Understanding Gases: Temperature, Intermolecular Attraction, and Pressure

Slide1Honors ChemistryChapter 5 Gases

Slide25.1 Gases• Temperature vs. Intermolecular attraction • Atomic Gases • Noble Gases, H 2 , N 2 , O 2 , F 2 , Cl 2 • Molecular Gases • Usually light molecules with weak attraction forces • Eg: HCl, CO 2 , NH 3 , H 2 S, NO 2 • Ionic Compounds • Strong forces; not normally gases

Slide35.2 Pressure• Force per unit area • P = F/A • N/m 2  unit defined as Pascal (Pa) • Standard air pressure = 101.325 kPa • Also called 1 atmosphere (atm) • Measured by unequal mercury levels • Manometers and barometers • Common unit called mmHg (or Torr) • Standard air pressure = 760 mmHg

Slide45.2 Dimensional Analysis• Convert 75.0 kPa to mmHg • 75.0 kPa     760 mmHg -----------  x  ---------------   =  563 mmHg      1           101.325 kPa • Try this one • Convert 1.25 atm to kPa

Slide55.3 Boyle’s Law• Pressure is inversely proportional to volume • Hold temperature and amount of gas constant • V    1/P • V = k x (1/P) • PV = k • Best used with changing conditions • P 1 V 1  = P 2 V 2

Slide65.3 Boyle’s Law Problems• A 175 mL sample of methane is stored at 125 kPa.  What pressure is needed to compress the gas to a volume of 50.0 mL? • P 1 V 1  = P 2 V 2 • (125 kPa) (175 mL) = P 2  (50.0 mL) • P 2  = 438 kPa • Try this one • A sample of argon occupies 476 mL at 650 Torr. Find the volume at 975 Torr.

Slide75.3 Charles’ Law• Also credited to Gay-Lussac • Volume is directly proportional to temperature • Hold pressure and amount of gas constant • V    T • V = kT • Linear relationship • Must use Kelvins! • V 1        V 2 ---  =  --- T 1        T 2

Slide85.3 Charles’ Law Problems• A 5.00 L helium balloon is heated from 20 o C to 75 o C.  Find its new volume. • V 1 /T 1  = V 2 /T 2 • 5.00 L          V 2 ---------  =  -------- 293 K        348 K • V 2  = 5.94 L • Try this one • A 670 mL sample of chlorine is stored at 50 o C.  At what temperature will its volume be 450 mL?

Slide95.3 More Gas Laws• Another form of Charles’ Law • Pressure is directly proportional to temperature • P = kT • P 1 /T 1  = P 2 /T 2 • Avogadro’s Law • Volume is directly proportional to the amount of gas present • V    n • Volume relationships in chemical reactions

Slide105.3 Avogadro’s Law Problems• How many liters of hydrogen are needed to completely react with 1 liter of oxygen? • 2 H 2  + O 2     2 H 2 O • 2 mol hydrogen react with 1 mol oxygen • V    n, so…. • 2 L hydrogen react with 1 L oxygen • Try this one • How many liters of ammonia are formed when 1 L of hydrogen reacts with excess nitrogen?

Slide115.4 The Ideal Gas Equation• Ideal Gas • No intermolecular attraction forces • Particles have no volume • Combine Boyle’s, Charles, and Avogadro’s Laws • PV = nRT • STP = 1 atm, 273 K • Molar volume of a gas = 22.414 L at STP • R = 0.0821 atm L / mol K

Slide125.4 Ideal Gas Equation Problems• A sample of fluorine occupies 3.65 L at 45 o C and 2.50 atm.  How many moles of fluorine are present? • PV = nRT • (2.50 atm)(3.65 L) = n (0.0821)(318 K) • n = 0.350 mol • Try this one • A 0.500 mol sample of propane occupies 2.15 L.  If the temperature is 28 o C, find the pressure.

Slide135.4 Gas Density• Since n = m/M…. • PV = (m/M) RT • MPV = mRT • Divide by V to get density (m/V) • MP =   RT • Gas density expressed in g/L

Slide145.4 Gas Density Problems• Find the density of nitrous oxide at STP. • First, find molecular mass of N 2 O • MP =   RT • (44.0 g/mol)(1.00 atm) =    (0.0821)(273 K) •     = 1.96 g/L • Try this one…. • A gas is found to have a density of 2.54 g/L at 15 o C and 1.50 atm.  Find its molecular mass.

Slide155.5 Gas Stoichiometry• Mass-Mass problems (review) • Volume-Volume problems • Volume is proportional to moles, so…. • Mol relationship from reaction can be used directly • No conversions needed!

Slide165.5 Volume-Volume Problem• 2 H 2  + O 2     2 H 2 O • If 3.25 L of oxygen react, how many liters of water vapor are formed? • 3.25 L O 2      2 L H 2 O ------------- x ------------ = 6.50 L H 2 O        1            1 L O 2 • Volume-Volume is just Avogadro’s Law!

Slide175.5 Mass-Volume Problems• Key step – get to moles! • Mass conversion – use molecular mass • Volume conversion – use gas equation • Need to know temperature and pressure conditions

Slide185.5 Mass-Volume Problems• 25.0 g of sodium react with excess water at STP.  How many liters of hydrogen are produced? • 2 Na + 2 H 2 O    2 NaOH + H 2 • 25.0 g Na  1 mol Na   1 mol H 2 ------------ x ----------- x ----------- = 0.543 mol       1         23.0 g Na   2 mol Na • Now use ideal gas equation to get volume

Slide195.5 Mass-Volume Problems• PV = nRT • (1.00 atm) V = (0.543 mol)(0.0821)(273 K) • V = 12.2 L • Try this one • Potassium chlorate decomposes into potassium chloride and oxygen gas.  How many grams of KClO 3  are needed to produce 5.00 L of oxygen at 0.750 atm and 18 o C? • Hint: This one is backwards!

Slide205.6 Dalton’s Law• Partial pressure – the pressure of an individual gas in a mixture of gases • Total pressure of a mixture equals the sum of the partial pressures of each gas • P t  = P 1  + P 2  + P 3  + ... • Partial pressure is proportional to the mol fraction (X 1  = n 1  / n t ) • P 1  = X 1  P t

Slide215.6 Dalton’s Law• 2.00 mol He is mixed with 1.00 mol Ar.  Find the partial pressure of each at 1.75 atm pressure. • X He  = 2.00 mol / 3.00 mol = 0.667 • X Ar  = 1.00 mol / 3.00 mol = 0.333 • P He  = (0.667) (1.75 atm) = 1.17 atm • P Ar  = (0.333) (1.75 atm) = 0.583 atm • Try this... • Find the partial pressure of oxygen in air if it makes up 21% of the Earth’s atmosphere by volume.  (Note: The volume gives you the mole ratio because of Avogadro’s law.)

Slide225.7 Kinetic Molecular Theory• Explains gas behavior in terms of molecular motion • Energy • Work done by a moving object • Measured in SI unit Joule (J) • Kinetic energy • Energy due to motion • K = ½ mv 2 • KMT is a simplification of reality (ideal gas)

Slide235.7 Kinetic Molecular Theory• Gas molecules are separated by great distances • They can be treated as “point masses” • Gas molecules are in constant random motion • Frequent elastic collisions (no energy lost) • No attractive or repulsive forces • Average K is proportional to Temperature

Slide245.7 Distribution of MolecularSpeeds • Maxwell-Boltzmann Distribution • Molecular speeds distributed around average • Peak velocity depends on temperature and on molec. mass • Root Mean Square Speed •             _____ v rms  =  √3RT/M • Rate of diffusion

Slide255.8 Deviations from Ideal Behavior• We made approximations! • Point masses • No intermolecular forces • These approximations become bad at... • High pressure • Low temperature • Liquefaction • van der Waals Equation • (P + an 2 /V 2 ) (V – nb) = nRT