第一章　气体、溶液和胶体

第一节　气体

一、理想气体

气体具有流动性，无固定形状，随容器的形状不同而变化，在外力作用下其内部会发生相对运动，工业上把它称为可压缩性流动。为方便研究，假定气体分子本身不占体积，分子间没有相互作用力，此即为理想气体（ideal gas）。

事实上理想气体是不存在的，但当实际气体处于高温（高于273.15K）、低压（小于101.325kPa）时，气体分子之间几乎没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占体积完全可以忽略，可视为理想气体。

在描述气体状态时常用物质的量（n）、体积（V）、压力（p）和热力学温度（T）四个物理量，其SI（国际单位制）单位依次为mol、m3、Pa、K。这些物理量之间的联系可以用理想气体状态方程来描述。

pV=nRT　　（1-1）

式中，R称为摩尔气体常数，R=8.314Pa·m3·mol-1·K-1或R=8.314J·mol-1·K-1。

在应用式（1-1）时，也常用它的一些变换形式：

式中，m是气体的质量；M是气体的摩尔质量；ρ是气体的密度。

若把几种互不发生化学反应的气体放在同一容器内，混合物中每一种气体叫做组分气体，某组分气体在同一温度下单独占有混合气体容积时所产生的压力，称为该组分气体的分压力。1801年，英国科学家道尔顿（J.Dalton）通过实验提出气体分压定律：在温度和体积一定时，混合气体的总压力等于组分气体压力之和。其数学表达式为：

　　（1-2）

式中，p总为气体混合物的总压力；p i为任一组分的分压力。

对于理想气体，各组分气体的分压满足理想气体状态方程式：

　　（1-3）

由气体分压定律可知：

　　（1-4）

式（1-3）和式（1-4）相除，得：

故：

　　（1-5）

【例1-1】　将一定量的固体氯酸钾和二氧化锰混合物加热分解后，称得其质量减少了0.480g，同时测得用排水取气法收集起来的氧气的体积为0.377L，压力为9.96×104Pa，此时温度是294K，试计算氧气的相对分子质量。

解：用排水取气法得到的是氧气和水蒸气的混合气体，水蒸气的分压与该温度下水的饱和蒸气压相等，查表得，294K时水的饱和蒸气压为2.94×103Pa。

根据分压定律　p总=p（O2）+p（H2O）

故

二、实际气体

如前所述，当实际气体处于高温低压时可视为理想气体，符合上述各气体定律；相反，若是在低温高压条件下，就会发生偏离。

图1-1以压力p为横坐标，气体的摩尔体积与压力的乘积pVm为纵坐标，绘制CO、CH4、H2、He的pVm-p等温线。由图得知，对于理想气体，pVm=RT，即在一定温度下，理想气体的pVm是一常数，不随p的变化而变化；当气压接近于零时，各种气体的性质都接近于理想状态，随着压力的升高，各气体偏离理想状态的情况不同，CH4偏离最多，He偏离最少。

1873年荷兰科学家范德华（Vander Walls）在研究大量实际气体的基础上，引入了两个修正项a和b，使理想气体状态方程式更符合实际气体，其状态方程为：

　　（1-6）

式中，a是与分子间引力有关的常数；b是与分子自身体积有关的常数，统称为范德华常数，均可由实验确定（见表1-1）。

修正后的气态方程比理想气体状态方程式在更为广泛的温度和压力范围内得到应用，计算结果也更接近于实际情况。