Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ГАЗЫ

ГАЗЫ, в-ва в агрегатном состоянии, характеризующемся слабым взаимод. составляющих в-во частиц (по сравнению с их средней кинетич. 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 в-ва - твердого кристаллического и жидких кристаллов. Строго различать жидкое и газообразное состояния в-ва на фазовой диаграмме можно лишь при т-ре ниже критической Гкр (см. рис.), т.к. выше Ткр газ нельзя превратить в жидкость повышением давления. Ниже Ткр возможно фазовое равновесие жидкостьпар, причем газообразному состоянию отвечает фаза с меньшей плотностью (газ, находящийся в термодинамич. равновесии с жидкой или твердой фазой того же в-ва, обычно наз. паром). В критич. точке различие между жидкостью и паром исчезает, поэтому возможен непрерывный (без фазового превращения) переход из газообразного состояния в жидкое. При этом все св-ва в-ва меняются постепенно (наиб, быстро вблизи критич. 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).
1093-6.jpg

Диаграмма состояния однокомпонентной системы в координатах давление(P) температура(Т). Линии 1, 2 и 3-кривые парообразования, плавления и возгонки соотв.; 7"кр и ркр-координаты критич. точки; Ттр и ртр-координаты тройной точки; И,—-Критич. объем.

В нормальных условиях (при 0°С и атм. 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. Атм. 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 орг. в-в, восстановлении минер. солей и др. В недрах Земли газы, в основном СН4 и др. 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 т-рах выше Ткр взаимная р-римость газов может быть ограниченной и возможно равновесное сосуществование двух газовых фаз; такие системы рассматривают как расслаивающиеся газовые р-ры (см. Критическое состояние). Р-римость газов 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)
1093-7.jpg

Теория газообразного состояния. Важнейшая теоретич. модель газообразного состояния - идеальный газ, для к-рого энергия взаимод. между молекулами пренебрежимо мала по сравнению с кинетич. энергией их хаотич. (теплового) движения. Ур-ние состояния для п молей идеального газа, занимающего объем V при т-ре Т и давлении р, имеет вид: pV = nRT, где R = 8,31 ДжДмоль-К)-газовая постоянная (см. Клапейрона - Менделеева уравнение). Внутр. энергия 1 моля одноатомного идеального газа ? = 3/2/?Т ДлЯ идеального газа строго выполняются Бойля-Мариотта закон и Гей-Люссака законы, для реальных газов эти законы выполняются приближенно-тем лучше, чем дальше р и Т от критич. значений.

Статистич. физика позволяет вычислить макроскопич. св-ва идеального газа, рассматривая его как систему из N квазинезависимых молекул и определяя вероятность раз л. состояний отдельной молекулы. В идеальном газе для каждой из молекул все окружающие частицы представляют термостат, с к-рым она обменивается энергией. В соответствии с канонич. распределением Гиббса среднее число1093-8.jpg молекул в 1-том состоянии с энергией Е, равно:
1093-9.jpg

где k- постоянная Больцмана; Л-коэф., зависящий от Т. Применение данной ф-лы в случае, когда движение молекул идеального газа подчиняется законам классич. механики, позволяет установить распределение молекул по скоростям, а также их пространств. распределение в поле внеш. сил. В соответствии с распределением Максвелла среднее число dN молекул с массой ш, компоненты скоростей к-рых лежат в интервалах от vx до vx + dvx, от vy до vy + dvy и от v. до vz + dvz, равно:
1093-10.jpg

где N- общее число молекул. В любом реальном газе распределение по скоростям центров инерции молекул представляет собой распределение Максвелла. При наличии внеш. силового поля, в к-ром потенциальная энергия молекулы идеального газа зависит от координат ее центра инерции, концентрация молекул устанавливается распределением Больцмана:
1093-11.jpg

где п0- 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, где1093-12.jpg-ускорение своб. падения, и распределение плотности газа определяется т. наз. барометрической формулой:
1093-13.jpg

где и0 - плотность газа в точке z = 0.

При низких т-рах классич. статистика неприменима к идеальному газу и заменяется квантовой статистикой Бо-зе-Эйнштейна или Ферми-Дирака для частиц с целым или полуцелым спином соответственно. Т-ра, ниже к-рой отчетливо проявляются квантовые св-ва идеального газа, тем выше, чем меньше масса частиц и чем больше плотность числа частиц. Для обычных газов соответствующая т-ра очень низка; квантовые эффекты практически существенны лишь для Не, Н2 и в нек-рой степени для Ne. Квантовую природу системы, проявляющуюся в дискретности энергетич. спектра, необходимо учитывать при описании внутр. состояний молекул (электронных, колебательных, а при низких т-pax-и вращательных). Энергетич. спектр молекул газа, соответствующий их постулат, движению, можно считать квазинепрерывным, т.к. расстояния между соседними уровнями энергии малы.

Применение законов классич. статистики с учетом квантовых закономерностей позволяет рассчитать по молекулярным данным термодинамич. функции газа (энтропию, внутр. энергию, энергии Гельмгольца и Гиббса), константы хим. равновесия газофазных р-ций, теплоемкость и кинетич. характеристики, знание к-рых требуется при проектировании мн. технол. процессов. Так, теплоемкость идеального газа может быть рассчитана в классич. теории, если известно число i степеней свободы молекулы. Вклад каждой из вра-щат. и постулат, степеней свободы молекулы в молярную теплоемкость Су равен R/2, а каждой из колебат. степеней свободы-JR (т. наз. закон равнораспределения). Частица одноатомного газа обладает тремя постулат, степенями свободы, соотв. его теплоемкость составляет ЗЯ/2, что хорошо совпадает с эксперим. данными. Молекула двухатомного газа обладает тремя поступательными, двумя вращательными и одной колебат. степенями свободы, и, согласно закону равнораспределения, Су = 1R/2, однако это значение не совпадает с опытными данными даже при обычных т-рах. Наблюдаемое расхождение, а также температурная зависимость теплоемкости газа объясняются квантовой теорией (подробнее см. в ст. Теплоемкость).

Кинетич. св-ва газов - теплопроводность, взаимная диффузия (для газовых смесей), вязкость-определяются столкновениями молекул. В простейшем случае явления переноса рассматриваются для разреженного газа, молекулы к-рого считаются упругими шарами, взаимодействующими лишь в момент соударения. В первом приближении все коэф. переноса выражаются через среднюю длину своб. пробега молекулы1093-14.jpg где1093-15.jpg-диаметр молекулы. Так,1093-16.jpg , где1093-17.jpg-средняя скорость теплового движения молекул. Более строгая теория учитывает взаимод. молекул на расстоянии, что приводит к появлению в выражениях для коэф. переноса т. наз. интегралов столкновений, к-рые м. б. рассчитаны, если известен вид потенциала межмолекулярных взаимодействий.

Свойства реальных газов. Неидеальность газов в молекуляр-но-кинетич. теории рассматривается как результат взаимод. молекул. В первом приближении ограничиваются рассмотрением парных взаимодействий, во втором-тройных и т.д. Такой подход приводит к вириалъному уравнению состояния, коэф. к-рого м. б. теоретически рассчитаны, если известен потенциал межмол. взаимодействий. Наиб. полезно вириальное ур-ние при рассмотрении св-в газов малой и умеренной плотности. Предложено много эмпирич. и по-луэмпирич. ур-ний, связывающих р, V и Т, к-рые либо исходят из нек-рой простой модели взаимодействий (напр., Ван-дер-Ваалъса уравнение), либо выражают чисто эмпирич. зависимость, справедливую для определенного класса в-в (см. Уравнения состояния).

Наличие межмол. взаимодействий оказывает влияние на все св-ва реальных газов, в т.ч. приводит и к тому, что их внутр. энергия зависит от плотности. С этим св-вом связан эффект Джоуля-Томпсона: изменение т-ры газа при его адиабатич. расширении, напр. при протекании с малой постоянной скоростью через пористую перегородку (этот процесс наз. дросселированием). Учет межмол. взаимодействий и внутр. строения молекул необходим при решении мн. теоретич. задач физ.химии. Молекул, к-рые можно было бы принимать как упругие шары, практически не бывает, и при расчете св-в реальных газов применяют др. молекулярные модели. Из них Наиб. употребительны простые модели гармонич. осциллятора и жесткого ротатора. Физ. св-ва нек-рых газов приведены в табл. 2 [по данным Автоматизированной информац. системы достоверных данных о теплофиз. св-вах газов и жидкостей (АИСТ)].


===
Исп. литература для статьи «ГАЗЫ»: Гиршфельдер Дж., КертиссЧ., 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)
Свойства газов при нормальных условиях

Страница «ГАЗЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн