第一节 气体
气体的基本特性是具有扩散性和可压缩性。气体的存在状态主要决定于四个因素，即压力、体积、温度和物质的量，反映这四个物理量直接关系的方程式为气体状态方程。
一、理想气体状态方程式
我们把分子本身不占体积，分子间没有相互作用力的气体称为理想气体。理想气体是一种假设的气体模型，通常遇到的实际气体都是非理想气体。只有在压力不太高和温度不太低的情况下，分子间距离很大，气体的体积已远远超过分子本身所占的体积，因而可忽略后者，而且分子间作用力也因分子间距离拉大而迅速减小，实际气体的存在状态才接近于理想气体，用理想气体的状态方程式来计算才不会引起显著的误差。
理想气体状态方程为：
pV=nRT （3-1）
式中 p——气体压强，Pa；
V——气体体积，m3；
n——气体物质的量，mol；
T——气体的热力学温度，K；
R——摩尔气体常数，其数值及单位可用下面的方法来确定，已知在标准状况（p=101.325kPa，T=273.15K）下，1mol气体的标准摩尔体积为22.4141×10-3m3，则：
【例3-1】某氢气钢瓶的容积为50.0L，25.0℃时，压力为500KPa，计算钢瓶中氢气的质量。
解：根据式（3-1），得：
氢气的摩尔质量为2.01g·mol-1，钢瓶中氢气的质量为：m=10.1mol×2.01g·mol-1=20.3g。
二、道尔顿分压定律
气体常以混合物的形式存在。如果将几种彼此不发生化学反应的气体放在同一容器中，其中某一组分气体B对容器壁所施加的压力，称为该气体的分压（pB），它等于相同温度下该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。1801年道尔顿（Dalton.J）通过实验发现，混合气体的总压力等于各组分气体分压力之和。以上关系就称作道尔顿分压定律。
若用p1，p2…分别表示气体1，2，…的分压力，p代表总压力，则道尔顿分压定律可表示为：
p=p1+p2+…
或 p=∑pi （3-2）
设有一混合气体，有i个组分，pi和ni分别是各组分的分压和物质的量，V为混合气体的体积，则：
由道尔顿分压定律可知：
式中，n为混合气体的总的物质的量。由此可见，气体状态方程不仅适用于某一纯净的气体，也适用于气体混合物。
将式（3-3）除以式（3-4），可得：
或
令 
则 pi=xip （3-6）
式（3-6）中，x表示混合物中某种物质的含量，称为摩尔分数。例如，某混合物由A、B两组分组成，它们的物质的量分别为nA、nB，则A组分的摩尔分数xA和B组分xB分别为：
由于 n=nA+nB
显然 xA+xB=1
即混合物中各组分摩尔分数之和必等于1。由此可见，式（3-6）是道尔顿分压定律的另一种表达形式，表示混合气体某组分的分压等于该组分的摩尔分数与混合气体总压之乘积。
实际工作中常用各组分气体的体积分数表示混合气体的组成。在同温同压下，气体的物质的量与体积成正比，因此，混合气体中组分B的体积分数等于B的摩尔分数，即：
式中，VB表示组分气体B的体积；V表示混合气体的总体积。
将式（3-7）带入式（3-5）可得：
严格地讲，分压定律只适用于理想气体混合物，但对压力不太高的真实混合气体，在温度不太低的情况下也可以近似使用。在无机及分析化学中，把气体均近似作理想气体。
【例3-2】冬季草原上的空气主要含有氮气（N2）、氧气（O2）和氩气（Ar）。在压力为9.7×104Pa及温度为-22℃时，收集的一份空气试样经测定其中氮气、氧气和氩气的体积分数依次为78％、21％、1％。计算收集试样时各气体的分压。
解：根据式（3-8）
p（N2）=0.78p=0.78×9.7×104Pa=7.6×104Pa
p（O2）=0.21p=0.21×9.7×104Pa=2.0×104Pa
p（Ar）=0.010p=0.010×9.7×104Pa=0.097×104Pa
【例3-3】在一钢制圆筒容器中盛有5.00mol石墨和5.00molO2。此混合物点火燃烧后石墨全部变成CO2和CO。当容器冷却至原来的温度时发现压力增加17％。试计算最后混合气体中CO2、CO和O2的摩尔分数。
解：石墨燃烧反应为
C（s）+O2（g）＝CO2（g）
当燃烧产物为CO2时，反应前后气体物质的量不变；当燃烧产物为CO时，反应后气体物质的量增加1倍。现设生成CO的物质的量为xmol，则燃烧后气体物质的量的增加为
，又因为温度和体积不变时压力与气体物质的量成正比，所以
x=1.70
即 n（CO）=1.70moln（CO2）=（5.00-1.70）mol=3.30mol
所以产物中
