《无机化学》1物质的聚集状态

LOREMIPSUMDOLORLOREMIPSUMDOLOR无机化学第一章物质的聚集状态无机化学本章主要内容第一节气体第二节液体第三节固体无机化学本章教学目标【知识目标】1.了解物质的不同聚集状态；2.掌握理想气体状态方程和分压定律；3.熟悉液体的基本性质。【能力目标】1.会利用理想气体状态方程和分压定律进行有关计算；2.会利用液体蒸气压解释不同条件下水的沸点变化。本章教学目标在一定的温度和压力下，物质总是以一定的聚集状态存在。即存在为气态、液态或固态，各种状态都各有其特性。在一定的条件下，物质总是以一定的聚集状态参加化学反应的。物质的状态对其化学行为有重要的影响。对给定的化学反应，由于物质的状态不同，反应的速率和反应的能量关系也有所不同，同时物质的状态还会影响反应条件。常温、常压下，物质通常有气、液、固三种聚集状态，它们各自具有不同的特征，在一定条件下可相互转化。1、气体（g）：分子间作用力小，无一定的体积和形状，具有扩散性和可压缩性。2、液体（l）：分子间作用力介于气体和固体之间，有一定的体积，无固定的形状，具有流动性。3、固体（s）：具有一定体积、一定形状及一定程度的刚性。第一章物质的聚集状态第一节气体

气体的基本特征是具有扩散性和压缩性。气体没有一定的形状。将气体引入任何大小的容器中，由于气体分子的能量大，分子间引力小，分子在作无规则地运动，因而能自动扩散充满整个容器。气体分子间的空隙很大，对气体加压，其体积就缩小。同时气体的状态还受到温度、气体的物质的量的影响。通常情况下，气体的存在状态主要由体积V、压力P、温度T和物质的量n四个因素决定，称为气体的状态函数。而反应这四个量的关系的式子就是气体的状态方程。第一章物质的聚集状态一、理想气体状态方程我们把分子本身不占体积，分子间没有相互作用力的气体称为理想气体。理想气体是一个抽象的概念，它实际上不存在，但此概念反映了实际气体在一定条件下的最一般的性质。只有在温度高和压力无限低时，实际气体才接近于理想气体。理想气体方程式为：pV=nRT式中，p为压力；V为体积；T为温度；n为气体的物质的量；R为摩尔气体常数。第一章物质的聚集状态*实际气体理想气体状态方程是在高温低压的情况下得出的，它忽略了气体分子本身的体积和分子间的作用力，但在低温高压下，气体的密度增大，分子间距减少，这时分子本身的体积和分子间的作用力不能忽略。所以要想继续使用理想气体状态方程就必需对理想气体状态方程作适当的修正，使其能适用于实际气体的情况。第一章物质的聚集状态二、气体分压定律我们知道，气体的特性之一是具有扩散性，能够均匀地充满它所占有的全部空间。在任何容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同。也就是说，一定量的气体在一定容积的容器中的压强仅与温度有关。道尔顿（Dalton）总结了这些实验事实，得出下列结论：某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器时所产生的压强；而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和，这就是道尔顿分压定律，又称气体分压定律。第一章物质的聚集状态

假设有一理想气体的混合物，有i个组分，i（=1，2，3，…i)，则道尔顿分压定律可表示为p总=p1+p2+……+pi或

由理想气体方程式得：

第一章物质的聚集状态道尔顿分压定律另一种表达形式：Pi=xip总

即在温度和体积恒定时，理想气体混合物中，各组分气体的分压（pi）等于总压（p总）乘以该组分的摩尔分数（xi）。需要注意的是，实际气体并不严格遵从道尔顿分压定律，在高压情况下尤其如此。在实际工作中，进行混合气体组分分析时，常采用量取组分气体体积的方法。当组分气体的温度和压力与混合气体相同时，组分气体单独存在时所占有的体积称为分体积，混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和:V总=V1+V2+……+Vi。第一章物质的聚集状态液体内部分子之间的距离比气体小得多，分子之间的作用力较强。液体具有流动性，有一定的体积而无一定形状。与气体相比，液体的可压缩性小得多。一、液体的蒸气压在液体中分子运动的速度及分子具有的能量各不相同，速度有快有慢，大多处于中间状态。液体表面某些运动速度较大的分子所具有的能量足以克服分子间的吸引力而逸出液面，成为气态分子，这一过程叫做蒸发。第二节液体第一章物质的聚集状态蒸气压是物质的一种特性，常用来表征液态分子在一定温度下蒸发成气态分子的倾向大小。在某温度下，蒸气压大的物质为易挥发物质，蒸气压小的为难挥发物质。如25℃时，水的蒸气压为3.24kPa，酒精的蒸气压为5.95kPa，则酒精比水易挥发。皮肤擦上酒精后，由于酒精迅速蒸发带走热量而感到凉爽。液体的蒸气压随温度的升高而增大。还须指出，只要某物质处于气-液共存状态，则该物质蒸气压的大小就与液体的质量及容器的体积无关。第一章物质的聚集状态二、液体的沸点在敞口容器内加热液体，最初会看到不少细小气泡从液体中逸出，这种现象是由于溶解在液体中的气体因温度升高，溶解度减小所引起的。当达到一定温度时，整个液体内部都冒出大量气泡，气泡上升至表面，随即破裂而逸出，这种现象叫做沸腾。此时，气泡内部的压力至少应等于液面上的压力，即外界压力(对敞口容器即大气压力)，而气泡内部的压力为蒸气压。第一章物质的聚集状态故液体沸腾的条件是液体的蒸气压等于外界压力，沸腾时的温度叫做该液体的沸点。换言之，液体的蒸气压等于外界压力时的温度即为液体的沸点。如果此时外界压力为101.325kPa，液体的沸点就叫正常沸点。第一章物质的聚集状态第三节固体固体可由原子、离子或分子组成。这些粒子排列紧凑，有强烈的作用力(化学键或分子间力)，使它们只能在一定的平衡位置上振动。因此固体具有一定体积、一定形状以及一定程度的刚性(坚实性)。多数固体物质受热时能熔化成液体，但有少数固体物质并不经过液体阶段而直接变成气体，这种现象叫做升华。第一章物质的聚集状态一、晶体与非晶体晶体与非晶体的最大区别在于物质内部的微粒能否有序地规则排列。晶体之所以有规则的几何外形，因为其内部的微粒（离子、原子或分子）在空间按一定的规律周期性重复排列而表现出长程有序，就是说如果把晶体中任意一个微粒沿某个方向平移一定距离，必能找到一个同样的微粒。非晶体内部微粒的排列是无次序的、不规律的。第一章物质的聚集状态晶体具有以下特征。（1）有一定的几何外形从外观上看，晶体一般都具有规则的几何外形。例如食盐晶体是立方体，石英(SiO2)是六角柱体，明矾晶体为八面体结构等。有些物质在外观上并不具备整齐的外形，但经结构分析证明是由微晶体组成的，它们仍属晶体范畴。常见的炭黑就是这类物质。与晶体相反，非晶体没有固定的几何外形，又称无定形体。例如，玻璃、橡胶、沥青、动物胶、松香等，他们的外形是随意性的。第一章物质的聚集状态（2）有固定的熔点在一定压力下将晶体加热，当温度升到某一定值（达到晶体的熔点）时，晶体才开始熔化，继续加热，在它没有全部熔化以前，温度保持不变，这是外界供给的热量用于晶体从固体转变为液体，直到晶体全部熔化后，温度才重新上升。而非晶体没有固定的熔点。如玻璃加热，它先变软，然后慢慢地熔化成粘滞性很大的流体。在这一过程中温度是不断上升的，从软化到熔体，有一段温度范围。第一章物质的聚集状态（3）各向异性晶体的某些性质具有方向性。如导电性、导热性、光学性质、力学性质等，在晶体的不同方向表现出明显的差别。例如云母特别容易按纹理面的方向裂成薄片；石墨晶体内平行于石墨层方向比垂直于石墨层的导热率要达4-6倍，导电率要大5000倍。而非晶体是各向同性的。事实上，晶体与非晶体之间并没有严格的限界，在一定条件下可相互转化。从热力学上讲，晶态物质比非晶态物质更稳定。第一章物质的聚集状态二、液晶在一定温度范围内存在的液体既具有液体的可流动性，又具有像晶体那样的各项异性，这种液体为液态晶体，简称为液晶。液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面之所以表现出类似晶体的各向异性，是因为内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在施加电压时，液晶分子能够沿电场方向排列，而在移去电场之后，液晶分子又恢复到原来的状态。这就是电子手表和笔记本电脑数字或图像得以显示的原因。第一章物质的聚集状态三、纳米材料纳米材料实际上是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。纳米材料由直径为几个或几十个纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒是长程有序的晶体结构，界面则是既不长程有序也不短程有序的无序结构。与普通的金属、陶瓷和其他固体材料一样，纳米材料也是由原子组成，只不过这些原子排列成了纳米量级的原子团，成为组成纳米材料的结构粒子。通常组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶类界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。第一章物质的聚集状态四、等离子体物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕原子核、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。等离子体运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。第一章物质的