第1章物质的状态第1节物质的聚集状态

1、第一章 物质的状态第一章 物质的状态第一节 物质的聚集状态第二节 物质的分散状态第一节 物质的聚集状态一、 气体 (gas, g)二、 液体 (liquid, l)三、 固体 (solid , s)四、 等离子体一、气体1 气体的基本物理特性：扩散性和可压缩性气体的基本物理特性：扩散性和可压缩性气体没有固定的气体没有固定的体积体积和和形状形状 气体是气体是最易被压缩最易被压缩的一种聚集状态的一种聚集状态不同的气体能不同的气体能以任意比例以任意比例相互均匀地相互均匀地混合混合气体的气体的密度密度比液体和固体的密度比液体和固体的密度小得多小得多描述气体的参数为：描述气体的参数为：体积体积(V) 压

2、力压力(p) 温度温度(T) 物质的量物质的量(n)2 理想气体状态方程理想气体：理想气体： 分子本身体积忽略不计分子本身体积忽略不计 分子之间没有相互作用力分子之间没有相互作用力只有在只有在温度较高温度较高和和压力很低压力很低时，实际气体才时，实际气体才接近于理想气体。接近于理想气体。2 理想气体状态方程p气体的气体的压力压力(Pa)V气体的气体的体积体积(m3)n气体气体物质的量物质的量(mol)T气体气体热力学温度热力学温度(K) R摩尔气体常数摩尔气体常数(8.314J/ ( molK )m气体的气体的质量质量(kg)M气体的气体的摩尔质量摩尔质量(kg/mol) 气体的气体的密度密度

3、(kg/m3)pTRM pVTnR pVTmMR 注意：注意： R 的取值，的取值，P、V、n、T 单位要一致单位要一致 只有理想气体及近似理想气体才可用上式计算只有理想气体及近似理想气体才可用上式计算2 理想气体状态方程 3-332 1000 1050 10656.8g8.31427320MpVmRT 解：解：根据根据例例1 已知淡蓝色氧气钢瓶容积为已知淡蓝色氧气钢瓶容积为50L，在，在20时，当它时，当它 的压力为的压力为1000kPa时，估算钢瓶内所剩氧气的质量时，估算钢瓶内所剩氧气的质量。 mMpVRT 3 理想气体的分压定律道尔顿道尔顿(Dalton)气体分压定律气体分压定律:混合气

4、体的混合气体的总压总压等于组成混合气体的各组分气体的等于组成混合气体的各组分气体的分压之和分压之和，即，即组分气体：组分气体：理想气体混合物中每一种气体都称为混合气体的一种组分气体。理想气体混合物中每一种气体都称为混合气体的一种组分气体。分压：分压：在相同温度下组分气体在相同温度下组分气体I 单独占有单独占有与混合气体与混合气体相同体积相同体积时所产生时所产生 的压力，叫做组分气体的压力，叫做组分气体I 的分压。的分压。对于混合气体则有：对于混合气体则有：两式相除得：两式相除得：某组分气体的某组分气体的物质的量分数物质的量分数iiipnxpn总总总总3 理想气体的分压定律例例2 某容器中有某容

5、器中有NH3、O2 、N2气体的混合物。取样分析后知气体的混合物。取样分析后知n(NH3) = 0.320mol，n(O2) = 0.180mol，n(N2) = 0.700mol，混，混合气体的总压合气体的总压p = 133.0kPa。计算各组分气体的分压。计算各组分气体的分压。解：解：n = n(NH3) + n(O2) + n(N2) = 0.320mol + 0.180mol + 0.700mol = 1.200mol33(NH )0.320(NH )133.035.5kPa1.200nppn 22(O )(O )nppn 0.18035.5kPa20.0kPa0.320p(N2) =

6、 p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa = 77.5kPa分压定律的应用实例分体积定律：分体积定律：混合气体的混合气体的总体积总体积等于组成混合气体的各组分气体的等于组成混合气体的各组分气体的分分体积之和体积之和，即，即 V总总= V1+ V2+ V3+ = Vi 分体积：分体积：在相同温度下，某组分气体单独存在并且与混在相同温度下，某组分气体单独存在并且与混合气体合气体总压相同总压相同时占有的体积，则时占有的体积，则 p总总 Vi = ni RT 对混合气体则有：对混合气体则有： p总总 V总总 = n总总RT两式相除得：两式相除得：iiixnnVV

7、总总iixVV总4 理想气体的分体积定律某组分气体的某组分气体的物质的量分数物质的量分数5 实际气体的状态方程22()()nbn aVpVnRTV实际实际V理想理想p实际实际p理想理想a、b为范德华常数为范德华常数小 结1 气体的基本物理特性2 理想气体状态方程 3 理想气体的分压定律 4 理想气体的分体积定律 5 实际气体的状态方程pRTM pVnRT mpVRTM iiipnxpn总总总总V总总= V1+ V2+ V3+ = Vi p总总 Vi = ni RT iiixnnVV总总二 液体液体有液体有流动性流动性，液体只有体积而没有固定形状，其形，液体只有体积而没有固定形状，其形状依赖于容

8、器的形状。状依赖于容器的形状。1 液体的基本物理特性(1) 可压缩性比气体的小，具有一定可压缩性比气体的小，具有一定体积体积；(2) 改变改变压力压力时对液体的体积几乎没有影响；时对液体的体积几乎没有影响；(3) 液体分子的相互液体分子的相互扩散扩散是一个较慢的过程；是一个较慢的过程；(4) 液体具有对抗流动的性质，即具有液体具有对抗流动的性质，即具有粘度粘度；(5) 液体具有液体具有表面张力表面张力2 液体的蒸气压 液体分子与气体分子一样在不停地运液体分子与气体分子一样在不停地运动，在一定温度下每个分子的动能是动，在一定温度下每个分子的动能是不同的，具有足够高能量的分子可以不同的，具有足够高

9、能量的分子可以克服分子间的引力而逸出液体成为气克服分子间的引力而逸出液体成为气体，这一过程称为体，这一过程称为气化气化或或蒸发蒸发。 液体蒸发到液面上的气态分子叫液体蒸发到液面上的气态分子叫蒸气蒸气。 蒸气分子也可以失去能量重新回到液蒸气分子也可以失去能量重新回到液体中，这一过程称为体中，这一过程称为凝结凝结或或冷凝冷凝。 蒸发蒸发为为吸热吸热过程，过程，冷凝冷凝为为放热放热过程。过程。 H2O (l)H2O (g)蒸蒸 发发凝凝 结结AD动态平衡动态平衡BC蒸发蒸发凝结凝结蒸发蒸发在一定温度下在一定温度下，当，当v蒸发= v凝结时，气相和液相达到时，气相和液相达到动态平衡动态平衡，这种与液相

10、处于动态平衡的气体叫做这种与液相处于动态平衡的气体叫做饱和蒸气饱和蒸气。饱和蒸气压：饱和蒸气压：一定温度下一定温度下饱和蒸气具有的压强，简称饱和蒸气具有的压强，简称蒸气压蒸气压。单位为单位为Pa（帕）或（帕）或 kPa（千帕）（千帕）。影响蒸气压的因素：影响蒸气压的因素： 本性本性( (分子间作用力分子间作用力) )同一温度下，不同液体有不同一温度下，不同液体有不同的蒸气压。同的蒸气压。 温度温度同一种液体同一种液体，温度越高，蒸温度越高，蒸气压越大。气压越大。同温度下，蒸气压小的物质称为同温度下，蒸气压小的物质称为难挥发性物质难挥发性物质，蒸气压大的，蒸气压大的称为称为易挥发性物质易挥发性物

11、质。固体也有蒸气压，大多数固体的蒸气压都很小固体也有蒸气压，大多数固体的蒸气压都很小蒸气压大的固体易发生蒸气压大的固体易发生升华升华现象冰、碘、樟脑、萘等现象冰、碘、樟脑、萘等3 液体的沸点p 沸点随外压变化的原理的应用沸点随外压变化的原理的应用p 沸点：沸点：液体的饱和蒸汽压与外界压强相等时的温度液体的饱和蒸汽压与外界压强相等时的温度 注：当外界压强为注：当外界压强为100kPa时的沸点为正常沸点。时的沸点为正常沸点。p 液体的沸点与液体液体的沸点与液体本身的性质本身的性质和和外界压强有关外界压强有关如水的正常沸点为如水的正常沸点为100，在高山地区，水的沸点，在高山地区，水的沸点小于小于1

12、00，而高压锅内水的沸点则而高压锅内水的沸点则高于高于100。压力锅做饭压力锅做饭减压蒸馏减压蒸馏4 液体的凝固点p当一种液体受冷冻时，分子运动逐渐变慢，最后达当一种液体受冷冻时，分子运动逐渐变慢，最后达到一种温度状态，分子的动能足够低，使分子间引到一种温度状态，分子的动能足够低，使分子间引力足以把分子固定在力足以把分子固定在晶格结点上晶格结点上，此时物质开始，此时物质开始凝凝固了固了。因为凝固的分子放出了它们多余的能量，所。因为凝固的分子放出了它们多余的能量，所以要使温度保持恒定，必须对体系继续冷冻取走多以要使温度保持恒定，必须对体系继续冷冻取走多余的能量。余的能量。 p 一种液体的一种液体

13、的正常凝固点正常凝固点是在是在100 kPa下该物质下该物质液相液相与固相达成平衡时的温度与固相达成平衡时的温度。在凝固点时，液在凝固点时，液 固平固平衡体系的温度一直保持恒定，直到液体完全凝固时衡体系的温度一直保持恒定，直到液体完全凝固时为止。为止。5 相图“体系”与“相”的概念在科学研究中，将研究讨论的对象称为在科学研究中，将研究讨论的对象称为体系体系。体系中化学性质和物理性质完全相同的部分称为体系中化学性质和物理性质完全相同的部分称为相相，且相与相之间在指定的条件下有明显的且相与相之间在指定的条件下有明显的界面界面。相与态的概念不同，相与态的概念不同，态态是指物质存在的状态，如油和是指物

14、质存在的状态，如油和水构成的体系，只有一个态水构成的体系，只有一个态液态，但却包含两个相。液态，但却包含两个相。如何确定一个系统有几相？如何确定一个系统有几相？不论有多少种不论有多少种气体气体混合，只有一相混合，只有一相气相气相根据根据液体液体互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。一般有一种一般有一种固体固体便有一个相。两种固体粉末无论便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）。它是单相）。2g氯化钠投入氯化钠投入100mL水中，搅拌后静止；水中，搅拌后静止；20mL的乙醇和的

15、乙醇和80mL的去离子水混合并搅拌后静止；的去离子水混合并搅拌后静止；20mL的四氯化碳与的四氯化碳与80mL去离子水混合并搅拌后止；去离子水混合并搅拌后止；2mL苯酚与苯酚与98mL去离子水混合并搅拌后静止；去离子水混合并搅拌后静止；2mL去离子水与去离子水与98mL苯酚混合并搅拌后静止；苯酚混合并搅拌后静止；50mL苯酚与苯酚与50mL去离子水混合并搅拌后静止；去离子水混合并搅拌后静止；请分析下面几种情况系统是几相请分析下面几种情况系统是几相研究多相体系的状态如何随浓度、温度、压力等变研究多相体系的状态如何随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化，并用图形来表示体系状态的量的改变而发生变化

16、，并用图形来表示体系状态的变化，这种图就叫变化，这种图就叫相图相图。三个区三个区三条线三条线 一个点一个点相变相变相平衡相平衡水的相图是根据实验绘制的。图上有：水的相图是根据实验绘制的。图上有：三个单相区三个单相区 在气、液、固三个单相区内，在气、液、固三个单相区内，=1=1，温度和压力都可以在一定限温度和压力都可以在一定限度内变化不会引起相的改变度内变化不会引起相的改变三条两相平衡线三条两相平衡线 气液、气固、固液，气液、气固、固液，=2=2，压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由体系自定。体系自定。OA 气气- -液两相平衡线液两相平衡线，

17、即水的蒸气压曲线。它不，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于能任意延长，终止于临界点临界点。临界点。临界点 ，这时，这时气气- -液界面消失液界面消失。高于临界温。高于临界温度，不能用加压的方法使气体液化。度，不能用加压的方法使气体液化。647 ,TK72.2 10 Pap OB 气气- -固两相平衡线固两相平衡线，即冰的升华曲线，理论上即冰的升华曲线，理论上可延长至可延长至0 K附近。附近。OC 液液- -固两相平衡线固两相平衡线，当当C点延长至压力大于点延长至压力大于 时，相图变得时，相图变得复杂，有不同结构的冰复杂，有不同结构的冰生成。生成。82 10 PaOD 是是AO的延长线的延

18、长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡，是过冷水和水蒸气的介稳平衡线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸气压，所以蒸气压，所以OD线在线在OB线之上。过冷水处于不稳线之上。过冷水处于不稳定状态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰定状态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。H2O的三相点的三相点温度温度为为273.16 K，压力，压力为为610.62 Pa。O点点 是是三相点三相点，气，气-液液-固三相共存。固三相共存。三相点三相点的温度和压力皆由体的温度和压力皆由体系自定。系自定。6 超临界流体p 在相图中，液态和气态之间的界面完全消失的那在相

19、图中，液态和气态之间的界面完全消失的那一点称为一点称为临界点临界点，该点的温度、压力和体积分别，该点的温度、压力和体积分别称为称为临界温度、临界压力和临界体积，临界温度、临界压力和临界体积，用用TC、PC和和VC表示。表示。p 气体只有在临界温度以下加压才能液化气体只有在临界温度以下加压才能液化 。p 温度、压力略高于临界点而接近临界点的状态称温度、压力略高于临界点而接近临界点的状态称为为超临界状态超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨，故称为质非常接近，以至于无法分辨，故称为超临界流超临界流体体，记为，记为SCF。 超临界流体超临界流

20、体不同于一般的气体，也有别于一般液不同于一般的气体，也有别于一般液体，它本身具有许多特性：体，它本身具有许多特性：(1) 扩散系数扩散系数介于气体和液体之间。介于气体和液体之间。(2) 粘度粘度接近气体的粘度。接近气体的粘度。(3) 密度密度类似液体。它能象一般液体溶剂那样溶解许多固体类似液体。它能象一般液体溶剂那样溶解许多固体 物质或高沸点液体物质。物质或高沸点液体物质。(4) 只要恒温下略微降低压力或恒压下略微升高温度，只要恒温下略微降低压力或恒压下略微升高温度，密度密度 将将会发生较大降低；相应地被溶解的物质的会发生较大降低；相应地被溶解的物质的溶解度溶解度将显将显 著下降而导致析出。著

21、下降而导致析出。6 超临界流体小 结1 液体的基本物理特性液体的基本物理特性2 液体的蒸气压液体的蒸气压 3 液体的沸点液体的沸点 4 液体的凝固点液体的凝固点5 相图相图6 超临界流体超临界流体三 固体晶体p 固体固体是分子和原子的一种有固定体积和几何形状的聚集体。是分子和原子的一种有固定体积和几何形状的聚集体。按质点的聚集状态，固体有按质点的聚集状态，固体有晶体晶体和和非晶体非晶体之分。之分。晶体晶体是由原子、离子或分子在空间按一定规律周期性地重复是由原子、离子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体。排列构成的固体。晶体与非晶体性质区别：晶体与非晶体性质区别：p 晶体具有规则的晶

22、体具有规则的几何外形几何外形。非晶体为。非晶体为无定形体无定形体。p 晶体呈现晶体呈现各向异性各向异性，许多物理性质，如光学性质、导电性、，许多物理性质，如光学性质、导电性、热膨胀系数和机械强度等在晶体的不同方向上测定时，是各不热膨胀系数和机械强度等在晶体的不同方向上测定时，是各不相同的。非晶体的各种物理性质不随测定的方向而改变。相同的。非晶体的各种物理性质不随测定的方向而改变。 p 晶体具有晶体具有固定的熔点固定的熔点。非晶体如玻璃受热渐渐软化成液态，。非晶体如玻璃受热渐渐软化成液态，有一段较宽的软化温度范围。有一段较宽的软化温度范围。NaCl的晶体结构的晶体结构金刚石金刚石的晶体结构的晶体

23、结构金刚石金刚石的晶体结构的晶体结构石墨石墨晶体结构晶体结构三 固体非晶体结构特点结构特点组成物质的原子、分子等微粒在三维空间的排列呈组成物质的原子、分子等微粒在三维空间的排列呈杂乱无序状态杂乱无序状态物理特性物理特性组成可变，各向同性，无固定熔点，导热率和热膨组成可变，各向同性，无固定熔点，导热率和热膨胀性小，可塑性变形性大等胀性小，可塑性变形性大等几种典型的非晶体物质几种典型的非晶体物质玻璃玻璃 橡胶橡胶 塑料塑料 三 固体液晶p 晶体是各向异性的，液体则是各向同性的。一般的晶体熔晶体是各向异性的，液体则是各向同性的。一般的晶体熔化后就由各向异性转化为各向同性的液体。但是，有些物化后就由各

24、向异性转化为各向同性的液体。但是，有些物质在由晶体向液体的转变过程中，要质在由晶体向液体的转变过程中，要经历一种各向异性的经历一种各向异性的液态液态，这种状态的物质称，这种状态的物质称液晶液晶。p 由于液晶兼有由于液晶兼有液体的流动性液体的流动性和和晶体的有序排列、各向异性晶体的有序排列、各向异性的特点的特点，这就使液晶有许多特别的，这就使液晶有许多特别的电、磁、光学特性电、磁、光学特性。笔记本电脑的液晶显示屏笔记本电脑的液晶显示屏手机的液晶显示屏手机的液晶显示屏 液晶显示具有功耗小、用量少、成本低、可在液晶显示具有功耗小、用量少、成本低、可在明亮环境下工作等优点。明亮环境下工作等优点。 物质

25、的第四种聚集状物质的第四种聚集状态。态。太阳、恒星及地球太阳、恒星及地球上空的电离层等都是等上空的电离层等都是等离子体。自然界中也可离子体。自然界中也可看到等离子体现象，如看到等离子体现象，如闪电闪电和和极光极光。四 等离子体等离子体产生的极光现象等离子体产生的极光现象四 等离子体人造的等离子体人造的等离子体o 荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体 o 核聚变实验中的高温电离气体核聚变实验中的高温电离气体 o 电焊时产生的高温电弧电焊时产生的高温电弧 地球上的等离子体地球上的等离子体o 火焰（上部的高温部分）火焰（上部的高温部分） o 闪电闪电 o 大气层中的电离层大气层中的电离层 o 极光极光 宇宙空间中的等离子体宇宙空间中的等离子体o 恒星恒星 o 太阳风太阳风 o 行星际物质行星际物质 o 恒星际物质恒星际物质 o 星云星云 定义：当气体电离产生的带电粒子密度超过一定限定义：当气体电离产生的带电粒子密度超过一定限度度(0.1%)，电离的气体行为将主要决定于离子和，电离的气体行为将主要决定于离子和电子间的库仑力。这种电离气体成为有别于普通气电子间的库仑力。这种电离气体成为有别于普通