độ mạnh của các va chạm của các phân tử. Các phân tử khí sở hữu chung giá trị động năng trung bình. Mỗi phân tử khí có năng lượng khác nhau. Khi nhiệt độ tăng, động năng trung bình của các phân tử khí tăng lên. Kinetic-Molecular Theory Thuyết động học phân tử Khi động năng tăng, vận tốc của các phân tử khí tăng Vận tốc trung bình, u, là vận tốc của một phân tử khí có động năng trung bình  liên hệ qua hệ thức  = ½mu2 Kinetic-Molecular Theory Application to the Gas Laws As volume increases at constant temperature, the average kinetic of the gas remains constant. Therefore, u is constant. However, volume increases so the gas molecules have to travel further to hit the walls of the container. Therefore, pressure decreases. If temperature increases at constant volume, the average kinetic energy of the gas molecules increases. Therefore, there are more collisions with the container walls and the pressure increases. Khi động năng tăng, vận tốc của các phân tử khí tăng. Động năng trung bình của một chất khí có liên hệ với khối lượng của nó:  = ½mu2. Xét hai khí tại cùng nhiệt độ, khí nhẹ hơn có vận tốc lớn hơn. Molecular Effusion and Diffusion Khí thực: Sự sai biệt với khí lý tưởng Phương trình khí lý tưởng: Cho 1 mol of khí, PV/RT = 1 tại mọi áp suất. Đối với khí thực, PV/RT thay đổi tùy loại khí. Áp suất càng cao, sự sai biệt càng nhiều. Do: khí thực có một giá trị thể tích tới hạn tại T=0 và sự tồn tại lực hút liên phân tử giữa các phân tử khí Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Phương trình khí lý tưởng Cho 1 mol of khí, PV/RT = 1 tại mọi nhiệt độ. Đối với khí thực, khi T tăng các khí trở nên giống khí lý tưởng hơn. Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Khi tăng áp suất, các phân tử khí bị ép lại gần nhau hơn. Khi các phân tử gần nhau hơn, thể tích của vật chứa nhỏ lại. Vật chứa nhỏ hơn, phân tử khí chiếm chỗ nhiều hơn trước, các phân tử khí gần nhau hơn, khoảng cách liên phân tử giảm xuống, lực hấp dẫn xuất hiện giữa các phân tử, khí ít giống khí lý tưởng hơn. Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Khi tăng nhiệt độ, các phân tử khí chuyển động nhanh và xa nhau hơn. Nhiệt độ tăng cũng tăng năng lượng bẻ gãy lực liên phân tử. Do đó, nhiệt độ tăng khí càng giống khí lý tưởng. Real Gases: Deviations from Ideal Behavior Phương trình van der Waals Hai yếu tố thêm vào phương trình khí lý tưởng để hiệu chỉnh thể tích các phân tử và lực hấp dẫn liên phân tử với a and b là những hằng số thực nghiệm Để hiểu ảnh hưởng của lực liên phân tủ lên áp suất, ta thấy khi một phân tử va chạm vào thành bình chứa nó sẽ chịu lực hấp dẫn của các phân tử kế cận làm giảm đi tác dụng lực va đập vào thành bình.