第二章气体的性质.docx
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第二章气体的性质
第二章氣體的性質
2-1影響氣體的因素
1、氣體的通性
1.氣體無一定形狀：
氣體是由不斷運動的分子所組成，一氣體導入容器之中，該氣體會迅速擴散而充滿此容器，故氣體的形狀隨容器而變。
2.氣體具性：
氣體分子間距離很大，故可被壓縮。
3.任何氣體的體積可由、和三個量來決定。
4.一百多種元素中，只有11種氣體元素。
數百萬種化合物中，氣體佔不到1%。
2、氣體莫耳體積與亞佛加厥定律
1.亞佛加厥定律：
。
2.莫耳體積：
。
（1）固態物質的莫耳體積，隨物種不同而異，受溫度壓力影響程度較小。
（2）液態物質的莫耳體積，也隨物種不同而異，受溫度壓力影響程度也不大。
（3）氣態物質的莫耳體積，幾乎不受氣體種類影響，但受溫度壓力影響極大。
也就是說，同溫同壓下任何氣體均具有相同的莫耳體積。
（視氣體為理想氣體）
3.標準狀況（STP）與常溫常壓（NTP）
STP：
NTP：
例1.下列關於莫耳體積的問題何項錯誤？
（A）同一物質之氣體莫耳體積最大，液體、固體之莫耳體積較小
（B）1atm，25℃時理想氣體之莫耳體積約為24.5升
（C）在1atm，0℃時理想氣體之莫耳體積約為22.4升
（D）等重之不同氣體，在相同狀況時體積不同
（E）等莫耳數之不同氣體在相同狀況下體積相同。
例2.比較16.0克的氧和14.0克的氮，在STP時，各含有多少分子以及體積有多少升？
例3.某氣體樣品含1﹪氧分子，則在標準狀況下該氣體樣品半升中之氧原子數目為多少？
例4.設1.0克的氫在某狀況下佔6.2升，又已知同狀況下某氣體2.6克佔1.0升，請問此氣體的分子量為若干？
2-2氣體體積和壓力的關係
1、大氣壓力
1、壓力的定義及單位
1.定義：
2.單位：
壓力的常用單位為、、、，其SI單位為帕斯卡（Pascal）
2、氣體壓力的產生：
容器內氣體的壓力是指氣體分子運動碰撞到器壁而產生壓力。
3、大氣壓力
大氣的壓力施加在地面，即產生大家所熟悉的大氣壓力。
海平面的大氣所造成的壓力平均值約為一大氣壓（1atm），通常壓力單位間的換算如下：
1atm=mm-Hg=cm-Hg=gw/cm2
=torr=N/m2=Pa
例5.地表一平方公尺的面積約承受多少公斤重的氣體？
2、壓力的測量-壓力計
測定氣體壓力的儀器稱為壓力計。
義大利科學家托里切利所設計的氣壓計，為最早的壓力計。
此壓力計側出海平面的大氣壓力為760mm-Hg。
1、開口式壓力計
1.當壓力計兩邊的水銀柱等高時：
2.當左邊水銀柱比右邊高時：
3.當右邊水銀柱比左邊高時：
2、閉口式壓力計
壓力計一端封閉，且封閉上端只有微量水銀蒸氣，可視為真空。
容器內的氣體壓力大小為壓力計兩端水銀管柱之高度差。
例6.大氣壓力為1atm，右圖中斜線部分為水銀，
則氣體之壓力為若干torr？
例7.當A與B如下列條件時，右圖容器內的氣壓為若干atm？
（1）當B=304mm，A=9.9×104帕
（2）當B=76mm，A=2.525×104N/m2
（3）當B=-475mm（右邊較低），A=608torr
3、波以耳定律
1、波以耳的氣體體積與壓力關係之實驗
實驗裝置：
利用J形管
2、波以耳定律
1.定律內容：
2.數學式：
3.作圖：
例8.定溫時某氣體於760mm-Hg時的體積為10.0公升，若壓力增為1140mm-Hg時，該氣體體積變為多少？
例9.實驗課中，老師用一不知體積的玻璃球，測得其氣體壓力正好是1atm，此球與一預先抽成真空的半公升大玻璃球相連，中間用氣閥相隔。
老師將氣閥打開，氣體流向真空球中，達成平衡後，測得壓力為570mm-Hg。
假設氣體膨脹進入真空球時溫度不變，求此未知體積的玻璃球有多大？
例10.如圖，大氣壓力為76mm-Hg，若玻璃管口徑一致且截面積為Acm2
（1）若將玻璃管垂直豎起，使管口朝下，管柱內氣柱長為若干公分？
（2）若將玻璃管垂直豎起，使管口朝上，管柱內氣柱長為若干公分？
例11.如右圖，管之截面積為2cm2，一端封閉充入氦及水銀，大氣壓力為76cm-Hg，氦柱長為10cm。
（1）如欲使充入氦的一端水銀面上升2cm，則需充入水銀若干c.c.？
（2）使氦柱長12cm，則需抽氦液若干公分？
（3）加入水銀液15公分，則氦柱長變為若干公分？
（4）抽出水銀液15公分，則氦柱長變為若干公分？
（5）要使左右兩管等高，需取出水銀液若干公分？
《回家作業》
例12.欲充He於一體積為0.4m3的氣球，使其壓力為1atm，則需接上體積10升、壓力為5atm之充He鋼瓶若干瓶？
例13.取氯酸鉀與二氧化錳固體置於試管內混合加熱，會起下列反應：
2KClO3（s）2KCl（s）＋3O2（g）。
若將收集所得的潮溼氣體移到另一個1升的容器中，於27˚C時，測得其壓力為1atm。
已知此溫度時，水的飽和蒸氣壓為27mmHg，則
（1）將盛裝潮溼氣體的容器：
壓縮使其容積減半，則容器內的壓力應為__________mmHg？
將容器膨脹為原來的2倍，則壓力為__________mmHg？
（2）該潮濕氣體完全乾燥後，於27˚C，1atm時，體積為__________升？
（體積以V表示，列出算式即可）
例14.
例15.
2-3氣體體積和溫度的關係
1、溫度與溫標
1、基本定義
1.攝氏溫標：
將水銀溫度計的水銀球分別浸在冰水與沸水中，分別得到兩個刻度，將其定為0度與100度，在將兩個刻度之間的距離平均分為100個等距，每一等距稱為1℃。
2.凱氏溫標：
即為絕對溫標。
其刻度距離與攝氏溫標等距，但將冰點定為K與沸點定為K。
3.華氏溫標：
冰點與沸點分別定為32度以及212度，中間的距離平均分為180個等距，每一等距為1℉。
2、溫標換算公式
1.攝氏溫標換絕對溫標：
2.攝氏溫標換華氏溫標：
2、查理定律
1、有關氣體的體積與溫度關係之實證
實驗裝置以及實驗數據
溫度（℃）
相對體積
0
V0
25
1.09V0
50
1.18V0
100
1.37V0
2、查理-給呂薩克定律
1.定律內容：
（1）定壓下，溫度每升高（或下降）1℃，氣體體積必須增加（或減少）其0℃時體積的1/273.15。
（2）定壓下，定量氣體體積與成正比。
2.數學式：
3.作圖：
例16.某乾燥的氮氣，在55℃而壓力1atm時的體積為120mL。
如溫度突然降低，而仍然要保持其壓力為1atm，擇期體積變為60mL問此時的溫度為若干℃？
例17.定壓下，定量理想氣體其溫度自127℃上升至128℃，則其體積增大為原有之若干倍？
例18.已知0℃時某氣體體積為V0，請問：
（1）溫度由0℃升高至1℃時，體積增加的V0
（2）溫度由25℃升高至26℃時，體積增加的V0？
（3）溫度50℃時，體積增加為V0？
例19.室內溫度由27℃上升至102℃時,請問空氣膨脹率有多少﹪？
例20.定壓時，定量氣體在0℃及200℃時知體積比為a:
b，則下列何者為絕對零度之攝氏度數之正確計算式？
（A）200b/（a-b）（B）200a/（a-b）（C）（a-b）/200b（D）（a-b/200a）（E）200a/（）
《回家作業》
例21.一容器中盛有1atm的Ar氣，在定壓下下列何者的變化使Ar所增加的體積百分率最大？
（A）100℃-101℃（B）0℃-1℃（C）100K-101K（D）200K-201K（E）200℃-201℃
例22.例7.有一玩具球注入氫氣，在溫度20℃及壓力76cm-Hg時體積為1450mL。
若將此汽球放入一個-20℃的冰箱，而壓力仍為76cm-Hg，則其體積變為若干？
例23.在定壓下，100mL氣體於27℃加熱至127℃，則體積變為若干mL？
例24.例9.在髮膠噴液的罐子上通常有「勿加熱或靠近火源」，是為了防止溫度上升，使固定容積的噴罐因壓力大增而爆炸。
此現象可由下列哪一定律解釋？
（A）波以耳定律（B）查理定律（C）給呂薩克定律（D）亞佛加厥定律。
例25.於27°C時，在V升的容器中，充入烴（C2Hn）及體積比1：
4的氧與氮的混合氣體，共5atm。
設其燃燒後，容器中只剩下H2O（g）、CO2（g）、N2（g），且溫度為177°C，壓力7.5atm，則n值為若干？
2-4理想氣體
1、理想氣體方程式
1、導出理想氣體方程式
1.與氣體行為有關的三大重要定律
定律名稱
定律內容
簡單公式
波以耳定律
定溫下，定量氣體體積與壓力成反比
查理定律
定壓下，定量氣體體積與絕對溫度成正比
亞佛加厥定律
同溫同壓下，氣體體積與莫耳數成正比
2.氣體狀態方程式（理想氣體方程式）
綜合上述三大定律，可推出一等式，稱為理想氣體方程式：
2、單位與常數R值的計算
壓力P
體積V
莫耳數n
溫度T
常數R
常用單位
SI單位
3、理想氣體方程式的應用
1.測量氣體或揮發性氣體的分子量，利用：
2.測蒸氣密度，利用：
例26.一氣袋體積60公升，當時的氣壓即溫度分別為750mmHg及20℃，今在氣袋內裝氧氣，請問最多可裝多少莫耳？
若改為氫氣最多可裝多少克？
例27.某種氣體2.273克，置於體積為1.40升的容器中，在27℃測得壓力為89cmHg，請問該氣體分子量為若干？
例28.定溫下，在ABCD四個等體積的容器中，分別裝入不同的氣體，則其重量最大的為
（A）100mmHg的H2（B）200mmHg的O2（C）400mmHg的N2（D）600mmHg的CH4
例29.在760torr及27C下，有一氧化碳及二氧化碳混合氣體密度為1.30g/L，則
（1）此混合氣體的平均分子量為若干？
（2）將此混合氣體通入大量水中純化，於溫度及壓力不變下，純化後的氣體密度為原來混合氣體密度的若干倍？
（原子量：
C＝12、O＝16）
例30.等體積的A.、B兩容器，A含有氧8克，B含有二氧化碳11克，則在同溫下，A、B兩容器內氣體的壓力比為（A）8：
11（B）11：
8（C）1：
1（D）無法測知。
例31.在1大氣壓27C下，將6.9克某液體放入一個10.0升的容器後密封。
當加熱至127C時，該密封容器內的壓力為6.25大氣壓，假設在27C時該液體之蒸氣可忽略，在127C時該液體完全氣化；則該液體分子量為何？
（A）36.2（B）46.0（C）51.1（D）56.2。
例32.在定量氣體，下列各圖形比較P、V、T的大小關係：
貳、理想氣體與真實氣體
1、真實氣體與理想氣體的差異
理想氣體
真實氣體
1.理想氣體符合各種氣體定律
2.理想氣體分子本身不佔有空間
3.理想氣體分子之間不具有作用力
4.降溫或加壓時，氣體體積會無限變小最後趨近於零，因此理想氣體不會液化也不會凝固，也無臨界溫度。
1.真實氣體並不符合各種氣體定律，而有誤差存在
2.氣體分子本身具有體積
3.真實氣體分子兼具有作用力
4.降溫或加壓後，氣體會液化成液體或固體，存在著三相變化及臨界溫度。
＊氣體的體積指的是氣體所活動的範圍，而非氣體分子本身所佔有的體積。
2、判斷真實氣體的理想程度
因為理想氣體的假設為：
（1）氣體分子本身不佔有體積
（2）分子之間不具有作用力
（3）理想氣體不會液化
（4）STP下理想氣體的體積為22.4L
所以凡是真實氣體分子間引力越小，或越難液化者，此真實氣體越接近理想氣體。
其判斷的依據如下：
1.由氣體的莫耳體積判斷
（1）氣體莫耳體積於STP下越接近22.4L者越接近理想氣體。
（2）同狀況，同莫耳數的氣體所佔有的體積越大時，代表分子間的引力越→越理想。
2.由沸點來判斷理想程度
分子沸點越低代表分子間引力越，越液化（填難或易）→越（理想或不理想）
3.由氣體所處的狀況來判斷
同一氣體所處的狀況若溫度越壓力越，則越理想。
《結論》凡分子間引力小越小，沸點越低，臨界溫度越低者，越不易液化，越接近理想氣體
例33.在一大氣壓25C時，下列何種氣體的性質最接近理想氣體？
（A）氨氣（B）氯化氫（C）氮氣（D）正丁烷
例34.有關理想氣體性質的下列敘述哪些正確？
（A）同溫同壓時，氣體擴散速率和分子量的平方成正比（B）在同溫同壓時，同體積的不同氣體質量經測定後，如果其中一種氣體的分子量已知，則可求得另一種氣體的分子量（C）理想氣體分子間無吸引力本身的體積不為零（D）氣體分子碰撞器壁時產生壓力（E）真實氣體在低溫或高壓下，接近於理想氣體。
例35.下列何者較接近理想氣體的性質？
（A）N2，500C，100mmHg（B）N2，－273C，20atm（C）He，500C，1.01Pa（帕）（D）He，500C，20mmHg。
例36.氦氣體在下列何種溫度、壓力下，較接近理想氣體的性質？
（A）800K，0.10atm（B）800C，10mmHg（C）800C、1.0103Pa（D）273K，76mmHg。
例37.下列敘述，何者符合理想氣體性質？
（A）理想氣體分子為除了在0˚C外，是不停在運動的
（B）若N2、H2為理想氣體，在同一溫度時，氮氣的平均動能小於氫氣的平均動能
（C）理想氣體分子間沒有任何作用力
（D）真實氣體中以H2、He等接近理想氣體
（E）真實氣體在低溫或高壓下，接近於理想氣體。
2-5混合氣體的壓力
壹、混合氣體
1.混合氣體的形成條件:
兩種或兩種以上彼此不作用的氣體，不論性質相似與否，均可以任何比例混合，故一密閉係含有兩種或兩種以上的氣體即形成混合氣體。
2.混合氣體的特色：
（1）唯一均勻系
（2）可視為一種新的氣體此氣體的分子量即為混合氣體的平均分子量
3.混合氣體的平均分子量求法：
（1）利用平均密度求得
（2）利用各成分氣體的莫耳分率求得
（3）混合氣體總重÷混合氣體總莫耳數=平均分子量
2、道耳吞分壓定律
1、道耳吞分壓定律
定律內容：
混合氣體在一容器中的壓力，為其各成分單獨佔有該容器時所生壓力的總和。
換句話說混合氣體的總壓力等於各成分氣體分壓力的總和。
由此可推論：
1.混合氣體中的各成分氣體間不互相影響碰撞頻率
2.定溫容器中，氣體所造成的壓力只與氣體的總莫耳數有關，而與氣體的種類無關。
定溫定容器中，1莫耳的純氧氣與1莫耳的空氣造成相同的壓力。
2、公式
1.氣體總壓=各成分氣體分壓和Pt=P1+P2+P3+……
2.各成分氣體及混合氣體均符合理想氣體方程式
P1V=n1RT
P2V=n2RT
：
PtV=ntRT
3.各氣體分壓比=各氣體莫耳數比
P1：
P2=n1：
n2
4.氣體分壓=混合氣體總壓×該氣體莫耳分率
P1=Pt．X
《例題》
★類型一：
基本型；氣體混合前後沒有發生化學反應，也沒有溫度變化
例38.定溫下，將2.0atm的He3.0升和3.0atm的H22.0升和4.0atm的CH45.0升，共混合於10升容器中，則混合氣體總壓力為若干atm？
例39.
例40.一容器體積10公升，在25℃時裝有CO及CO2之混合物，其總壓力為2atm，假如所含CO為0.20莫耳，求各氣體的分壓。
例41.
例42.在一容器中，甲烷與氮氣的混合氣體總壓力為6.0大氣壓；若甲烷的莫耳數為2.0莫耳，而氮氣為3.0莫耳，則：
（1）甲烷與氮氣的莫耳分率各為多少？
（2）甲烷與氮氣的分壓各為多少？
★類型二：
混合後氣體發生化學反應
例43.27C、1atm下100mL的NH3解離為N2、H2，在同溫壓下測得混合氣體為140mL，則：
（1）氨的分解率為？
（2）氨的莫耳分率為？
（3）混合氣體密度為？
例44.某容器中有27C、8atm的氨氣，經催化及加熱至327C後，部分氨氣分解成氮及氧氣，測得壓力為30atm，請問：
氨氣的分解百分率為多少？
例45.一氧化氮與氧會發生下列反應：
2NO+O2→2NO2，今將0.600克的NO與0.320克的O2混合置入2.00升的容器，溫度保持在527℃，容器內總壓力為0.896atm，此時的NO2分壓為若干？
《回家作業》
例46.定溫下，將2.0atm的He3.0升和3.0atm的H22.0升和4.0atm的CH45.0升，共混合於10升容器中，則混合氣體總壓力為若干atm？
例47.空氣以體積組成80%氮及20%氧概算，原子量：
N＝14、O＝16。
（1）求空氣平均分子量？
（2）在一大氣壓時，若空氣密度為每升一克，則其溫度若干C？
例48.一容器體積為10公升，在25˚C時裝有CO、CH4及CO2之混合物，其總壓為3atm，若所含有之CO為0.2莫耳，CH4為0.5莫耳，求各氣體之分壓為何？
例49.體積百分率20%He，30%CO，10%H2及40%CH4之混合氣體總壓為800mmHg，各氣體分壓為若干？
若此混合乾燥氣體中加入壓力等於18mmHg之水蒸氣，則其總壓變為若干？
例50.已知某10L容器中裝有氮氣與氧氣之混合氣體，莫耳數比為1：
2，又已知氮氣分壓為2atm，氮氣莫耳數為0.8莫耳，請問總壓為何？
當時溫度為何？
參、水面收集氣體之壓力校正
一、純液體的飽和蒸氣壓
定溫時在密閉容器中，當液體的發速率與液體的凝結速率相等時，此時的氣體壓力稱為該液體在該溫度時的飽和蒸氣壓。
例51.：
在三個容積相同的容器中分別放入不等重的水，平衡後，A中尚有液體的水剩下，B中的水剛好完全蒸發，而C中的水早已蒸發完畢，請問：
（1）何者達飽和？
（2）何者再加水後可以再蒸發？
（3）若將ABC三容器壓縮，可能發生何種現象？
（4）當溫度升高時，何者的氣體分子會變多？
何者變成為未飽和狀態？
二、排水集氣法之壓力校正
實驗室常用排水集氣法收集氣體，（如右圖），然而此法所收集的氣體中必含有飽和水蒸氣，所以在計量時，純氣體的壓力應該是將所收集氣體總壓減去同溫時水之飽和蒸氣壓，才是正確值。
三、常見的乾燥劑（除水）
酸性乾燥劑：
鹼性乾燥劑：
中性乾燥劑：
例52.在100C，1.1大氣壓下由沸水液面上以排水集氣收集潮溼之甲烷
（1）求含水蒸氣之莫耳分率
（2）若所收集潮溼之甲烷重17.8克求其體積。
例53.在水面上收集氫氣，得知集氣管內含有2.0010－3莫耳之氫氣及6.010－5莫耳水蒸氣，如集氣管內之總壓力為760mmHg，則各氣體之分壓為若干？
例54.假設KClO3中的所有氧原子都可以轉變成O2，問用200克KClO3製備氧時，在27C，1.00大氣壓，用排水集氣法可收集到未經乾燥的氧多少升？
27C時之水蒸氣壓力為26.74mmHg。
例55.27C時以排水集氣法蒐集氧氣，若量得氣體體積為450mL，而瓶內壓力為777mmHg，已知水在27C飽和蒸氣壓為27.0mmHg，試問所蒐集的氧有若干莫耳？
《回家作業》
例56.外界溫壓為27C、757mmHg時，以排水集氣法蒐集得到含有飽和水蒸氣的氧600mL，已知27C的飽和水蒸氣壓為27mmHg，則所蒐集的氧經除溼後，在STP時的體積為若干mL？
例57.25C時，一鋼筒含氮氣及少量液態水（25C時水的蒸氣壓為23.8mmHg），其總壓為600.0mmHg。
今將筒中活塞拉開，使體積變為原來之二倍，若尚有水剩下，則最終之壓力為若干？
2-6氣體的擴散
壹、擴散定律
1、何謂擴散？
由於氣體分子不停的快速運動和碰撞，因此將各種氣體放在一起，即能迅速地互相混合，這種現象稱為擴散。
2、擴散速率的測量（同溫同壓下）：
一般有兩種測量方法
1.測量單位時間內，擴散出來的氣體體積。
Ex.
2.測量單位時間內，擴散出來的氣體mol數。
Ex.
3、影響氣體分子擴散速率之因素
1.氣體分子的平均速率
2.單位體積內的氣體莫耳數，也就是氣體的稠密程度（N/V）。
∴擴散速率Rν．N/V碰撞頻率f
4、格銳目擴散定律
1.內容：
〝同溫同下，氣體擴散速率與其密度的平方根成反比〞。
又因為同溫同壓下氣體的密度與其分子量成正比，所以可以說
〝同溫同下，氣體擴散速率與其的分子量的平方根成反比〞。
2.公式：
3.應用：
分離混合氣體（例如：
分離235UF6、238UF6）
例58.已知氦及氧之原子量分別為4.0及16.0，則同溫同壓下，兩氣體擴散速率之比為何？
例59.相同溫度及壓力下，氦560毫升擴散通過多孔素燒圓筒需時40秒，則甲烷350毫升通過該素燒圓筒需時幾秒？
例60.自一擴散裝置擴散50.0毫升之氫需時10.0分鐘，同一情況下，擴散20.0毫升氧需時若干？
例61.在同狀況下，x、y兩氣體的密度比為9：
4，則
（1）同狀況時欲擴散出同體積的氣體時，所需的時間比為何？
（2）同狀況時欲擴散出同重量的氣體時，所需的時間比為何？
例62.若密度為1.76g/L的氧氣擴散速率為1.45mL/min，而另一未知密度的氧氣在同狀態下的擴散速率為4.36mL/min，試求後者的密度為若干？
例63.取一長90公分的玻璃管，水平橫放，於兩端同時塞入一沾有濃鹽酸與濃氨水（30％）的棉花，緊蓋兩端，過數分鐘，發現有白色煙霧狀物質產生，試問：
（N＝14，Cl＝35.5）
（1）此白色煙霧狀物質為何？
__________
（2）此物質距含濃鹽酸端約__________公分？
（3）玻璃管應先如何處理？
__________
例64.一教室前後距離21公尺，設有一教授從教室的前面施放笑氣（N2O），同時從教室的後面施放催淚氣（C6H11OBr），則距離教室前方約若干公尺處學生同時笑及哭？
（N＝14，Br＝80）
《回家作業》
例65.氫280立方公分，擴散過通通多孔素燒圓筒，設若需時40秒，那麼氧350克立方公分，通過該素燒圓筒需時若干秒？
例66.同溫同壓下有甲：
1升CH4，乙：
2升He，丙：
3升SO2，則其擴散所需時間比為甲：
乙
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