новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
тендеры / аналитика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы

расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты / книги
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас

реклама на сайте
контакты
Магазин химических реактивов
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Газы


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Газы, вещества в агрегатном состоянии, характеризующемся слабым взаимодействием составляющих вещество частиц (по сравнению с их средней кинетической энергией), в результате чего газы заполняют весь предоставленный им объем. Газы, как и нормальные (обычные) жидкости, макроскопически однородны и изотропны при отсутствии внеш. воздействий, в отличие от анизотропных состояний вещества - твердого кристаллического и жидких кристаллов. Строго различать жидкое и газообразное состояния вещества на фазовой диаграмме можно лишь при температуре ниже критической Ткр (см. рис.), т.к. выше Ткр газ нельзя превратить в жидкость повышением давления. Ниже Ткр возможно фазовое равновесие жидкость — пар. причем газообразному состоянию отвечает фаза с меньшей плотностью (газы, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкой или твердой фазой того же вещества, обычно называют паром). В критической точке различие между жидкостью и паром исчезает, поэтому возможен непрерывный (без фазового превращения) переход из газообразного состояния в жидкое. При этом все свойства вещества меняются постепенно (наиболее быстро вблизи критической точки). В тройной точке Т сосуществуют газ, жидкость и твердое тело (кристалл), причем плотность газа вблизи тройной точки обычно на три порядка меньше плотности жидкости или кристалла. Кривую сосуществования жидкости и газа называют кривой парообразования, твердого тела и газа - кривой сублимации (возгонки).

Диаграмма состояния однокомпонентной системы в координатах давление р-температура Т. Линии 1, 2 и 3-кривые парообразования, плавления и возгонки соответственно; Т"кр и ркр-координаты критической точки; Ттр и ртр-координаты тройной точки; V - критический объем.

В нормальных условиях (при 0°С и атмосферном давлении) в газообразном состоянии находятся элементы гелиевой группы (Не, Ne и т. д.), а также ряд элементов, образующих молекулярные газы. О2, N2, Н2, Г2 и С12. Атмосферный воздух состоит из N2 и О2 (соотв. 75,5 и 23,1% по массе), благородных газов. N2O, CO2 и паров Н2О (остальные 1,4%). В природе газы образуются как продукты жизнедеятельности бактерий, при превращениях органических веществ, восстановлении минеральных солей и др. В недрах Земли газы, в основном СН4 и другие легкие углеводороды, как правило, сопутствуют нефтям; встречаются газовые месторождения, содержащие до 70% неуглеводородных компонентов (H2S, CO2 и др.).

При низких давлениях газы смешиваются друг с другом в любых соотношениях. При высоких давлениях и температурах выше Ткр взаимная растворимость газов может быть ограниченной и возможно равновесное сосуществование двух газовых фаз; такие системы рассматривают как расслаивающиеся газовые растворы . Растворимость газы в жидкостях и твердых телах может достигать больших значений (см. табл. 1).

Табл. 1.-РАСТВОРИМОСТЬ ГАЗОВ В ЖИДКОСТЯХ ПРИ 298 К И 10s Па (в мольных долях)

Теория газообразного состояния. Важнейшая теоретическая модель газообразного состояния - идеальный газ, для которого энергия взаимодействия между молекулами пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией их хаотического (теплового) движения. Уравнение состояния для n молей идеального газа, занимающего объем V при температуре Т и давлении р, имеет вид: pV = nRT, где R = 8,31 ДжДмоль-К)-газовая постоянная. Внутренняя энергия 1 моля одноатомного идеального газа = 3/2R. Для идеального газы строго выполняются Бойля-Мариотта закони Гей-Люссака законы, для реальных газы эти законы выполняются приближенно-тем лучше, чем дальше р и Т от критических значений.

Статистическая физика позволяет вычислить макроскопическая свойства идеального газы, рассматривая его как систему из N квазинезависимых молекул и определяя вероятность раз л. состояний отдельной молекулы. В идеальном газы для каждой из молекул все окружающие частицы представляют термостат, с которым она обменивается энергией. В соответствии с каноническим распределением Гиббса среднее число молекул в 1-том состоянии с энергией Е, равно:

где k- постоянная Больцмана; Л-коэффициент, зависящий от Т. Применение данной формулы в случае, когда движение молекул идеального газы подчиняется законам классической механики, позволяет установить распределение молекул по скоростям, а также их пространственное распределение в поле внешних сил. В соответствии с распределением Максвелла среднее число dN молекул с массой m, компоненты скоростей которых лежат в интервалах от vx до vx + dvx, от vy до vy + dvy и от v. до vz + dvz, равно:

где N-общее число молекул. В любом реальном газы распределение по скоростям центров инерции молекул представляет собой распределение Максвелла. При наличии внешнего силового поля, в котором потенциальная энергия молекулы идеального газы зависит от координат ее центра инерции, концентрация молекул устанавливается распределением Больцмана:

где n0- концентрация молекул в отсутствие поля; U(x, у, z)- потенциальная энергия молекулы во внеш. поле. В частности, в однородном поле тяжести, направленном вдоль оси z, U = mgz, где - ускорение свободного падения, и распределение плотности газа определяется т. наз. Барометрической формулой:

где и0 - плотность газа в точке z = 0.

При низких температурах классического статистика неприменима к идеальному газы и заменяется квантовой статистикой Бозе-Эйнштейна или Ферми-Дирака для частиц с целым или полуцелым спином соответственно. Температура, ниже которой отчетливо проявляются квантовые свойства идеального газы, тем выше, чем меньше масса частиц и чем больше плотность числа частиц. Для обычных газов соответствующая температура очень низка; квантовые эффекты практически существенны лишь для Не, Н2 и в некоторой степени для Ne. Квантовую природу системы, проявляющуюся в дискретности энергетического спектра, необходимо учитывать при описании внутренних состояний молекул (электронных, колебательных, а при низких температуpax - и вращательных). Энергетический спектр молекул газы, соответствующий их постулат, движению, можно считать квазинепрерывным, так как расстояния между соседними уровнями энергии малы.

Применение законов классической статистики с учетом квантовых закономерностей позволяет рассчитать по молекулярным данным термодинамическую функции газы (энтропию, внутреннюю энергию, энергии Гельмгольца и Гиббса), константы химическую равновесия газофазных реакций, теплоемкость и кинетические характеристики, знание которых требуется при проектировании многих технологических процессов. Так, теплоемкость идеального газы может быть рассчитана в классической теории, если известно число i степеней свободы молекулы. Вклад каждой из вращательных и поступательных степеней свободы молекулы в молярную теплоемкость Сv равен R/2, а каждой из колебательных степеней свободы - JR (так называемый закон равнораспределения). Частица одноатомного газа обладает тремя постулат, степенями свободы, соответственно. Его теплоемкость составляет ЗR/2, что хорошо совпадает с экспериментальными данными. Молекула двухатомного газа обладает тремя поступательными, двумя вращательными и одной колебательными степенями свободы, и, согласно закону равнораспределения, Су = 1R/2, однако это значение не совпадает с опытными данными даже при обычных температурах. Наблюдаемое расхождение, а также температурная зависимость теплоемкости газов объясняются квантовой теорией.

Кинетические свойства газов - теплопроводность, взаимная диффузия (для газовых смесей), вязкость - определяются столкновениями молекул. В простейшем случае явления переноса рассматриваются для разреженного газы, молекулы которого считаются упругими шарами, взаимодействующими лишь в момент соударения. В первом приближении все коэффициенты переноса выражаются через среднюю длину свободного пробега молекулы где -диаметр молекулы. Так, , где - средняя скорость теплового движения молекул. Более строгая теория учитывает взаимодействие молекул на расстоянии, что приводит к появлению в выражениях для коэффициента переноса так называемых интегралов столкновений, которые могут быть рассчитаны, если известен вид потенциала межмолекулярных взаимодействий.

Свойства реальных газов. Неидеальность газов в молекулярно-кинетической теории рассматривается как результат взаимодействия молекул. В первом приближении ограничиваются рассмотрением парных взаимодействий, во втором-тройных и т.д. Такой подход приводит к вириальному уравнению состояния, коэффициент которого может быть теоретически рассчитаны, если известен потенциал межмолекулярных взаимодействий. Наиболее полезно вириальное уравнение при рассмотрении свойств газы малой и умеренной плотности. Предложено много эмпирической и полуэмпирических уравнений, связывающих р, V и Т, которые либо исходят из некоторой простой модели взаимодействий (например, уравнение Ван-дер-Ваальса), либо выражают чисто эмпирической зависимость, справедливую для определенного класса веществ.

Наличие межмолекулярных взаимодействий оказывает влияние на все свойства реальных газы, в том числе приводит и к тому, что их внутренняя энергия зависит от плотности. С этим свойством связан эффект Джоуля-Томпсона: изменение температуры газа при его адиабатическом расширении, например при протекании с малой постоянной скоростью через пористую перегородку (этот процесс называют дросселированием). Учет межмолекулярных взаимодействий и внутреннего строения молекул необходим при решении многих теоретических задач физической химии. Молекул, которые можно было бы принимать как упругие шары, практически не бывает, и при расчете свойств реальных газы применяют другие молекулярные модели. Из них наиболее употребительны простые модели гармонического осциллятора и жесткого ротатора. Физические свойства некоторых газов приведены в табл. 2 [по данным Автоматизированной информационной системы достоверных данных о теплофизических свойствах газов и жидкостей (АИСТ)].

Лит.: Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Рид Р., ПраусницДж., Шервуд Т., Свойства газов и жидкостей, пер. с англ., Л., 1982; Смирнова Н. А., Методы статистической термодинамики в физической химии, 2 изд., М, 1982. М. А. Анисимов.

Табл. 2.-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ (Г= 273,15 К, р = 1,01 * 105 Па)




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVI
Контактная информация