第1章 物質(zhì)的狀態(tài) 第1節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)

第一章物質(zhì)的狀態(tài)第一章物質(zhì)的狀態(tài)第一節(jié)物質(zhì)的聚集狀態(tài)第二節(jié)物質(zhì)的分散狀態(tài)第一節(jié)物質(zhì)的聚集狀態(tài)一、氣體(gas,g)二、液體(liquid,l)三、固體(solid,s)四、等離子體一、氣體1氣體的基本物理特性：擴(kuò)散性和可壓縮性氣體沒(méi)有固定的體積和形狀氣體是最易被壓縮的一種聚集狀態(tài)不同的氣體能以任意比例相互均勻地混合氣體的密度比液體和固體的密度小得多描述氣體的參數(shù)為：體積(V)壓力(p)溫度(T)物質(zhì)的量(n)2理想氣體狀態(tài)方程理想氣體：分子本身體積忽略不計(jì)分子之間沒(méi)有相互作用力只有在溫度較高和壓力很低時(shí)，實(shí)際氣體才接近于理想氣體。2理想氣體狀態(tài)方程p－氣體的壓力(Pa)V－氣體的體積(m3)n－氣體物質(zhì)的量(mol)T－氣體熱力學(xué)溫度(K)

R－摩爾氣體常數(shù)(8.314J/(

mol·K))m－氣體的質(zhì)量(kg)M－氣體的摩爾質(zhì)量(kg/mol)－氣體的密度(kg/m3)注意：①R的取值，P、V、n、T單位要一致②只有理想氣體及近似理想氣體才可用上式計(jì)算2理想氣體狀態(tài)方程解：根據(jù)例1已知淡藍(lán)色氧氣鋼瓶容積為50L，在20℃時(shí)，當(dāng)它的壓力為1000kPa時(shí)，估算鋼瓶?jī)?nèi)所剩氧氣的質(zhì)量。

3理想氣體的分壓定律道爾頓(Dalton)氣體分壓定律:混合氣體的總壓等于組成混合氣體的各組分氣體的分壓之和，即組分氣體：理想氣體混合物中每一種氣體都稱為混合氣體的一種組分氣體。分壓：在相同溫度下組分氣體I單獨(dú)占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體I的分壓。對(duì)于混合氣體則有：兩式相除得：某組分氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)3理想氣體的分壓定律例2某容器中有NH3、O2、N2氣體的混合物。取樣分析后知n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n(N2)=0.700mol，混合氣體的總壓p=133.0kPa。計(jì)算各組分氣體的分壓。解：n=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=0.320mol+0.180mol+0.700mol=1.200molp(N2)=p-p(NH3)-p(O2)

=(133.0-35.5-20.0)kPa=77.5kPa分壓定律的應(yīng)用實(shí)例分體積定律：混合氣體的總體積等于組成混合氣體的各組分氣體的分體積之和，即V總=V1+V2+V3+……=∑Vi分體積：在相同溫度下，某組分氣體單獨(dú)存在并且與混合氣體總壓相同時(shí)占有的體積，則p總

Vi

=niRT

對(duì)混合氣體則有：

p總

V總=n總RT兩式相除得：4理想氣體的分體積定律某組分氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)5實(shí)際氣體的狀態(tài)方程V實(shí)際＞V理想p實(shí)際＜p理想a、b為范德華常數(shù)小結(jié)1氣體的基本物理特性2理想氣體狀態(tài)方程★3理想氣體的分壓定律★4理想氣體的分體積定律★5實(shí)際氣體的狀態(tài)方程V總=V1+V2+V3+……=∑Vi

p總

Vi

=niRT

二液體液體有流動(dòng)性，液體只有體積而沒(méi)有固定形狀，其形狀依賴于容器的形狀。1液體的基本物理特性(1)可壓縮性比氣體的小，具有一定體積；(2)改變壓力時(shí)對(duì)液體的體積幾乎沒(méi)有影響；(3)液體分子的相互擴(kuò)散是一個(gè)較慢的過(guò)程；(4)液體具有對(duì)抗流動(dòng)的性質(zhì)，即具有粘度；(5)液體具有表面張力2液體的蒸氣壓液體分子與氣體分子一樣在不停地運(yùn)動(dòng)，在一定溫度下每個(gè)分子的動(dòng)能是不同的，具有足夠高能量的分子可以克服分子間的引力而逸出液體成為氣體，這一過(guò)程稱為氣化或蒸發(fā)。液體蒸發(fā)到液面上的氣態(tài)分子叫蒸氣。蒸氣分子也可以失去能量重新回到液體中，這一過(guò)程稱為凝結(jié)或冷凝。

蒸發(fā)為吸熱過(guò)程，冷凝為放熱過(guò)程。

H2O(l)H2O(g)蒸發(fā)凝結(jié)AD動(dòng)態(tài)平衡BC蒸發(fā)凝結(jié)蒸發(fā)在一定溫度下，當(dāng)v蒸發(fā)=v凝結(jié)時(shí)，氣相和液相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這種與液相處于動(dòng)態(tài)平衡的氣體叫做飽和蒸氣。飽和蒸氣壓：一定溫度下飽和蒸氣具有的壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱蒸氣壓。單位為Pa（帕）或kPa（千帕）。影響蒸氣壓的因素：

本性(分子間作用力)同一溫度下，不同液體有不同的蒸氣壓。溫度同一種液體，溫度越高，蒸氣壓越大。同溫度下，蒸氣壓小的物質(zhì)稱為難揮發(fā)性物質(zhì)，蒸氣壓大的稱為易揮發(fā)性物質(zhì)。固體也有蒸氣壓，大多數(shù)固體的蒸氣壓都很小蒸氣壓大的固體易發(fā)生升華現(xiàn)象冰、碘、樟腦、萘等3液體的沸點(diǎn)沸點(diǎn)隨外壓變化的原理的應(yīng)用

沸點(diǎn)：液體的飽和蒸汽壓與外界壓強(qiáng)相等時(shí)的溫度注：當(dāng)外界壓強(qiáng)為100kPa時(shí)的沸點(diǎn)為正常沸點(diǎn)。液體的沸點(diǎn)與液體本身的性質(zhì)和外界壓強(qiáng)有關(guān)如水的正常沸點(diǎn)為100℃，在高山地區(qū)，水的沸點(diǎn)小于100℃，而高壓鍋內(nèi)水的沸點(diǎn)則高于100℃。壓力鍋?zhàn)鲲垳p壓蒸餾4液體的凝固點(diǎn)當(dāng)一種液體受冷凍時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)逐漸變慢，最后達(dá)到一種溫度狀態(tài)，分子的動(dòng)能足夠低，使分子間引力足以把分子固定在晶格結(jié)點(diǎn)上，此時(shí)物質(zhì)開(kāi)始凝固了。因?yàn)槟痰姆肿臃懦隽怂鼈兌嘤嗟哪芰浚砸箿囟缺３趾愣?，必須?duì)體系繼續(xù)冷凍取走多余的能量。一種液體的正常凝固點(diǎn)是在100kPa下該物質(zhì)液相與固相達(dá)成平衡時(shí)的溫度。在凝固點(diǎn)時(shí)，液固平衡體系的溫度一直保持恒定，直到液體完全凝固時(shí)為止。5相圖“體系”與“相”的概念在科學(xué)研究中，將研究討論的對(duì)象稱為體系。體系中化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)完全相同的部分稱為相，且相與相之間在指定的條件下有明顯的界面。相與態(tài)的概念不同，態(tài)是指物質(zhì)存在的狀態(tài)，如油和水構(gòu)成的體系，只有一個(gè)態(tài)—液態(tài)，但卻包含兩個(gè)相。如何確定一個(gè)系統(tǒng)有幾相？不論有多少種氣體混合，只有一相——?dú)庀喔鶕?jù)液體互溶程度可以組成一相、兩相或三相共存。一般有一種固體便有一個(gè)相。兩種固體粉末無(wú)論混合得多么均勻，仍是兩個(gè)相（固體溶液除外，它是單相）。①2g氯化鈉投入100mL水中，攪拌后靜止；②20mL的乙醇和80mL的去離子水混合并攪拌后靜止；③20mL的四氯化碳與80mL去離子水混合并攪拌后止；④2mL苯酚與98mL去離子水混合并攪拌后靜止；⑤2mL去離子水與98mL苯酚混合并攪拌后靜止；⑥50mL苯酚與50mL去離子水混合并攪拌后靜止；請(qǐng)分析下面幾種情況系統(tǒng)是幾相研究多相體系的狀態(tài)如何隨濃度、溫度、壓力等變量的改變而發(fā)生變化，并用圖形來(lái)表示體系狀態(tài)的變化，這種圖就叫相圖。三個(gè)區(qū)三條線一個(gè)點(diǎn)相變相平衡水的相圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)繪制的。圖上有：三個(gè)單相區(qū)

在氣、液、固三個(gè)單相區(qū)內(nèi)，φ=1，溫度和壓力都可以在一定限度內(nèi)變化不會(huì)引起相的改變?nèi)龡l兩相平衡線氣液、氣固、固液，φ=2，壓力與溫度只能改變一個(gè)，指定了壓力，則溫度由體系自定。OA

氣-液兩相平衡線，即水的蒸氣壓曲線。它不能任意延長(zhǎng)，終止于臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn) ，這時(shí)氣-液界面消失。高于臨界溫度，不能用加壓的方法使氣體液化。OB

氣-固兩相平衡線，即冰的升華曲線，理論上可延長(zhǎng)至0K附近。OC

液-固兩相平衡線，當(dāng)C點(diǎn)延長(zhǎng)至壓力大于 時(shí)，相圖變得復(fù)雜，有不同結(jié)構(gòu)的冰生成。OD是AO的延長(zhǎng)線，是過(guò)冷水和水蒸氣的介穩(wěn)平衡線。因?yàn)樵谙嗤瑴囟认?，過(guò)冷水的蒸氣壓大于冰的蒸氣壓，所以O(shè)D線在OB線之上。過(guò)冷水處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有凝聚中心出現(xiàn)，就立即全部變成冰。H2O的三相點(diǎn)溫度為273.16K，壓力為610.62Pa。O點(diǎn)是三相點(diǎn)，氣-液-固三相共存。三相點(diǎn)的溫度和壓力皆由體系自定。6超臨界流體在相圖中，液態(tài)和氣態(tài)之間的界面完全消失的那一點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度、壓力和體積分別稱為臨界溫度、臨界壓力和臨界體積，用TC、PC和VC表示。氣體只有在臨界溫度以下加壓才能液化。溫度、壓力略高于臨界點(diǎn)而接近臨界點(diǎn)的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)時(shí)，氣液兩相性質(zhì)非常接近，以至于無(wú)法分辨，故稱為超臨界流體，記為SCF。

超臨界流體不同于一般的氣體，也有別于一般液體，它本身具有許多特性：(1)擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液體之間。(2)粘度接近氣體的粘度。(3)密度類似液體。它能象一般液體溶劑那樣溶解許多固體物質(zhì)或高沸點(diǎn)液體物質(zhì)。(4)只要恒溫下略微降低壓力或恒壓下略微升高溫度，密度

將會(huì)發(fā)生較大降低；相應(yīng)地被溶解的物質(zhì)的溶解度將顯著下降而導(dǎo)致析出。6超臨界流體小結(jié)1液體的基本物理特性2液體的蒸氣壓★3液體的沸點(diǎn)★4液體的凝固點(diǎn)5相圖6超臨界流體三固體―晶體固體是分子和原子的一種有固定體積和幾何形狀的聚集體。按質(zhì)點(diǎn)的聚集狀態(tài)，固體有晶體和非晶體之分。晶體是由原子、離子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體。晶體與非晶體性質(zhì)區(qū)別：晶體具有規(guī)則的幾何外形。非晶體為無(wú)定形體。晶體呈現(xiàn)各向異性，許多物理性質(zhì)，如光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度等在晶體的不同方向上測(cè)定時(shí)，是各不相同的。非晶體的各種物理性質(zhì)不隨測(cè)定的方向而改變。晶體具有固定的熔點(diǎn)。非晶體如玻璃受熱漸漸軟化成液態(tài)，有一段較寬的軟化溫度范圍。NaCl的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶體結(jié)構(gòu)石墨晶體結(jié)構(gòu)三固體―非晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成物質(zhì)的原子、分子等微粒在三維空間的排列呈雜亂無(wú)序狀態(tài)物理特性組成可變，各向同性，無(wú)固定熔點(diǎn)，導(dǎo)熱率和熱膨脹性小，可塑性變形性大等幾種典型的非晶體物質(zhì)玻璃橡膠塑料

三固體―液晶晶體是各向異性的，液體則是各向同性的。一般的晶體熔化后就由各向異性轉(zhuǎn)化為各向同性的液體。但是，有些物質(zhì)在由晶體向液體的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，要經(jīng)歷一種各向異性的液態(tài)，這種狀態(tài)的物質(zhì)稱液晶。由于液晶兼有液體的流動(dòng)性和晶體的有序排列、各向異性的特點(diǎn)，這就使液晶有許多特別的電、磁、光學(xué)特性。筆記本電腦的液晶顯示屏手機(jī)的液晶顯示屏液晶顯示具有功耗小、用量少、成本低、可在明亮環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。

物質(zhì)的第四種聚集狀態(tài)。太陽(yáng)、恒星及地球上空的電離層等都是等離子體。自然界中也可看到等離子體現(xiàn)象，如閃電和極光。四等離子體等離子體產(chǎn)生的極光現(xiàn)象四等離子體人造的等離子體o熒光燈，霓虹燈燈管中的電離氣體o核聚變實(shí)驗(yàn)中的高溫電離氣體o電焊時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧地球上的等離子體o火焰（上部的高溫部分）o閃電o大氣層中的電離層o極光宇宙空間中的等離子體o恒星o太陽(yáng)風(fēng)o行星際物質(zhì)o恒星際物質(zhì)o星云

定義：當(dāng)氣體電離產(chǎn)生的帶電粒子密度超過(guò)一定限度(>0.1%)，電離的氣體行為將主要決定于離子和電子間的庫(kù)侖力。這種電離氣體成為有別于普通氣體的一種新的聚集態(tài)，通常稱等離子體。基本特性：導(dǎo)電性：由于存在自由電子和帶正電的離子，故具有強(qiáng)導(dǎo)電性。四等離子體電中性：雖然內(nèi)部具有很多帶電粒子，但在一定的空間和時(shí)間尺度內(nèi)粒子所帶正負(fù)電荷總數(shù)相等，因此是電中性的。與磁場(chǎng)可作用性：由于其是帶電粒子組成的導(dǎo)電體，因此可用磁場(chǎng)控制它的位置、形狀和運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶電粒子集體運(yùn)動(dòng)又可形成磁場(chǎng)