第二章物質(zhì)的狀態(tài)

第二章物質(zhì)的狀態(tài)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三教學目的1、理解理想氣體狀態(tài)方程式的物理意義及其應用；氣體、液體、固體的性質(zhì)和特征。2、理解道爾頓氣體分壓定律及其應用。3、了解氣體擴散定律的概念。4、了解氣體分子運動論的基本內(nèi)容。（論點及對理想氣體狀態(tài)方程式的解釋，理想氣體運動方程式，速率及能量分布。）5、了解實際氣體狀態(tài)方程式。6、了解液體蒸發(fā)及沸騰的物理模型。7、了解結(jié)晶化學的基礎概念。（晶與非晶，晶系，晶格，晶胞）

第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三教學重點：理想氣體狀態(tài)方程式的應用；氣體、液體、固體的性質(zhì)和特征；道爾頓氣體分壓定律及其應用。教學難點：理想氣體狀態(tài)方程式的物理意義及其應用；道爾頓氣體分壓定律及其應用。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三物質(zhì)的狀態(tài)氣態(tài)液態(tài)固態(tài)等離子體通常溫度和壓強具一定顏色的準中性電子流，脫離原子束縛的電子和原子、中性原子、分子、離子做無序運動，具很高能量，整體顯中性第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三§2-1氣體1-1理想氣體一、理想氣體1.描述氣體狀態(tài)的物理量

物理量單位壓強P帕斯卡Pa(N·m-2)體積V立方米m3溫度T開爾文K物質(zhì)的量n摩爾mol第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2.理想氣體的基本假定(1)忽略氣體分子的自身體積,將分子看成是有質(zhì)量的幾何點(質(zhì)點).(2)碰撞,包括分子與分子、分子與器壁之間的碰撞,是完全彈性碰撞--無動能損耗.分子間作用力被忽略。在高溫和低壓下,實際氣體接近理想氣體.故這種假定是有實際意義的.

第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3.理想氣體的經(jīng)驗公式以R做比例系數(shù),則有:

Byele定律:n,T一定時Gay-Lussac定律:n,P一定時Avogadro定律:P,T一定時綜合上三式:

即：VP=nRT此式即為理想氣體狀態(tài)方程,其中:第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.有關(guān)理想氣體狀態(tài)方程的計算

⑴PV=nRTP=nRT/VV=nRT/Pn=PV/RTT=PV/nRm=PVM/RTM=mRT/PV⑵PV=nRTn=m/MP18例1、例3第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三例1、Cl2:V=10.0L,T=288K,P=1.01×107Pa

求：m=?解：由PV=nRT得m=PVM/RTn=m/M所以：m=71.0×10-3×1.01×107×10.0×10-3

8.314×288=2.99Kg答:略第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3.PV=nRT

n=m/M

ρ=m/Vρ=PM/RTP18例2：373K,100KPa,UF6

ρ=?是H2的多少倍？第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二、氣體分壓定律

1、基本概念

⑴.混合氣體與組分氣體

由兩種或兩種以上的氣體混合在一起,組成的體系,稱為混合氣體,組成混合氣體的每種氣體,都稱為該混合氣體的組分氣體。顯然,空氣是混合氣體,其中的O2,N2,CO2等,均為空氣的組分氣體.

第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三⑵.總體積與分壓混合氣體所占有的體積稱為總體積,用V總表示.當某組分氣體單獨存在,且占有總體積時,其具有的壓強,稱為該組分氣體的分壓,用Pi表示.且有關(guān)系式:PiV總=niRT⑶.總壓和分體積混合氣體所具有的壓強,稱為總壓,用P總表示。當某組分氣體單獨存在,且具有總壓時,其所占有的體積,稱為該組分氣體的分體積,用Vi表示.關(guān)系式為:P總Vi=niRT第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

2.分壓定律——分壓與總壓的關(guān)系

將右面的N2和O2混合,測得混合氣體的P總為

按分壓的定義,

可見:第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三道爾頓(Dolton)進行了大量實驗,提出了混合氣體的分壓定律:混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓之和.即:此定律為道爾頓分壓定律.

理想氣體混合時,由于分子間無相互作用,故在容器中碰撞器壁產(chǎn)生壓力時,與獨立存在時是相同的,亦即在混合氣體中,組分氣體是各自獨立的.這是分壓定律的實質(zhì).第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3.分壓與組成之間的關(guān)系P總V總=nRT(1)

PiV總=niRT(2)

(2)/(1)得:

組分氣體的分壓等于總壓與該組分氣體的摩爾分數(shù)之積.

又因:P總Vi=niRT(3)

(3)/(1)得:

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三例5.3.0L，16gO2,2gN2,

求：300K時PO2=？PN2=？P總=？解：nO2=16/32=0.5molPO2=nO2RT/V總=0.5×8.314×300/(3.0×10-3)=4.16×105(Pa)同理:PN2=8.32×105(Pa)P總=PO2+PN2=4.16×105+8.32×105=12.48×105(Pa)第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三例6.氯酸鉀和二氧化錳加熱分解，質(zhì)量少0.480g，得氧氣0.377L，294K，P=9.96×105(Pa)求：MO2=？提示：Po2=P總-PH2OMO2=mRT/PV第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三、氣體的擴散定律同溫同壓下，某種氣態(tài)物質(zhì)的擴散速度與其密度的平方根成反比。Ui∝√1/ρi或UA/UB=√ρB/ρA而T、P相同時ρ∝M∴UA/UB=√MrA/MrBP22,例7，8第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三1-2實際氣體狀態(tài)方程式1.實際氣體的壓強P實

理想氣體的P是忽略了分子間的吸力,由分子自由碰撞器壁的結(jié)果。兩部分分子共處一體,密度一致,故有：令比例系數(shù)為a,則有:實際氣體的壓強是碰壁分子受內(nèi)層分子引力,不能自由碰撞器壁的結(jié)果,所以:P實<P用P內(nèi)表示P實與P的差,稱為內(nèi)壓強,則有:P=P實+P內(nèi)

我們來討論P內(nèi)的大小,P內(nèi)是兩部分分子吸引的結(jié)果,它與兩部分分子在單位體積內(nèi)的個數(shù)成正比,即與兩部分分子的密度成正比:第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2.實際氣體的體積V實

理想氣體的體積是指可以任憑氣體分子運動,且可以無限壓縮的理想空間,原因是氣體分子自身無體積。但實際氣體的分子體積則因分子的體積不能忽略而不同。的容器中,充滿實際氣體,由于分子自身體積的存在,分子不能隨意運動,且不可無限壓縮.若分子體積為,則

設每摩爾氣體分子的體積為

,則有:V=V實-nb(2)第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3.實際氣體的狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程:PV=nRT,將(1)和(2)式子代入其中,得:這個方程是荷蘭科學家VanderWaals(范德華)提出的,稱范德華方程.只是實際氣體狀態(tài)方程中的一種形式.

a,b稱為氣體的范德華常數(shù).顯然,不同的氣體范德華常數(shù)不同,反映出其與理想氣體的偏差程度不同.第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三1-3.氣體的液化一、液化（凝聚）：氣體變成液體的過程二、液化的條件：

降溫：減小氣體的飽和蒸汽壓使氣體液化（可以憑借單純降溫使氣體液化

加壓：減小氣體分子距離，增大引力使氣體液（必須在溫度低于某特定值才可實現(xiàn)——臨界溫度）第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三臨界常數(shù)臨界溫度Tc:臨界壓強Pc臨界體積Vc氣態(tài)物質(zhì)處于臨界溫度、臨界壓強和臨界體積時稱為——臨界狀態(tài)第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

考察勻加速運動的vt—t圖:

質(zhì)點在t1-t2時間內(nèi)的路程為:

S=1/2(t2-t1)(v2+v1)

圖象直線下覆蓋的梯形面積也正是S

1-4氣體分子的速率分布和能量分布

第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三重新認識一下這一事實,縱坐標vt可以認為是:

高等數(shù)學上將其表示為:

目前,我們將其簡寫為:

作圖（對分母作圖）則曲線下的面積表示縱坐標分子S數(shù)值.

結(jié)論:第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三一、氣體分子的速率分布

處于同一體系的為數(shù)眾多的氣體分子,相互碰撞,運動速率不一樣,且不斷改變.但其速率分布卻有一定規(guī)律。

麥克斯韋(Maxwell)研究了計算氣體分子速率分布的公式,討論了分子運動速率的分布.中學物理中有表格,表明分子分布規(guī)律是速率極大和極小的分子都較少,而速率居中的分子較多。第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

橫坐標u,速率,分子的運動速率

縱坐標N,分子的數(shù)目。為單位速率間隔中分子的數(shù)目(相當于單位時間內(nèi)通過的距離)

曲線下覆蓋的面積:在u1和u2之間的氣體分子的數(shù)目。

從圖中可以看出,速率大的分子少;速率小的分子也少;速率居中的分子較多.和中學物理書中的圖表一致.第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

但這種圖將因氣體的多少而不同,因為N值不同.若將縱坐標改一下：

N是分子總數(shù).

則曲線下所覆蓋的面積,將是某速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占分子總數(shù)的分數(shù)。即覆蓋的面積表示速率在u1—u2的分子,占分子總數(shù)的分數(shù)。曲線下覆蓋的總面積為單位1.

第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

只要溫度相同,不論氣體的量是多少,曲線一致.

在up附近的小區(qū)間里,分子數(shù)目最多,即具有up速率的分子數(shù)目最多,分數(shù)最大.這里的up稱為最可幾速率。最可幾速率up小于平均速率ū。

溫度不同時的曲線不同:溫度增高,分子的運動速率普遍增大,最可幾速率也增大,但具有最可幾速率的分子分數(shù)少了。兩條曲線下覆蓋的面積是是相等的,均為單位1。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

氣體分子的能量分布受其速率分布影響.有著類似的分布,開始時較陡,后趨于平緩。此能量分布圖,是在三維空間的討論結(jié)果。在無機化學中,甚至在物理化學中,常用能量分布的近似公式來計算:

此式中:E是能量;NE表示能量超過E的分子的個數(shù);NE/N是能量超過E的分子的分數(shù);fE即是這個分數(shù)。從式子中可以看出,E越大時,fE越小.

二、氣體分子的能量分布第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三1-5、氣體分子運動論理想氣體分子運動方程：

ＰＶ＝Ｎｍ（√ｕ２）２／３因氣體分子的平均動能與絕對溫度成正比即：ｍ（√ｕ２）２／２＝３ｋＴ／２（其中ｋ為玻爾茲曼常數(shù)）推出：ＰＶ＝ＮｋＴ第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三應用：１）解釋理想氣體狀態(tài)方程

ＰＶ＝ＮｋＴ＝6.02×1023nkT=nRT2）解釋氣體擴散定律

UA/UB=√MrB/MrA對1mol氣體：ＰＶ＝Ｎｍ（√ｕ２）２／３則U=√3PV/N0m=√3RT/M

∴UA/UB=√MrB/MrA

第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三§2-2液體液體的特點：沒有固定的外形；沒有顯著的膨脹性；有確定的體積；一定的流動性和摻混性；有一定的表面張力；有固定的凝固點和沸點第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2-1液體的蒸發(fā)蒸發(fā)：液體變成蒸汽的過程1、蒸發(fā)的過程液體分子運動到接近液體表面并且具有適當?shù)姆较蚝妥銐虼蟮膭幽埽ǎ綞0)時，可以掙脫鄰近分子的引力逃逸到液面上方的空間變?yōu)檎羝肿印舭l(fā)從能量角度：能蒸發(fā)的分子Ni=Ne-E0/RT第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三影響蒸發(fā)的因素：①E0:和液體的性質(zhì)有關(guān)，分子間引力不同則E0不同②T：溫度升高，則具有E0以上能量分子分數(shù)增大，蒸發(fā)速度增大第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2、飽和蒸氣壓1)飽和蒸氣壓：當蒸發(fā)速度等于凝聚速度，即體系達到蒸發(fā)凝聚平衡時蒸氣所產(chǎn)生的壓強。2）影響因素A、相同溫度，分子間引力大則蒸氣壓小B、同一液體，溫度高則蒸氣壓大——服從克勞休斯-克拉貝隆方程㏒（P1/P2)=⊿H(1/T2-1/T1)/2.303R其中：⊿H為蒸發(fā)熱第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3、蒸發(fā)熱1）、蒸發(fā)熱：維持液體恒溫恒壓下蒸發(fā)所必須的熱量2）、特點：

不同液體，分子間引力不同，蒸發(fā)熱不同同一液體，不同溫度，蒸發(fā)熱不同3）、摩爾蒸發(fā)熱：一定溫度和壓強下，一摩爾液體的蒸發(fā)熱。一般摩爾蒸發(fā)熱越大，液體分子間作用力越大第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2-2、液體的沸點1、沸點：液體的飽和蒸氣壓與外界壓強相等時的溫度2、沸點時，液體的氣化在整個液體中進行沸點下，液體的氣化只在液體表面進行3、液體的沸點隨外界的氣壓變化，P外增大沸點升高4、服從克勞休斯-克拉貝隆方程例9、苯酚正常壓力沸點455.1K，外壓1.333×104Pa時沸點=？摩爾蒸發(fā)熱=48.139KJ/mol第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三§2-3固體液體的凝固：溫度降低到分子所具有的平均動能不足以克服分子間引力時，將有一些速度小的分子聚集在一起相對固定在一定位置上，即液體變成固體的過程。凝固液體固體熔化第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3-1晶體與非晶體1、固體：固體可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類。（液晶和類晶等是介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的狀態(tài)，也具有某種整齊排列的特性，但在宏觀外形和微觀結(jié)構(gòu)上與理想晶體不完全相同。）晶態(tài)物質(zhì)，即晶體，是真正意義的固體。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三晶體是質(zhì)點（分子、離子、原子）在空間有規(guī)則地排列成的，具有整齊外形，以多面體出現(xiàn)的固體物質(zhì)。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三石英SiO2方解石CaCO3螢石CaF2第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

非晶體

固體單晶：單一的晶體多面體；雙晶：兩個體積大致相當?shù)膯尉О匆欢ㄒ?guī)則生長晶體晶簇：單晶以不同取向連在一起；多晶：看不到規(guī)則外形的晶態(tài)質(zhì)。

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三晶體非晶體可壓縮性差差擴散性差差固定的幾何外形有無固定的熔點有無（寬范圍）各方向性質(zhì)各向異性各向同性2、晶體與非晶體的區(qū)別第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三3-2晶體的外形、七大晶系第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三晶胞的大小和形狀可由六面體3條邊長和3個夾角來描述。布拉維晶胞的邊長與夾角叫做晶胞參數(shù)。注意：不要弄錯夾角與邊的相互關(guān)系第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三晶系晶胞參數(shù)實例立方a=b=c,α=β=γ=900Cu,NaCl,CsCl,ZnS四方a=b≠c,Sn,SnO2,TiO2α=β=γ=900正交a≠b≠c,α=β=γ=900I2,HgCl2,K2SO4六方a=b≠c,α=β=900,γ=1200Mg,AgI棱方a=b=c,α=β=γ≠900Bi,As,Al2O3,CaCO3單斜a≠b≠c,α=γ=900,β≠900S,KClO3三斜a≠b≠c,α≠β≠γ≠900CuSO45H2O,K2Cr2O7第47頁，共5