第一章物質的聚集狀態(tài)

第一章物質的聚集狀態(tài)內容提要：

在常溫下物質的聚集狀態(tài)主要為氣體、液體和固體，它們都是由大量分子（原子、離子）聚集而成。在一定溫度和壓力下，物質的三種聚集狀態(tài)可以互相轉化。本章主要討論氣體、液體和溶液的性質及其變化規(guī)律，并簡單介紹固體、等離子體、超高密度態(tài)、玻色-愛因斯坦冷凝態(tài)和費密冷凝態(tài)物質的種類和性質。學習要求：1.了解物質的主要聚集狀態(tài)和特性；2.理解理想氣體狀態(tài)方程和范德華方程的意義，了解分壓定律與分體積定律的含義；3.了解液體的特性，掌握溶液濃度的表示方法及拉烏爾定律和亨利定律的表達；4.了解固體、超臨界流體、等離子體等的特性和應用。人們日常接觸的物質并不是單個的原子、分子，而是它們的聚集狀態(tài)。物質的常見聚集狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)固體（Solid）液體（Liquid）氣體（Gas）三種物態(tài)之間可隨溫度或壓強變化而互相轉化物質的聚集狀態(tài)（物質的三態(tài)）一.氣體成份摩爾分數(shù)成份摩爾分數(shù)N20.7808N2O510-7O20.2095Xe8.710-8Ar0.00934SO2110-6CO20.00033O3110-7Ne1.8210-5NO2210-8He5.2410-6I2110-8CH4210-6NH3110-8Kr1.1410-6CO110-8H2510-7NO110-8海平面上干燥空氣的組成

氣體的特性：具有可擴散性和可壓縮性無固定形狀密度很小可以以任何比例混合不同的氣體化學性質不同（H2、O2），但它們表現(xiàn)出來的宏觀性質（P、T、n、V）卻非常相似。氣體的狀態(tài)變量：P、T、n、VP壓強，T溫度，n化學量（物質的量），V

體積1.理想氣體狀態(tài)方程任何一種物質：V=f(T,P,n)對于液體和固體，該關系式非常復雜。但是不同的氣體在一定的條件下（高溫低壓）都符合同一個關系式理想氣體：（a）氣體分子有質量但沒有體積（b）氣體分子間除了彈性碰撞外，無其它相互作用力PV=nRT

理想氣體狀態(tài)方程真正的理想氣體是不存在的，但在高溫低壓條件下，實際氣體接近于理想氣體，為什么？簡單推導：假設一定量的某種氣體，由始態(tài)（P1V1T1）變到終態(tài)（P2V2T2）,n保持不變，分兩步進行，每步只涉及兩個變量。P2V’T1P1V1T1P2V2T2等壓等溫始態(tài)終態(tài)問題：T1

T2,V’V2?（1）等溫變化波義耳定律：一定溫度下，一定量氣體的體積與壓強成反比。PV=常數(shù)

P1V1=P2V’V’=P1V1/P2波義耳

（2）等壓變化查理－蓋?呂薩克定律：一定壓強下，一定量氣體的體積與絕對溫度成正比。

查理

假定終態(tài)為：P3V3T3，….，PiViTi常數(shù)=nRPV=nRT在實際運用理想氣體狀態(tài)方程時，要注意兩點：（1）在不同的條件下，它有不同的表現(xiàn)形式a)

n一定時，n和T一定時，P1V1=P2V2

（波義耳定律）c)n和P一定時，(查理－蓋?呂薩克定律)d)T和P一定時，(阿伏加德羅定律)阿伏加德羅定律：等溫等壓下，氣體的體積和它的物質的量成正比（2）單位和單位的匹配單位：SI制和非SI制P：Pa（SI）

kPa，atm，mmHg，torr，bar1atm=760mmHg=760torr=101.3kPa=1.013105Pa1bar=1000mbar=100kPa=105PaV：m3（SI）dm3（L），cm3（mL）1m3=103dm3=106cm3T：熱力學溫度（或絕對溫度），KT（K）=273.15+t（oC）n：物質的量或化學量，mol，mmol在PV=nRT中，n的單位只能是molR：摩爾氣體常數(shù)（量綱，R=PV/(nT)），P44/表238.314Pa?

m3

?

mol-1

?

K-18.314kPa?

L?

mol-1

?

K-10.08206atm?

L?

mol-1

?

K-1單位的匹配：TK，nmolP：PakPaatm

V：m3LL

R:

8.3148.3140.08206R：能量單位，8.314J?

mol-1

?

K-1

推導

：

Pa?

m3=JP=F/S(Pa=N?m-2)Pa?

m3=N?m-2

?m3=N?

m=J

Fl=W例1.30oC，1atm下，體積為1.0104L的He氣球上升至0.60atm，20oC高空后，體積有多大？解：上升前：P1，V1，T1；上升后：P2，V2，T2n不變，所以有：有效數(shù)字：1104（X）例2.實驗測得310oC，101.3kPa時，單質氣態(tài)磷的密度為2.64g/dm3，求：該氣體的分子量及氣態(tài)磷的分子式Px？已知：P的原子量為30.96g/mol。極限密度法測定氣態(tài)物質的精確分子量

表明：在壓強為0

1atm范圍內，以P/對P作圖，直線在P/軸上的截距應為：(P/)0=RT/M。

P為01atmP.50-51（了解）

25.00oC時，(CH3)2O的P/

P圖

=46.071(gmol1)

1L4La)1atmO2真空混合后：b)

真空2atmN2混合后：c)1atmO22atmN2混合后:P=?2.

混合氣體－

Dolton分壓定律Dolton分壓定律適用條件：(1)

無化學反應發(fā)生(2)只適用于理想氣體T保持不變Dolton分壓定律：在溫度與總體積恒定時，混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓強之和。

Dolton分壓定律的數(shù)學表達式:上面的例子中：P總=pO2+pN2=0.2+1.6=1.8atm分壓

：一定溫度下，混合氣體中單個組分氣體單獨占有總體積時所表現(xiàn)的壓強。分壓不可以測量。P總=PA+PB+PC+……+Pi+……每一組分氣體都是理想氣體，則有：PA=nART/V總,

PB=nBRT/V總

Pi=niRT/V總P總=nART/V總+nBRT/V總+……+niRT/V總+……

=(nA+nB+……+ni+……)RT/V總=n總RT/V總又因為：（Dolton分壓定律的另一種表達方式）（物質的量分數(shù)）Dolton分壓定律的其它表達形式分壓的求法：Pi=niRT/V總P總=PA+PB+PC+……+Pi+……（1）（2）（3）在溫度和總壓強恒定的條件下，混合氣體的總體積等于各組分氣體的分體積之和。分體積：一定溫度下，混合氣體中單個組分氣體在壓強為P總時所占有的體積。分體積不可以測量。V總=VA+VB+VC+……+Vi+……P總Vi=niRT對于一混合氣體（T，P總，V總），可以從兩個角度來描述：P總=PA+PB+PC+……+Pi+……

V總=VA+VB+VC+……+Vi+……PiV總=niRT（每一種氣體都符合理想氣體狀態(tài)方程）P總Vi=niRT（每一種氣體都符合理想氣體狀態(tài)方程）當把混合氣體（T，P總，V總，n總）看成一整體時，則有：P總V總＝n總RT例3.在25oC，758mmHg時從水面收集到飽和有水蒸氣的氫氣152mL。已知：25oC時水的飽和蒸氣壓為23.76mmHg。計算：（1）H2的分壓；（2）收集到的H2的物質的量；（3）干燥H2的體積。(1)PH2=75823.76=734.24(mmHg)(2)PH2V總=nH2RT(3)解法一P總VH2=nH2RT解法二例4.在250oC，PCl5全部氣化并能部分轉化為PCl3和Cl2，現(xiàn)將2.98gPCl5置于1.00L的容器中，在250oC全部氣化后，測得其總壓為113kPa。計算：容器中各氣體的分壓。已知：MPCl5＝208.5g/mol解法一V總、T不變，摩爾數(shù)之比等于分壓之比，因此，摩爾數(shù)的變化可以用分壓的變化來表示PCl5PCl3+Cl2初始：PPCl5000轉化：xxx平衡：PPCl50

x

x

x62.2x+x+x=113x=50.8(kPa)平衡時，PPCl5=PPCl50x=62.250.8=11.4(kPa)PPCl3=PCl2=x=50.8(kPa)PCl5PCl3+Cl2初始：nPCl5000轉化：xxx平衡：nPCl50

x

x

x解法二P總V總=n總RT1131=(0.01429+x)8.314(273.15+250)

x=0.01169(mol)平衡時，例5在溫度27℃,壓力99.4KPa時,某氣體27.3mL,質量0.168g,求該氣體的相對分子質量。解：例6在298.15K，10.0L的容器中有1.00molN2和3.00molH2，設氣體為理想氣體，試求容器中的總壓和兩種氣體的分壓.解：例7一容器中含4.4g二氧化碳、16g氧氣和14g氮氣，在20℃時的總壓力為200kPa。計算：⑴二氧化碳、氧氣和氮氣的分壓各是多少？⑵該容器的體積是多少？

解：下一節(jié)液體3.實際氣體方程實際上，氣體分子本身是有體積的，它們占有容器的一部分空間。而且分子間確實存在著某種吸引力（氣體能液化的事實可說明）。在高溫低壓的條件下，實際氣體可當作理想氣體來處理。在其它條件下（尤其是在低溫高壓條件下），實際氣體不再適用理想氣體狀態(tài)方程，可以用一些經驗方程來描述它的行為，常用的是范德華（范德瓦爾斯）方程。（了解）1881年vanderWaals提出的修正的氣態(tài)方程：P：實際氣體的壓強，V：實際氣體的體積。a,b為vanderWaals常數(shù)，分別用于校正壓強和體積，與氣體自身的性質有關。壓強的校正，體積的校正vanderWaalsH2、O2和CO2的PVP圖

實際氣體行為的狀態(tài)圖理想氣體1mol273.15K1.2液體1.2.1液體的微觀結構液體的特性：液體介于氣體和固體之間，具有氣體的特征（無一定形狀、有流動性）和固體的特征（有一定體積、不易壓縮）；微觀上是“近程有序、遠程無序”；宏觀上是“各向同性”。分子間的距離：氣體＞液體＞固體分之間作用力：固體＞液體＞氣體一、水㈠水在自然界中的作用

沒有水，就沒有生命㈡水的性質1．分子間有特殊作用力——氫鍵2．4℃時密度最大3．冰的密度小于水，保證了數(shù)以萬計的水下生物物種在冬季的生存二、蒸氣壓㈠概念1．蒸發(fā)：液體表面的分子克服液體內部分子的吸引力而逸出液體表面成為蒸氣分子的過程2．飽和蒸氣：與液體建立平衡的蒸氣3．飽和蒸氣壓：即飽和蒸氣的壓力，簡稱蒸氣壓㈡蒸氣壓的特性僅與液體的本質和溫度有關，與液體的量以及液面上方空氣的體積無關㈢蒸氣壓與溫度的關系圖1-1幾種液體的蒸氣壓曲線P(kPa)T（℃）圖1-1幾種液體的蒸氣壓曲線三、水的相圖㈠概念

1．相：系統(tǒng)內部物理和化學性質完全均勻的部分稱為相2．相變：物質從一個相轉到另一個相的過程。如水（液相）加熱蒸發(fā)轉為水蒸氣（氣相）3．相平衡：各相的組成和數(shù)量不隨時間而改變4．相圖：相平衡時的溫度、壓力之間的關系用圖形來表示，這種圖稱為相圖㈡水的相圖水的相圖壓力（kPa)P1P1010.610273.16373TT1溫度（K）CAO點：三相點，非水的凝固點AOB：氣相區(qū)AOC：液相區(qū)單相區(qū)BOC：固相區(qū)OA：水的蒸氣壓曲線OB：冰的蒸氣壓曲線OC：水的凝固曲線兩相平衡線A點為臨界點，該點對應的溫度和壓力稱臨界溫度和臨界壓力臨界溫度：647K，高于此溫度，不管使用多大的壓力都不能使水蒸氣液化。臨界壓力：22100kPa，表示在臨界溫度時，使水液化所需要的最小壓力

返回O點為三相點，即冰、水、水蒸氣三相共存物質的三相點與水的凝固點不同，三相點不可改變，而凝固點隨外界壓力的變化而變化。如：外壓等于101.325kPa時水的凝固點為273.15K（0℃），稱為水的正常凝固點。返回單相區(qū)，溫度、壓力可以在一定范圍內改變而不引起狀態(tài)變化（即相變）返回三條線上各點，都代表兩相處于平衡，如指定了溫度，壓力也就隨之確定了。例：溫度T→T1，壓力P→P1，假設壓力不變，則系統(tǒng)相當于j點，系統(tǒng)中的水將完全變?yōu)樗魵狻７祷?.2.2液晶液晶：能夠在某一溫度范圍內（T1～T2）兼有液體和晶體兩種特性的物質。既有流動性又有各向異性性。固體（T＜T1），液體（T＞T2）熱致液晶（近晶型液晶、向列型液晶、膽甾型液晶）液晶溶致液晶熱致液晶是由于加熱某些晶體而形成的液晶。熱致液晶液晶晶體熱冷液體熱冷(1)近晶型液晶(2)向列型液晶(3)膽甾型液晶包括三類：(3)膽甾型液晶(1)近晶型液晶(2)向列型液晶溶致液晶溶致液晶是由像表面活性物質一樣具有“兩親”特點的化合物與極性溶劑組成的二元或多元系統(tǒng)。兩親化合物包括簡單的脂肪酸鹽（如硬脂酸鈉），離子型或非離子型表面活性物質，以及與生命體密切相關的復雜的類脂化合物（如卵磷脂，見下頁圖）。當兩親化合物與水混合時，水分子進入固體晶格中，分布在親水基的雙層之間，破壞了晶體的有序排列而呈現(xiàn)出液晶特征，隨著水量增加，可以出現(xiàn)不同的液晶態(tài)。親水部分親脂部分液晶(層狀)晶體膠團溶液+H2O–H2O液晶(立方)液晶(六方)+H2O–H2O+H2O–H2O+H2O–H2O+H2O–H2O卵磷脂液晶是新型顯示材料，在工程上應用非常廣泛。比如，液晶顯示器、電子體溫計等。液晶的用途液晶分子在弱電場（1V量級）控制下改變其取向，從而改變液晶層的光學特性，實現(xiàn)有史以來最省電的平板顯示技術，成為與運算半導體集成電路在功率與電壓上直接匹配的現(xiàn)代儀表、計算機的最佳搭檔?？梢哉f，沒有液晶顯示，就不可能有當今信息時代涌現(xiàn)出的筆記本電腦、移動電腦終端、汽車雷達衛(wèi)星定位系統(tǒng)和多種平板飛機航空儀表。1.3溶液定義：一種物質以分子或離子的狀態(tài)均勻地分散在另一種物質中，所得到的分散系統(tǒng)（體系）稱為溶液。包括：水溶液、非水溶液氣態(tài)溶液、液態(tài)溶液、固態(tài)溶液溶液的濃度：指溶質在溶劑（或溶液）中的相對含量。1.物質B的質量分數(shù)（WB）定義：溶質B的質量(mB)在溶液質量(m)中所占的分數(shù)。即質量百分濃度。WB=mB/m2.物質B的摩爾分數(shù)（XB）定義：物質B的物質的量（nB）與溶液的物質的量（n）之比。也稱物質的量分數(shù)。XB=nB/n=nB/(nA+nB)3.物質B的物質的量濃度（cB）定義：溶質B的物質的量（nB）除以溶液的體積（V），單位：mol.dm-3，即體積摩爾濃度。

cB=nB/V4.物質B的質量摩爾濃度（mB或bB）定義：溶質B的物質的量（nB）除以溶劑的質量（mA）。單位：mol.kg-1。mB=nB/mA1.4固體定義：固體是物質的一種聚集狀態(tài)，它具有一定的形狀和固定的體積，但不能流動。具有不可壓縮性（稱為固體性）。晶體：宏觀上具有整齊的幾何外形；微觀上晶體中質點（原子、分子、離子）排列有序；晶體的某些性質（光學、力學、電學等）各向異性。固體

非晶體（無定形體）：無一定的結晶外形；其中質點排列有序度低；某些性質各向同性。準晶體：由微小晶體聚集而成的