第一章物质的聚集状态

第一章物质的聚集状态内容提要：

在常温下物质的聚集状态主要为气体、液体和固体，它们都是由大量分子（原子、离子）聚集而成。在一定温度和压力下，物质的三种聚集状态可以互相转化。本章主要讨论气体、液体和溶液的性质及其变化规律，并简单介绍固体、等离子体、超高密度态、玻色-爱因斯坦冷凝态和费密冷凝态物质的种类和性质。学习要求：1.了解物质的主要聚集状态和特性；2.理解理想气体状态方程和范德华方程的意义，了解分压定律与分体积定律的含义；3.了解液体的特性，掌握溶液浓度的表示方法及拉乌尔定律和亨利定律的表达；4.了解固体、超临界流体、等离子体等的特性和应用。人们日常接触的物质并不是单个的原子、分子，而是它们的聚集状态。物质的常见聚集状态：气态、液态、固态固体（Solid）液体（Liquid）气体（Gas）三种物态之间可随温度或压强变化而互相转化物质的聚集状态（物质的三态）一.气体成份摩尔分数成份摩尔分数N20.7808N2O510-7O20.2095Xe8.710-8Ar0.00934SO2110-6CO20.00033O3110-7Ne1.8210-5NO2210-8He5.2410-6I2110-8CH4210-6NH3110-8Kr1.1410-6CO110-8H2510-7NO110-8海平面上干燥空气的组成

气体的特性：具有可扩散性和可压缩性无固定形状密度很小可以以任何比例混合不同的气体化学性质不同（H2、O2），但它们表现出来的宏观性质（P、T、n、V）却非常相似。气体的状态变量：P、T、n、VP压强，T温度，n化学量（物质的量），V

体积1.理想气体状态方程任何一种物质：V=f(T,P,n)对于液体和固体，该关系式非常复杂。但是不同的气体在一定的条件下（高温低压）都符合同一个关系式理想气体：（a）气体分子有质量但没有体积（b）气体分子间除了弹性碰撞外，无其它相互作用力PV=nRT

理想气体状态方程真正的理想气体是不存在的，但在高温低压条件下，实际气体接近于理想气体，为什么？简单推导：假设一定量的某种气体，由始态（P1V1T1）变到终态（P2V2T2）,n保持不变，分两步进行，每步只涉及两个变量。P2V’T1P1V1T1P2V2T2等压等温始态终态问题：T1

T2,V’V2?（1）等温变化波义耳定律：一定温度下，一定量气体的体积与压强成反比。PV=常数

P1V1=P2V’V’=P1V1/P2波义耳

（2）等压变化查理－盖•吕萨克定律：一定压强下，一定量气体的体积与绝对温度成正比。

查理

假定终态为：P3V3T3，….，PiViTi常数=nRPV=nRT在实际运用理想气体状态方程时，要注意两点：（1）在不同的条件下，它有不同的表现形式a)

n一定时，n和T一定时，P1V1=P2V2

（波义耳定律）c)n和P一定时，(查理－盖•吕萨克定律)d)T和P一定时，(阿伏加德罗定律)阿伏加德罗定律：等温等压下，气体的体积和它的物质的量成正比（2）单位和单位的匹配单位：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：热力学温度（或绝对温度），KT（K）=273.15+t（oC）n：物质的量或化学量，mol，mmol在PV=nRT中，n的单位只能是molR：摩尔气体常数（量纲，R=PV/(nT)），P44/表238.314Pa•

m3

•

mol-1

•

K-18.314kPa•

L•

mol-1

•

K-10.08206atm•

L•

mol-1

•

K-1单位的匹配：TK，nmolP：PakPaatm

V：m3LL

R:

8.3148.3140.08206R：能量单位，8.314J•

mol-1

•

K-1

推导

：

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，体积为1.0104L的He气球上升至0.60atm，20oC高空后，体积有多大？解：上升前：P1，V1，T1；上升后：P2，V2，T2n不变，所以有：有效数字：1104（X）例2.实验测得310oC，101.3kPa时，单质气态磷的密度为2.64g/dm3，求：该气体的分子量及气态磷的分子式Px？已知：P的原子量为30.96g/mol。极限密度法测定气态物质的精确分子量

表明：在压强为0

1atm范围内，以P/对P作图，直线在P/轴上的截距应为：(P/)0=RT/M。

P为01atmP.50-51（了解）

25.00oC时，(CH3)2O的P/

P图

=46.071(gmol1)

1L4La)1atmO2真空混合后：b)

真空2atmN2混合后：c)1atmO22atmN2混合后:P=?2.

混合气体－

Dolton分压定律Dolton分压定律适用条件：(1)

无化学反应发生(2)只适用于理想气体T保持不变Dolton分压定律：在温度与总体积恒定时，混合气体的总压等于各组分气体的分压强之和。

Dolton分压定律的数学表达式:上面的例子中：P总=pO2+pN2=0.2+1.6=1.8atm分压

：一定温度下，混合气体中单个组分气体单独占有总体积时所表现的压强。分压不可以测量。P总=PA+PB+PC+……+Pi+……每一组分气体都是理想气体，则有：PA=nART/V总,

PB=nBRT/V总

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

=(nA+nB+……+ni+……)RT/V总=n总RT/V总又因为：（Dolton分压定律的另一种表达方式）（物质的量分数）Dolton分压定律的其它表达形式分压的求法：Pi=niRT/V总P总=PA+PB+PC+……+Pi+……（1）（2）（3）在温度和总压强恒定的条件下，混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和。分体积：一定温度下，混合气体中单个组分气体在压强为P总时所占有的体积。分体积不可以测量。V总=VA+VB+VC+……+Vi+……P总Vi=niRT对于一混合气体（T，P总，V总），可以从两个角度来描述：P总=PA+PB+PC+……+Pi+……

V总=VA+VB+VC+……+Vi+……PiV总=niRT（每一种气体都符合理想气体状态方程）P总Vi=niRT（每一种气体都符合理想气体状态方程）当把混合气体（T，P总，V总，n总）看成一整体时，则有：P总V总＝n总RT例3.在25oC，758mmHg时从水面收集到饱和有水蒸气的氢气152mL。已知：25oC时水的饱和蒸气压为23.76mmHg。计算：（1）H2的分压；（2）收集到的H2的物质的量；（3）干燥H2的体积。(1)PH2=75823.76=734.24(mmHg)(2)PH2V总=nH2RT(3)解法一P总VH2=nH2RT解法二例4.在250oC，PCl5全部气化并能部分转化为PCl3和Cl2，现将2.98gPCl5置于1.00L的容器中，在250oC全部气化后，测得其总压为113kPa。计算：容器中各气体的分压。已知：MPCl5＝208.5g/mol解法一V总、T不变，摩尔数之比等于分压之比，因此，摩尔数的变化可以用分压的变化来表示PCl5PCl3+Cl2初始：PPCl5000转化：xxx平衡：PPCl50

x

x

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

x

x

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

x=0.01169(mol)平衡时，例5在温度27℃,压力99.4KPa时,某气体27.3mL,质量0.168g,求该气体的相对分子质量。解：例6在298.15K，10.0L的容器中有1.00molN2和3.00molH2，设气体为理想气体，试求容器中的总压和两种气体的分压.解：例7一容器中含4.4g二氧化碳、16g氧气和14g氮气，在20℃时的总压力为200kPa。计算：⑴二氧化碳、氧气和氮气的分压各是多少？⑵该容器的体积是多少？

解：下一节液体3.实际气体方程实际上，气体分子本身是有体积的，它们占有容器的一部分空间。而且分子间确实存在着某种吸引力（气体能液化的事实可说明）。在高温低压的条件下，实际气体可当作理想气体来处理。在其它条件下（尤其是在低温高压条件下），实际气体不再适用理想气体状态方程，可以用一些经验方程来描述它的行为，常用的是范德华（范德瓦尔斯）方程。（了解）1881年vanderWaals提出的修正的气态方程：P：实际气体的压强，V：实际气体的体积。a,b为vanderWaals常数，分别用于校正压强和体积，与气体自身的性质有关。压强的校正，体积的校正vanderWaalsH2、O2和CO2的PVP图

实际气体行为的状态图理想气体1mol273.15K1.2液体1.2.1液体的微观结构液体的特性：液体介于气体和固体之间，具有气体的特征（无一定形状、有流动性）和固体的特征（有一定体积、不易压缩）；微观上是“近程有序、远程无序”；宏观上是“各向同性”。分子间的距离：气体＞液体＞固体分之间作用力：固体＞液体＞气体一、水㈠水在自然界中的作用

没有水，就没有生命㈡水的性质1．分子间有特殊作用力——氢键2．4℃时密度最大3．冰的密度小于水，保证了数以万计的水下生物物种在冬季的生存二、蒸气压㈠概念1．蒸发：液体表面的分子克服液体内部分子的吸引力而逸出液体表面成为蒸气分子的过程2．饱和蒸气：与液体建立平衡的蒸气3．饱和蒸气压：即饱和蒸气的压力，简称蒸气压㈡蒸气压的特性仅与液体的本质和温度有关，与液体的量以及液面上方空气的体积无关㈢蒸气压与温度的关系图1-1几种液体的蒸气压曲线P(kPa)T（℃）图1-1几种液体的蒸气压曲线三、水的相图㈠概念

1．相：系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相2．相变：物质从一个相转到另一个相的过程。如水（液相）加热蒸发转为水蒸气（气相）3．相平衡：各相的组成和数量不随时间而改变4．相图：相平衡时的温度、压力之间的关系用图形来表示，这种图称为相图㈡水的相图水的相图压力（kPa)P1P1010.610273.16373TT1温度（K）CAO点：三相点，非水的凝固点AOB：气相区AOC：液相区单相区BOC：固相区OA：水的蒸气压曲线OB：冰的蒸气压曲线OC：水的凝固曲线两相平衡线A点为临界点，该点对应的温度和压力称临界温度和临界压力临界温度：647K，高于此温度，不管使用多大的压力都不能使水蒸气液化。临界压力：22100kPa，表示在临界温度时，使水液化所需要的最小压力

返回O点为三相点，即冰、水、水蒸气三相共存物质的三相点与水的凝固点不同，三相点不可改变，而凝固点随外界压力的变化而变化。如：外压等于101.325kPa时水的凝固点为273.15K（0℃），称为水的正常凝固点。返回单相区，温度、压力可以在一定范围内改变而不引起状态变化（即相变）返回三条线上各点，都代表两相处于平衡，如指定了温度，压力也就随之确定了。例：温度T→T1，压力P→P1，假设压力不变，则系统相当于j点，系统中的水将完全变为水蒸气。返回1.2.2液晶液晶：能够在某一温度范围内（T1～T2）兼有液体和晶体两种特性的物质。既有流动性又有各向异性性。固体（T＜T1），液体（T＞T2）热致液晶（近晶型液晶、向列型液晶、胆甾型液晶）液晶溶致液晶热致液晶是由于加热某些晶体而形成的液晶。热致液晶液晶晶体热冷液体热冷(1)近晶型液晶(2)向列型液晶(3)胆甾型液晶包括三类：(3)胆甾型液晶(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质一样具有“两亲”特点的化合物与极性溶剂组成的二元或多元系统。两亲化合物包括简单的脂肪酸盐（如硬脂酸钠），离子型或非离子型表面活性物质，以及与生命体密切相关的复杂的类脂化合物（如卵磷脂，见下页图）。当两亲化合物与水混合时，水分子进入固体晶格中，分布在亲水基的双层之间，破坏了晶体的有序排列而呈现出液晶特征，随着水量增加，可以出现不同的液晶态。亲水部分亲脂部分液晶(层状)晶体胶团溶液+H2O–H2O液晶(立方)液晶(六方)+H2O–H2O+H2O–H2O+H2O–H2O+H2O–H2O卵磷脂液晶是新型显示材料，在工程上应用非常广泛。比如，液晶显示器、电子体温计等。液晶的用途液晶分子在弱电场（1V量级）控制下改变其取向，从而改变液晶层的光学特性，实现有史以来最省电的平板显示技术，成为与运算半导体集成电路在功率与电压上直接匹配的现代仪表、计算机的最佳搭档。可以说，没有液晶显示，就不可能有当今信息时代涌现出的笔记本电脑、移动电脑终端、汽车雷达卫星定位系统和多种平板飞机航空仪表。1.3溶液定义：一种物质以分子或离子的状态均匀地分散在另一种物质中，所得到的分散系统（体系）称为溶液。包括：水溶液、非水溶液气态溶液、液态溶液、固态溶液溶液的浓度：指溶质在溶剂（或溶液）中的相对含量。1.物质B的质量分数（WB）定义：溶质B的质量(mB)在溶液质量(m)中所占的分数。即质量百分浓度。WB=mB/m2.物质B的摩尔分数（XB）定义：物质B的物质的量（nB）与溶液的物质的量（n）之比。也称物质的量分数。XB=nB/n=nB/(nA+nB)3.物质B的物质的量浓度（cB）定义：溶质B的物质的量（nB）除以溶液的体积（V），单位：mol.dm-3，即体积摩尔浓度。

cB=nB/V4.物质B的质量摩尔浓度（mB或bB）定义：溶质B的物质的量（nB）除以溶剂的质量（mA）。单位：mol.kg-1。mB=nB/mA1.4固体定义：固体是物质的一种聚集状态，它具有一定的形状和固定的体积，但不能流动。具有不可压缩性（称为固体性）。晶体：宏观上具有整齐的几何外形；微观上晶体中质点（原子、分子、离子）排列有序；晶体的某些性质（光学、力学、电学等）各向异性。固体

非晶体（无定形体）：无一定的结晶外形；其中质点排列有序度低；某些性质各向同性。准晶体：由微小晶体聚集而成的