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1 第九章氣體 Gases 物質三態 地球環境 碳捕集應用和貯存 緒言 11.1 壓力 11.2 氣體定律 壓力和體積 : 波以耳定律 體積和溫度 : 查理定律 體積和莫耳數 : 亞佛加厥定律 11.3 理想氣體定律 11.4 氣體的化學計量 11.5 道耳吞分壓定律 11.6 氣體動力論 11.7 逸散和擴散 11.8 真實氣體 11.9 大氣化學 物質三態 水的三態

2 地球的六大基本圈 Atmosphere 大氣圈 Hydrosphere 水圈 Lithosphere 岩石圈 Biosphere 生物圈 Cryosphere 冰凍圈 Anthrosphere 人類圈 地球的基本圈 Hydrosphere 水圈 Biosphere 生物圈 Atmosphere 大氣圈 Lithosphere 岩石圈 Cryosphere 冰凍圈 Anthrosphere 人類圈 息息相關環環相扣 生物地球化學 ( 碳例 ) 循環 可以一月不進食? 可以一日不喝水? 可以一分不呼吸? 交互作用 因果影響 Earth System Science 地球系統科學 大氣圈 光合作用 呼吸及衰解 生物圈 溶解 風化及火山 事件 揮發 Burial & Lithification 水圈 光合作用 Burial & Lithification 岩石圈

3 大氣圈 CO 2 的轉變 水圈 ( 海洋 )CO 2 的轉變 不同模式預測全球土地碳淨汲取量 (IPCC, 2001) 岩石圈 ( 地表 ) 使用的轉變 1700 ~1990 綠色 = 主要為植被, 黃色 = 莊稼, 藍色 = 牧草

4 Carbon Capture and Storage 二氧化碳為空氣污染物 Figure 4.22: CCS systems showing the carbon sources for which CCS might be relevant, and options for the transport and storage of CO 2. Source: IPCC, Carbon Cycle 環保署公告 二氧化碳 甲烷 氧化亞氮 氫氟碳化物 六氟化硫及全氟化碳為空氣污染物, 優先推動溫室氣體申報法制作業 環保署認為科學上對於溫室氣體物質排放間接影響生活環境及妨害國民健康的證據及論述已日臻明確, 係能符合空氣污染防制法第二條第一款所規定空氣污染物的定義, 該署爰引用空氣污染防制法施行細則第二條第六款規定將前述溫室氣體公告為空氣污染物, 以明確法律建立機制 13 Carbon Capture Use and Storage (CCUS) Analysis report on the difference of the environmental impact Sixth naphtha cracker the 4 th expansion Formosa Petrochemical Corp CO 2 as Renewable Resource for Energy & Chemicals KRATON Company, HSBC (high-value added products) Hydrogenated Styrene-Butadiene Block Copolymer Conclusions: 1.The emission of APs, HAPs(0) water usage amount (-2), and GHG emission (-1.5) should reduce first before production. 2.Promote CSUS and a T/yr or 80 T/Day plant (Chemical Engineering Use or food grade CO 2 before 2015 ) 15 16

5 煙霧解析 / 教廷選教宗氯酸鉀報佳音 數百年來, 天主教教廷每選出新教宗, 都是透過梵蒂岡西斯汀教堂煙囪的白煙, 傳達給世人 ( 歐新社 ) 每當梵蒂岡西斯汀教堂屋頂的煙囪冒出白煙, 就表示新的天主教教宗誕生了 樞機主教透過煙囪的黑煙和白煙向外界發布訊息, 這種傳統持續多年, 曾經嘗試多種可燃材料, 但為了確保煙的黑白純度, 最終還是回到科學的操作方法 為了釋疑, 教廷日前終於解密, 公布製造黑 白煙的材料 白煙燒的是氯酸鉀 乳糖和松香 ; 黑煙則用過氯酸鉀 硫磺和蒽 2013/04/01 聯合報 本報記者鄭朝陽

6 清華大學化學系教授凌永健表示, 從前教廷是用瀝青燒出黑煙, 用稻草燒出白煙, 但因天光明暗有別, 煙的黑白色 純度 分別不夠明確, 不同角度看起來像是灰色, 常常造成誤會 直到 2005 年, 也就是上屆選出本篤 16 世教宗的閉門會議時, 梵蒂岡才徹底改用上述這套配方, 有效管控煙的顏色 凌永健指出, 燃燒有三要素, 包括可燃物 助燃物和溫度 在可燃物方面, 教廷用選票 氯酸鉀 乳糖和松香燒出白煙, 其中, 選票及望彌撒用的松香都是就近可取的可燃物 ; 氯酸鉀含高比例的氧, 是很好的助燃劑, 乳糖扮演黏著這些可燃與助燃物的角色 至於製造黑煙的材料, 過氯酸鉀和氯酸鉀差不多, 都是煙火常用的助燃材料 ; 黑煙的關鍵是蒽, 它具防腐效果, 也被拿來做殺蟲劑, 因燃點高達 300 以上, 溫度不夠很容易燃燒不完全, 不僅燃燒過程易冒黑煙, 燒完也會留下碳黑 由於燃燒蒽汙染環境嚴重, 歐盟已打算管制禁燒 至於教廷燒出的白煙, 凌永健說, 氯酸鉀燒過殘留微量無機氯化鉀顆粒, 其它就是二氧化碳和水等碳氫氧化物 但黑煙因燃燒硫酸和瀝青 ( 蒽 ), 就含二氧化硫等有害物質, 並不環保 2013/04/01 聯合報 本報記者鄭朝陽 煙霧解析 / 森林白煙醒目雪地沙漠燒黑煙 煙霧透光度若愈低, 不管是白煙或黑煙, 都代表其中的懸浮微粒等有害物質含量愈高 ( 歐新社 ) 環保署生態社區推動方案室組長許仁澤說, 白天煙霧是良好的定位器, 所以火堆除了有乾燥的樹葉等易燃物, 還要添加含有水分的綠草 綠樹葉及樹枝 蕨類植物等散發煙霧的材料, 濃煙升空後與周圍綠色環境形成強烈對比, 吸引空中直升機等飛行器注意 至於在雪地或沙漠中, 黑煙較為醒目, 燃燒時可添加橡膠 ( 輪胎 ) 汽油等材料 許仁澤表示, 燃燒稻草 樹枝等農業廢棄物常冒白煙, 主要是在低溫的狀態下燃燒含碳量低的纖維質, 因燃燒不完全所致 ; 如果是高溫燃燒, 當下就是火焰, 幾乎看不到煙 而前述的白煙成分主要是碳氫化合物, 也就是二氧化碳和水氣 清大化學系教授凌永健表示, 黑煙也是燃燒不完全的現象, 但憑目測, 白煙所含的汙染物是否比黑煙少, 端看煙的 透光率 而定 凌永健說, 透光率越高, 煙就越淡 越透明, 顯示燃燒越完全, 汙染就少 若透光率低, 煙就越濃, 若煙的尾氣拖得很長, 立刻就可判斷並非水蒸汽, 而是含有不明物質的汙染物 2013/04/01 聯合報 本報記者鄭朝陽 大氣壓力存在的實驗 ( 圖 11.1) 氣壓計 (barometer) 圖 11.2 在海平面上一玻璃管內填滿水銀並倒置於水銀皿中, 管內水銀會流出直到接近 760 mm 水銀柱高 ( 高度隨大氣條件改變 ) 大氣的壓力會與水銀管柱中的水銀重量達到平衡 1643 年, 義大利科學家托里切利 (Evangelista Torricelli, ) 發明的測量大氣壓力的氣壓計

7 大氣壓力 大氣壓力 大氣壓力源自於空氣的質量受到地心引力或受到空氣的重力所造成 當改變天氣條件時, 大氣壓力亦隨著改變, 所以水銀柱高度保持在海平面大氣壓力水平, 而並不是一直保持在 760 mm 氣象學者所說的 低氣壓 的意義即是大氣壓力下降, 如暴風雨來臨之前, 水銀柱的高度就會下降 大氣壓力亦隨著高度變化而改變, 這是因為高山上空氣較稀薄, 空氣在地表的作用力比在水平面的作用力來得小 測量氣體壓力的設備一般均具有水銀, 最常用的壓力單位因此皆以汞柱高度 (mm) 為主 為紀念托里切利, 此壓力單位毫米汞柱 (mm Hg) 通常稱為托兒 (torr), 毫米汞柱與托兒這兩個單位常被化學家交換使用, 壓力的相對單位為標準大氣壓 (standard atmosphere) 壓力的定義 簡單壓力計的裝置 壓力的定義為單位面積所受的力, 其國際系統單位 (SI 制 ) 為巴斯卡 (pascal, 簡稱 Pa) 圖 大氣壓約為 100,000 或 105 Pa, 因為巴斯卡單位太小, 因此不常使用 在工程科學及測量輪胎壓力所使用的壓力單位為每平方英吋磅 (pounds per square inch), 簡稱 psi 圖 13.3 利用壓力計測量容器內部氣體壓力 氣體壓力等於高度 h ( 水銀平面的差 ), 其單位為 torr( 等於 mm Hg) (a) 氣體壓力 = 大氣壓力 h (b) 氣體壓力 = 大氣壓力 +h

8 例題 11.1 壓力單位轉換 波以耳實驗裝置 在輪胎內空氣壓力為 28 psi, 試將其單位轉為大氣壓 (atm) torr Pa 圖 11.4 波以耳所使用的 J 型管 測量氣體的壓力可隨添加或撤除水銀而改變 愛爾蘭科家波以耳 ( Robert Boyle, ), 致力於研究 J 型管內氣體壓力與體積的關係 波以耳實驗數據 波以耳定律 空氣的壓力和體積的關係可表示為 : 壓力乘以體積為一定值, 或以下式表示 這個關係式就叫做波以耳定律 (Boyle s law), 其中 k 在特定溫度及氣體數量下為常數 從波以耳實驗所得數據可知 k = (in Hg) in. 3 P.377

9 波以耳定律 波以耳定律之圖示 圖 11.5 用波以耳實驗數據, 以 P 對 V 作圖 查理定律 圖 11.7 數種氣體的體積 (L) 對溫度 ( ) 之關係圖 注意每種氣體包含不同數目的莫耳數所延伸的圖 法國科學家查理 Jacques Charles ( ) 查理定律 圖 11.8 數種氣體的體積 (L) 對凱氏溫度 (K) 之關係圖 實驗顯示物質並無法冷卻到低於 -273 因此, 在凱氏 (Kelvin) 溫標下, 此溫度被定義為絕對零度 (absolute zero)

10 查理定律 例題 13.5 利用查理定律計算體積 氣體的體積與溫度成正比 ( 在凱氏溫標下 ) 的行為可用下列方程式表示, 此處 T 為凱氏溫度,b 為比率常數 查理定律表示當氣體在定量及定壓條件下, 以凱氏溫標之溫度和體積成正比 : 1 atm 下一空氣試樣在 15 時體積 2.58 L, 當溫度上升至 38, 試問 : a. 氣體的體積是上升或下降? b. 計算空氣的新體積 體積對溫度的比值必須為常數, 即當溫度成 3 倍之後氣體的體積也必須成 3 倍 亞佛加厥定律 亞佛加厥定律應用 在定溫定壓之下, 氣體的體積正比於莫耳數 亞佛加厥定律為義大利科學家亞佛加厥 ( Amadeo Avogadro) 首先在 1811 年提出的假說 當一氣體在定溫定壓之下, 氣體的體積正比於氣體的莫耳數, 此現象稱為亞佛加厥定律 (Avogadro s law) V 為氣體的體積,n 為氣體的莫耳數, 而 a 為正比常數

11 例題 13.7 利用亞佛加厥定律來計算 理想氣體關係 假設在 1atm 及 25 下, 有一樣品體積為 12.2 L, 其中包含 0.50 mol 的氧氣 (O 2 ) 假如在相同溫度及壓力之下, 這些氧氣均轉變為臭氧 (O 3 ), 則所形成的臭氧體積為何? 前述 3 實驗所獲得描述氣體行為的定律如下 : 結合上述關係為 : R 為合併之比例常數並被稱為萬有氣體常數 (universal gas constant), 當壓力以大氣壓 (atm) 體積以升 (L) 為單位時, 則 R 值為 L atm/k mol 理想氣體定律 理想氣體定律的應用 Ideal gas law 描述氣體所有重要特性的狀態方程式 : 壓力 (P) 體積 (V) 莫耳數 (n) 和溫度 (T) 等四個變數 基於測量氣體性質之經驗法則, 遵守此定律的氣體謂之理想氣體 (ideal gas) 真實氣體只有在氣體壓力約為 1atm 或以下, 溫度接近 0 或高些時, 其行為才符合理想氣體定律 在定量莫耳數之下, 一般稱之為合併氣體定律 (combined gas law) 方程式

12 例題 11.6 利用理想氣體定律來計算 一氫氣樣品在 0 和 1.5 atm, 體積為 8.56 L, 計算此 H 2 樣品的莫耳數 ( 假設此氣體行為是理想的 ) 11.4 氣體的計量 Gas Stochiometry 定義理想氣體之莫耳體積 定義 STP 說明氣體反應的化學計量之計算 說明如何從氣體密度求分子量 理想氣體之莫耳體積和 STP L. PV = nrt V = nrt/p (1.0 mol x L.atm/K.mol)(273.2 K) / atm L (molar volume of ideal gas) 0 和 1 大氣壓分別稱為標準溫度和標準壓力 (standard temperature and pressure, STP) 化學計量之計算 PV = nrt 1/V = P/nRT = P/ (m/mrt) d ( 密度 )=m/v = mp/(m/mrt) = PM/RT M( 分子量 )= drt/p

13 例題氣體的計量 11.5 道耳吞分壓定律 例題 氣體的計量 : 計算在 STP 的氣體之性質計算在 STP 條件下, 氮氣的體積為 1.75 L, 則含有多少莫耳的氮氣? 例題 氣體的計量 : 計算在 STP 的氣體之性質石灰 (CaO) 是由碳酸鈣 (CaCO 3 ) 加熱所產生 試根據以下反應式計算由 152 g CaCO 3, 在 STP 條件下分解可產生多少體積的 CO 2? 道耳吞 (John Dalton) 提出觀察結論 : 一容器中混合氣體的總壓為其各成分單獨存在時壓力的總和 一氣體的分壓 (partial pressure) 為該氣體單獨存在於容器中的壓力, 因此道耳吞分壓定律 (Dalton s law of partial pressures) 可以由以下數學式表示 : 混合氣體的總壓 混合氣體的總壓 混合氣體的總壓 P total, 可被表示如下 : (n total 為混合氣體中各氣體莫耳數的總和 ) 一混合理想氣體, 其總壓與氣體粒子的總莫耳數成正比, 而與氣體粒子的組成無關 理想氣體的兩個重點 : 個別的氣體粒子 ( 原子或分子 ) 的體積並不重要 氣體粒子間的作用力亦不重要 混合氣體的總壓與所含粒子 ( 原子或分子 ) 的莫耳數有關, 而與粒子的種類無關 注意圖中三種樣本呈現相同的總壓是因為具有相同的氣體含量 (1.75 mol), 與混合氣體的詳細本質及種類無關

14 例題 利用道耳吞分壓定律 圖 熱解 KClO 3 製造氧氣的裝置 使用混合氦氣和氧氣的潛水用氧氣筒在海底潛水較不易得潛水夫症 現對一特別的潛水夫, 將 12 L 的 O 2 和 46 L 的 He 在 25 和 1.0 atm 下壓縮裝入一 5.0 L 的氧氣筒內, 計算此氧氣筒在 25 下, 各氣體的分壓和總壓各為何? 水的蒸氣壓為溫度的函數 例題 利用道耳吞分壓定律 一氯酸鉀固體 (KClO 3 ) 在試管中加熱並根據下列反應式分解 氧氣在 22 利用排水集氣法加以收集, 導致形成氧氣及水蒸氣的混合氣體及其總壓為 754 torr 和體積為 L, 水在 22 下蒸氣壓為 2 1 torr 試計算所收集氣體中氧氣的分壓及其莫耳數

15 11.6 氣體分子動力論 The Kinetic Molecular Theory of Gases 解釋理想氣體行為的簡單模型為分子動力論 氣體分子動力論的假設 氣體包含微小粒子 ( 原子或分子 ) 氣體粒子大小比其彼此間的距離小很多, 亦即粒子的個別體積可略而不計 氣體粒子持續地不規則運動, 並對容器壁碰撞, 這些碰撞導致氣體壓力現象 氣體粒子彼此之間沒有吸引力和排斥力 氣體分子的平均動能正比於氣體的凱氏溫度

16 溫度 溫度的意義 : 溫度的意義可以表示為氣體分子的運動行為, 事實上氣體的凱氏溫度正比於氣體粒子的平均動能 壓力和溫度之間的關係 : 氣體壓力隨溫度上升而上升 體積和溫度之間的關係 : 分子動力論理論可預測在固定壓力下氣體的體積會隨溫度上升而上升 平均動能 (KE) avg = (3/2)RT Effusion and Diffusion 逸散 : 氣體逃脫, 從極小的孔進入真空的過程 擴散 : 氣體混合, 從濃度高往濃度低的地方移動 逸散和擴散 Graham s Law 葛瑞恩逸散定律 11.8 Real Gases Compressibility factor PV/nRT = 1 Deviations occur for real gases. PV/nRT > 1 - molecular volume is significant. PV/nRT < 1 intermolecular forces of attraction.

17 Non-ideal Conditions when gas gets close to conditions where it will liquify Lower Temperature Higher Pressure

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