第二章物质的状态

第二章物质的状态第1页，共55页，2023年，2月20日，星期三教学目的1、理解理想气体状态方程式的物理意义及其应用；气体、液体、固体的性质和特征。2、理解道尔顿气体分压定律及其应用。3、了解气体扩散定律的概念。4、了解气体分子运动论的基本内容。（论点及对理想气体状态方程式的解释，理想气体运动方程式，速率及能量分布。）5、了解实际气体状态方程式。6、了解液体蒸发及沸腾的物理模型。7、了解结晶化学的基础概念。（晶与非晶，晶系，晶格，晶胞）

第2页，共55页，2023年，2月20日，星期三教学重点：理想气体状态方程式的应用；气体、液体、固体的性质和特征；道尔顿气体分压定律及其应用。教学难点：理想气体状态方程式的物理意义及其应用；道尔顿气体分压定律及其应用。第3页，共55页，2023年，2月20日，星期三物质的状态气态液态固态等离子体通常温度和压强具一定颜色的准中性电子流，脱离原子束缚的电子和原子、中性原子、分子、离子做无序运动，具很高能量，整体显中性第4页，共55页，2023年，2月20日，星期三§2-1气体1-1理想气体一、理想气体1.描述气体状态的物理量

物理量单位压强P帕斯卡Pa(N·m-2)体积V立方米m3温度T开尔文K物质的量n摩尔mol第5页，共55页，2023年，2月20日，星期三2.理想气体的基本假定(1)忽略气体分子的自身体积,将分子看成是有质量的几何点(质点).(2)碰撞,包括分子与分子、分子与器壁之间的碰撞,是完全弹性碰撞--无动能损耗.分子间作用力被忽略。在高温和低压下,实际气体接近理想气体.故这种假定是有实际意义的.

第6页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.理想气体的经验公式以R做比例系数,则有:

Byele定律:n,T一定时Gay-Lussac定律:n,P一定时Avogadro定律:P,T一定时综合上三式:

即：VP=nRT此式即为理想气体状态方程,其中:第7页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.有关理想气体状态方程的计算

⑴PV=nRTP=nRT/VV=nRT/Pn=PV/RTT=PV/nRm=PVM/RTM=mRT/PV⑵PV=nRTn=m/MP18例1、例3第8页，共55页，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页，共55页，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页，共55页，2023年，2月20日，星期三二、气体分压定律

1、基本概念

⑴.混合气体与组分气体

由两种或两种以上的气体混合在一起,组成的体系,称为混合气体,组成混合气体的每种气体,都称为该混合气体的组分气体。显然,空气是混合气体,其中的O2,N2,CO2等,均为空气的组分气体.

第11页，共55页，2023年，2月20日，星期三⑵.总体积与分压混合气体所占有的体积称为总体积,用V总表示.当某组分气体单独存在,且占有总体积时,其具有的压强,称为该组分气体的分压,用Pi表示.且有关系式:PiV总=niRT⑶.总压和分体积混合气体所具有的压强,称为总压,用P总表示。当某组分气体单独存在,且具有总压时,其所占有的体积,称为该组分气体的分体积,用Vi表示.关系式为:P总Vi=niRT第12页，共55页，2023年，2月20日，星期三

2.分压定律——分压与总压的关系

将右面的N2和O2混合,测得混合气体的P总为

按分压的定义,

可见:第13页，共55页，2023年，2月20日，星期三道尔顿(Dolton)进行了大量实验,提出了混合气体的分压定律:混合气体的总压等于各组分气体的分压之和.即:此定律为道尔顿分压定律.

理想气体混合时,由于分子间无相互作用,故在容器中碰撞器壁产生压力时,与独立存在时是相同的,亦即在混合气体中,组分气体是各自独立的.这是分压定律的实质.第14页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.分压与组成之间的关系P总V总=nRT(1)

PiV总=niRT(2)

(2)/(1)得:

组分气体的分压等于总压与该组分气体的摩尔分数之积.

又因:P总Vi=niRT(3)

(3)/(1)得:

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

求：300K时PO2=？PN2=？P总=？解：nO2=16/32=0.5molPO2=nO2RT/V总=0.5×8.314×300/(3.0×10-3)=4.16×105(Pa)同理:PN2=8.32×105(Pa)P总=PO2+PN2=4.16×105+8.32×105=12.48×105(Pa)第16页，共55页，2023年，2月20日，星期三例6.氯酸钾和二氧化锰加热分解，质量少0.480g，得氧气0.377L，294K，P=9.96×105(Pa)求：MO2=？提示：Po2=P总-PH2OMO2=mRT/PV第17页，共55页，2023年，2月20日，星期三三、气体的扩散定律同温同压下，某种气态物质的扩散速度与其密度的平方根成反比。Ui∝√1/ρi或UA/UB=√ρB/ρA而T、P相同时ρ∝M∴UA/UB=√MrA/MrBP22,例7，8第18页，共55页，2023年，2月20日，星期三1-2实际气体状态方程式1.实际气体的压强P实

理想气体的P是忽略了分子间的吸力,由分子自由碰撞器壁的结果。两部分分子共处一体,密度一致,故有：令比例系数为a,则有:实际气体的压强是碰壁分子受内层分子引力,不能自由碰撞器壁的结果,所以:P实<P用P内表示P实与P的差,称为内压强,则有:P=P实+P内

我们来讨论P内的大小,P内是两部分分子吸引的结果,它与两部分分子在单位体积内的个数成正比,即与两部分分子的密度成正比:第19页，共55页，2023年，2月20日，星期三2.实际气体的体积V实

理想气体的体积是指可以任凭气体分子运动,且可以无限压缩的理想空间,原因是气体分子自身无体积。但实际气体的分子体积则因分子的体积不能忽略而不同。的容器中,充满实际气体,由于分子自身体积的存在,分子不能随意运动,且不可无限压缩.若分子体积为,则

设每摩尔气体分子的体积为

,则有:V=V实-nb(2)第20页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.实际气体的状态方程理想气体状态方程:PV=nRT,将(1)和(2)式子代入其中,得:这个方程是荷兰科学家VanderWaals(范德华)提出的,称范德华方程.只是实际气体状态方程中的一种形式.

a,b称为气体的范德华常数.显然,不同的气体范德华常数不同,反映出其与理想气体的偏差程度不同.第21页，共55页，2023年，2月20日，星期三1-3.气体的液化一、液化（凝聚）：气体变成液体的过程二、液化的条件：

降温：减小气体的饱和蒸汽压使气体液化（可以凭借单纯降温使气体液化

加压：减小气体分子距离，增大引力使气体液（必须在温度低于某特定值才可实现——临界温度）第22页，共55页，2023年，2月20日，星期三临界常数临界温度Tc:临界压强Pc临界体积Vc气态物质处于临界温度、临界压强和临界体积时称为——临界状态第23页，共55页，2023年，2月20日，星期三

考察匀加速运动的vt—t图:

质点在t1-t2时间内的路程为:

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

图象直线下覆盖的梯形面积也正是S

1-4气体分子的速率分布和能量分布

第24页，共55页，2023年，2月20日，星期三重新认识一下这一事实,纵坐标vt可以认为是:

高等数学上将其表示为:

目前,我们将其简写为:

作图（对分母作图）则曲线下的面积表示纵坐标分子S数值.

结论:第25页，共55页，2023年，2月20日，星期三一、气体分子的速率分布

处于同一体系的为数众多的气体分子,相互碰撞,运动速率不一样,且不断改变.但其速率分布却有一定规律。

麦克斯韦(Maxwell)研究了计算气体分子速率分布的公式,讨论了分子运动速率的分布.中学物理中有表格,表明分子分布规律是速率极大和极小的分子都较少,而速率居中的分子较多。第26页，共55页，2023年，2月20日，星期三

横坐标u,速率,分子的运动速率

纵坐标N,分子的数目。为单位速率间隔中分子的数目(相当于单位时间内通过的距离)

曲线下覆盖的面积:在u1和u2之间的气体分子的数目。

从图中可以看出,速率大的分子少;速率小的分子也少;速率居中的分子较多.和中学物理书中的图表一致.第27页，共55页，2023年，2月20日，星期三

但这种图将因气体的多少而不同,因为N值不同.若将纵坐标改一下：

N是分子总数.

则曲线下所覆盖的面积,将是某速率区间内分子数占分子总数的分数。即覆盖的面积表示速率在u1—u2的分子,占分子总数的分数。曲线下覆盖的总面积为单位1.

第28页，共55页，2023年，2月20日，星期三

只要温度相同,不论气体的量是多少,曲线一致.

在up附近的小区间里,分子数目最多,即具有up速率的分子数目最多,分数最大.这里的up称为最可几速率。最可几速率up小于平均速率ū。

温度不同时的曲线不同:温度增高,分子的运动速率普遍增大,最可几速率也增大,但具有最可几速率的分子分数少了。两条曲线下覆盖的面积是是相等的,均为单位1。第29页，共55页，2023年，2月20日，星期三

气体分子的能量分布受其速率分布影响.有着类似的分布,开始时较陡,后趋于平缓。此能量分布图,是在三维空间的讨论结果。在无机化学中,甚至在物理化学中,常用能量分布的近似公式来计算:

此式中:E是能量;NE表示能量超过E的分子的个数;NE/N是能量超过E的分子的分数;fE即是这个分数。从式子中可以看出,E越大时,fE越小.

二、气体分子的能量分布第30页，共55页，2023年，2月20日，星期三1-5、气体分子运动论理想气体分子运动方程：

ＰＶ＝Ｎｍ（√ｕ２）２／３因气体分子的平均动能与绝对温度成正比即：ｍ（√ｕ２）２／２＝３ｋＴ／２（其中ｋ为玻尔兹曼常数）推出：ＰＶ＝ＮｋＴ第31页，共55页，2023年，2月20日，星期三应用：１）解释理想气体状态方程

ＰＶ＝ＮｋＴ＝6.02×1023nkT=nRT2）解释气体扩散定律

UA/UB=√MrB/MrA对1mol气体：ＰＶ＝Ｎｍ（√ｕ２）２／３则U=√3PV/N0m=√3RT/M

∴UA/UB=√MrB/MrA

第32页，共55页，2023年，2月20日，星期三§2-2液体液体的特点：没有固定的外形；没有显著的膨胀性；有确定的体积；一定的流动性和掺混性；有一定的表面张力；有固定的凝固点和沸点第33页，共55页，2023年，2月20日，星期三2-1液体的蒸发蒸发：液体变成蒸汽的过程1、蒸发的过程液体分子运动到接近液体表面并且具有适当的方向和足够大的动能（＞E0)时，可以挣脱邻近分子的引力逃逸到液面上方的空间变为蒸汽分子——蒸发从能量角度：能蒸发的分子Ni=Ne-E0/RT第34页，共55页，2023年，2月20日，星期三影响蒸发的因素：①E0:和液体的性质有关，分子间引力不同则E0不同②T：温度升高，则具有E0以上能量分子分数增大，蒸发速度增大第35页，共55页，2023年，2月20日，星期三2、饱和蒸气压1)饱和蒸气压：当蒸发速度等于凝聚速度，即体系达到蒸发凝聚平衡时蒸气所产生的压强。2）影响因素A、相同温度，分子间引力大则蒸气压小B、同一液体，温度高则蒸气压大——服从克劳休斯-克拉贝隆方程㏒（P1/P2)=⊿H(1/T2-1/T1)/2.303R其中：⊿H为蒸发热第36页，共55页，2023年，2月20日，星期三3、蒸发热1）、蒸发热：维持液体恒温恒压下蒸发所必须的热量2）、特点：

不同液体，分子间引力不同，蒸发热不同同一液体，不同温度，蒸发热不同3）、摩尔蒸发热：一定温度和压强下，一摩尔液体的蒸发热。一般摩尔蒸发热越大，液体分子间作用力越大第37页，共55页，2023年，2月20日，星期三2-2、液体的沸点1、沸点：液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度2、沸点时，液体的气化在整个液体中进行沸点下，液体的气化只在液体表面进行3、液体的沸点随外界的气压变化，P外增大沸点升高4、服从克劳休斯-克拉贝隆方程例9、苯酚正常压力沸点455.1K，外压1.333×104Pa时沸点=？摩尔蒸发热=48.139KJ/mol第38页，共55页，2023年，2月20日，星期三§2-3固体液体的凝固：温度降低到分子所具有的平均动能不足以克服分子间引力时，将有一些速度小的分子聚集在一起相对固定在一定位置上，即液体变成固体的过程。凝固液体固体熔化第39页，共55页，2023年，2月20日，星期三3-1晶体与非晶体1、固体：固体可分为晶态和非晶态两大类。（液晶和类晶等是介于晶态与非晶态之间的状态，也具有某种整齐排列的特性，但在宏观外形和微观结构上与理想晶体不完全相同。）晶态物质，即晶体，是真正意义的固体。第40页，共55页，2023年，2月20日，星期三晶体是质点（分子、离子、原子）在空间有规则地排列成的，具有整齐外形，以多面体出现的固体物质。第41页，共55页，2023年，2月20日，星期三石英SiO2方解石CaCO3萤石CaF2第42页，共55页，2023年，2月20日，星期三

非晶体

固体单晶：单一的晶体多面体；双晶：两个体积大致相当的单晶按一定规则生长晶体晶簇：单晶以不同取向连在一起；多晶：看不到规则外形的晶态质。

第43页，共55页，2023年，2月20日，星期三晶体非晶体可压缩性差差扩散性差差固定的几何外形有无固定的熔点有无（宽范围）各方向性质各向异性各向同性2、晶体与非晶体的区别第44页，共55页，2023年，2月20日，星期三3-2晶体的外形、七大晶系第45页，共55页，2023年，2月20日，星期三晶胞的大小和形状可由六面体3条边长和3个夹角来描述。布拉维晶胞的边长与夹角叫做晶胞参数。注意：不要弄错夹角与边的相互关系第46页，共55页，2023年，2月20日，星期三晶系晶胞参数实例立方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单斜a≠b≠c,α=γ=900,β≠900S,KClO3三斜a≠b≠c,α≠β≠γ≠900CuSO45H2O,K2Cr2O7第47页，共5