AP化学必考知识点 - Gas Law气体定律解析

　　AP化学知识点 - Gas Law气体定律是AP化学的必考内容，在 state of matter 这部分占的分值多。气体的知识点需要由宏观的气体定律和微观的 kinetic molecular theory 两方面学习。

　　其中，气体定律可用于气体的定量计算题，微观的 kinetic molecular theory 可用于解释气体定律和一些特别的气体现象。

　　文字版内容

　　首先，由微观方面考虑，理想气体行为遵循 kinetic molecular theory。

　　关于这个理论，有两点内容需要着重理解领悟。对于理想气体，因为相邻粒子间的距离远大于粒子本身的体积，所以粒子本身的体积可忽略。另外，理想气体粒子间的任何吸引力和排斥力也可以忽略。

　　对于理想气体，平均动能与其温度成正比。理想气体粒子的平均速率与温度的平方根成正比，与气体粒子 molecular weight 的平方根成反比。

　　理想气体粒子对温度和 molecular weight 的速率分布都符合 Maxwell 曲线。

　　由宏观方面考虑，理想气体行为遵循一些气体定律。

Boyle’s Law 定义的是在恒定温度条件下，对于一定量气体，其压力和体积的乘积是一个不变常数，也可以表达为的形式。

　　Charles’s Law 定义的是在恒定压力条件下，对于一定量气体，其体积与温度的比值是一个不变的常数。

　　Charles’s Law 的另一种表达形式为 Gay-Lussac’s Law 。在恒定体积条件下，对于一定量气体，其压力与温度的比值是一个不变的常数。

　　将 Boyle’s Law 和 Charles’s Law 综合起来，得到的定律是The Combined Gas Law。

　　Avogadro’s Law 指的是，在恒定的温度和压力条件下，理想气体的体积与摩尔数的比值是一个不变的常数。

　　这里定义了理想气体的 standard molar volume。在标准温度和标准压力的条件下(STP)，一摩尔理想气体的体积定义为 standard molar volume，这个值都是22.414 liters per mole。

　　综合上述气体定律后，可以推导出 The Ideal Gas Equation。

　　其中，R是 gas constant，其取值与压力和体积的单位有关。在气体的研究中，当压力单位是atm，体积单位是 liter 时，R取值为0.0821，单位是 (L x atm) /(mol x K)。

　　在AP化学考试中，对气体的考察通常会存在混合气体的体系。需要明确的是，混合体系中每一种气体的体积都等于容器的体积，每一种气体的压力称为其 partial pressure，符合 Dalton’s law of partial pressures，体系中的总压等于每一种气体的 partial pressure 之和。

　　在制备气体的实验中，如果气体不溶于水中，通常可以用 water displacement 的方法收集气体。但是需要注意，收集到的气体不是纯净的单一气体，是包括水蒸气在内的混合气体。所以在求制备气体量的过程中，需要由大气压中减去在实验温度条件下对应的水蒸气压力。得到的才是制备气体的压力。

　　最后，Graham’s law of diffusion and effusion 定义了在 diffusion 和effusion过程中，气体的速率与 molar mass 的平方根的反比关系。

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