2023-12-18108

光催化实验中,常见气体体积单位及换算方法

在做实验的过程中，我们常常会遇到有关气体浓度、气体产率、反应速率的单位和换算困扰。由于实验要求与设备所提供的标准参数之间经常存在描述单位不统一的问题，这一期带领大家学习了解在进行光催化实验中会遇到的各种常见气体单位。

首先，我们回顾一下高中化学知识。

mol、mmol与μmol

摩尔(mole)，简称摩，符号为mol，是物质的量的单位，每1 mol微观物质含有约6.03×10²³个微粒。

1 mol=1000 mmol=1000000 μmol

mol与g、μmol与mg

mol与L、μmol与mL

下面开始本期的正式讲解。

（一）

在我们做与气体相关的实验时，会使用到标准气体，如CO和CH₄的标准气体、H₂标准气体等，其中很多标准气体是混合气，如CO和CH₄的标准气体，是CO、CH₄和Ar的混合气。标注浓度的单位有很多种，气体钢瓶上常见的浓度单位多为体积浓度（V/V）或ppm，如图1所示。

标准气体气瓶标签

图1. 标准气体气瓶标签

使用百分比来表示气体含量是不够精准的，多数实验及工业领域都是使用质量浓度单位（如：mg/m³）来表示气体浓度，那么气瓶上写着ppm的单位，该如何计算为mg/m³？

首先来了解ppm的定义，ppm是体积比浓度Parts Per Million的缩写，用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度，也称百万分比浓度，与之相似的还有ppb（Parts Per Billion）。

对于气体，ppm一般指摩尔分数或体积分数。

对于溶液，ppm一般指质量浓度。

具体换算关系如下：

一般气体浓度是指质量浓度c，单位mg/m³，而质量浓度与气体的温度和压力有关，通常无法直接测得，是需要将测量结果以规定的标准状态（0℃，101.325 kPa或760 mmHg）为准进行换算。而测得的浓度为体积浓度，多以ppm表示，要得到质量浓度c，需按下列公式换算：

质量浓度c公式换算

其中M为气体的分子量；T为气体的温度（以摄氏度为单位，符号为℃）；P为大气压（以巴Ba为单位，1 Ba相当于100 kPa）；1.01325是标准大气压的值，即标准大气压为1.01325 Ba；273是绝对温度(Kelvin)与摄氏温度(Celsius)之间的转换系数，273 K=0℃，压力修正公式是以气体状态方程式为基础的，状态方程式的温度单位是开尔文，因此需要将摄氏温度转换成开尔文温度。

由于多数时候参数都统一使用常温常压计算得来，因此由上式可得到如下简化关系：

简化关系公式

使用质量浓度单位（mg/m³）作为混合气浓度的表示方法是可以方便计算出污染物的真正量。但质量浓度与检测气体的温度、压力环境条件有关，其数值会随着温度、气压等环境条件的变化而有所不同；所以在实际测量时，需要同时测定气体的温度和大气压力。而使用ppm描述气体浓度时采取的是体积比，就不会出现这个问题。

（二）

实验室甲烷气体上写了10%LEL，到底是多少ppm？

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%VOL、%LEL与%UEL

%VOL是气体体积百分比，英文全称为Volume，主要是指100份体积中，气体含量占多少。
%LEL是指爆炸下限，即可燃气体在空气中遇明火爆炸时的最低体积浓度，英文全称为Lower Explosion Limited。爆炸下限百分比，即把爆炸下限分为一百份，一个单位为1%LEL。
%UEL是爆炸上限简称，英文全称为Upper Explosion Limited，即可燃气体在空气中遇明火种爆炸的最高浓度。

可燃性气体的浓度过低或过高时可能没有较大的危险性，但当与空气混合达到一定比例的混合气后，会发生燃烧或爆炸。低于爆炸下限，混合气中的可燃气的含量不足，不能引起燃烧或爆炸；高于上限，混合气中的氧气的含量不足,也不能引起燃烧或爆炸。

%VOL和%LEL的换算，要先找出该可燃气体的爆炸下限值是多少，空气中可燃气体浓度达到其爆炸下限值时，我们称这个空间的可燃气环境爆炸危险度为100%。

例如：H₂的%LEL是4%VOL，即它在空气中的体积百分比达到4%VOL时，遇明火就会爆炸，因此将4%VOL作为100%危险来看，称为100%LEL，即4%VOL=100%LEL，那么1%VOL=25%LEL

ppm和VOL的换算

ppm和VOL的换算↑

所以，实验室甲烷气体上写了10%LEL，到底是多少ppm？

由于ppm与LEL之间无法直接换算，需先将LEL换算成VOL，再由VOL与ppm进行换算。CH₄的爆炸下限是4%VOL，一般将爆炸下限的10%~25%作为报警值，所以10%LEL的甲烷气体有以下对应关系：

10%LEL = 10% × 4%VOL = 0.4%VOL = 4000 ppm

也就是说，实验室CH₄气体上写了10%LEL，也就是4000 ppm。

常用情况下，O₂的容积浓度用VOL表示，CH₄等可燃气体的容积浓度用%LEL表示，其余的如SO₂、H₂S、甲醛等有毒气体使用ppm表示容积浓度值。

（三）

泊菲莱科技近期推出了一款新型科研设备——μGAS1000 微量气体反应评价系统，这款设备已在中科院大连化学物理研究所、中科院金属所投入使用，为其提供了强有力的科研支持。

μGAS1000 微量气体反应评价系统最大的亮点就是其电脑端软件可对系统、气相色谱仪、真空泵实现一体化控制，并通过可控制取样结构，实现全自动在线取样、进样。μGAS1000 微量气体反应评价系统的上位机软件利用软件内置的计算方法，读取气相色谱仪的测试数据，通过软件界面生成报表计算出气体产量、反应速率等数据。