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1、第1章 物质的聚集状态,物质的聚集状态：常温下物质有三种聚集状态：气体(gas)、液体(liqiud)和固体(solid)，这些聚集状态就是宏观实物（substance)。它们都是由大量分子通过分子间作用力聚集而成。,在通常情况下，分子间的作用力倾向于使分子聚集在一起，并在空间形成某种较规则的排列。随着温度的升高，分子的热运动加剧，力图破坏有序排列，变成无序状态。当温度升高到一定程度，热运动足以破坏原有的排列秩序,时，物质的宏观状态就可能发生突变，即从一种聚集状态变到另一种聚集状态。例如从固态变成液态，从液态变成气态。当温度继续升高，外界供给的能量足以破坏气体分子中原子核和电子之间的结合力，气
2、体就电离成自由电子和正离子组成的电离气体 等离子体(plasma)。,对物质微观模型的认识，应明确以下几点：（1）宏观物质是由大量微粒（分子或原子）组成的；（2）物质中的分子总是处于不停运动中；（3）在物质中，分子之间存在着相互作用力；（4）当外界条件变化时，物质可以从一种状态转变为另一种状态。,1.1 气 体,1.1.1 低压气体的几个经验定律,1.玻意耳定律,在定温条件下，定量气体的体积V与其压力p成反比。,定温下 V 1/p,或者 pV=C 或 p1V1=p2V2=C,玻意耳定律可用图形表示，该图形称为等温曲线为双曲线。如图1.1所示。,2.查理-盖吕萨克定律,定量的气体，当压力一定时，
3、气体的体积V与热力学温度T成正比。,数学式可表示为 V=V0T/T0 或 V T 或 V1/V2=T1/T2,查理-盖吕萨克定律也可以用图形来表示，称为等压线 直线。如图1.2 所示。,3.阿伏加德罗定律,在相同的温度和压力下，相同体积的不同气体均含有相同数目的分子。,1.1.2 理想气体的状态方程,人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。,pV=nRT R-摩尔气体常量在STP下，p=101.325kPa,T=273.15Kn=1.0 mol时,Vm=22.414L=22.41410-3m3,R=8
4、.314 kPaLK-1mol-1=8.314Pam3 K-1mol-1,理想气体状态方程式的应用：,1.计算p，V，T，n四个物理量之一。应用范围：温度不太低，压力不太高的真实气体。pV=nRT,2.气体摩尔质量的计算,M=Mr gmol-1,3.气体密度的计算,=m/V,=,理想气体状态方程也可以用以p、V、T为坐标的立体图来表示。图中曲面上任意一点都代表一个状态。气体的各种状态只能存在于曲面上。如在某一指定的温度下，对图形“切割”，就得到一条等温线。同理，在一定压力下“切割”，可得到等压线。,气体的状态图,1.1.3 混合理想气体的分压和分体积定律,1.道尔顿(Dalton)分压定律,组
5、分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。,分压：组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。,分压定律：,混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。p=p1+p2+或 p=pB,n=n1+n2+,分压的求解：,x B B的摩尔分数,例题 某容器中含有NH3、O2、N2等气体的混合物。取样分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。,解：n=n（NH3）+n（O2）+n（N2）=0.320mol+0.180mol+0.700m
6、ol=1.200mol,p(N2)=p-p(NH3)-p(O2)=(133.0-35.5-20.0)kPa=77.5kPa,分压定律的应用：实验室排水取气法。,例题:用亚硝酸铵受热分解的方法制取纯氮。NH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)如果在19、97.8kPa下，以排水集气法在水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消耗掉的亚硝酸铵的质量。,解：T=（273+19）K=292K p=97.8kPa V=4.16L292K 时，p（H2O）=2.20kPaMr(NH4NO2)=64.04,NH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)64.04g 1molm(NH4NO2)=?0.164
7、mol,2.阿马格分体积定律,分体积:混合气体中某一组分B的分体积VB是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。,V=V1+V2+,B 称为B的体积分数,例题 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病）。,某潜水员潜至海水30m处作业，海水的密度为1.03gcm-3，温度为20。在这种条件下，若维持O2、He混合气中p(O2)=21kPa氧气的体积分数为多少？以1.000L混合气体为基准，计算
8、氧气的分体积和氦的质量。（重力加速度取9.807m/s2）,解：T=（273+20）；K=293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的大气共同产生。海面上的空气压力为760mmHg，则,P=g hw+,=9.807 m/s2 1.03103kgcm-330m+101kPa=3.03103 kgcm-1 s-2+101kPa=303kPa+101kPa=404kPa,若混合气体体积为1.000L时，,1.1.4 气体的扩散 格雷姆扩散定律,格雷姆扩散定律：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。,气体扩散：气体从密度大的地方向密度小的地方迁移现象。,利用气体扩散定律，
9、可以解释一些物理现象。,1.2 液 体,1.2.1 液体的微观结构,液体中的分子类似于固体，分子是密集在一起的，这种结构是“近程有序而远程无序”。液体分子的热运动主要表现为在平衡位置附近的微小振动。并且分子在某一位置附近振动的时间不同，对每一种液体，可用定居时间来描述（液体分子在某一平衡位置附近振动的平均时间）。温度升高，热运动加剧，分子趋向于移动，定居时间变短。,1.2.2 液体的蒸汽压,蒸汽压是液体的重要性质，它与液体自身的本质和温度有关。逃逸倾向：液体分子中极少数能量较大的分子脱离母体进入空间的倾向。,在液体中，一方面液体中能量较大的分子能够克服液体分子间的引力而脱离液体进入液面上的空间
10、蒸发；另一方面，已经形成蒸气的分子，又在液面上不断作混乱运动，有一部分分子会撞击到液面上，被液面上分子拉回，重新凝结为液体。当蒸发凝结达平衡时，液面上蒸气的压力不再增加而为定值。此时的蒸气压为饱和蒸气压。,液体的蒸气压是液体自身的性质，它由饱和蒸气压来衡量。除此之外，固体在定温下也有一定的蒸气压，但由于数值很小，一般情况下可以忽略。,多数液体在温度变化不太大的情况下，都能满足如下关系式：,可以看出，lg p与1/T呈线性关系，变形整理可以得到如下公式：,克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clapegrom)方程。式中：,为液体的摩尔蒸发热（摩尔汽化焓）,只要知道p1、p2、T1、T2和 五
11、个量中任意4个，就能求出另外一个物理量。,1.2.3 液体的沸点,液体在蒸发过程中，随着外加温度的升高，蒸气压也在逐渐增大，当外加温度增加到液体的饱和蒸气压等于外界（环境）压力时，在整个液体中的分子都能发生气化作用，液体开始沸腾，此时的温度就是该液体在该压力下的沸点（boiling point）。,液体的沸点随外压而变化，压力越大，沸点也越高。当外压为标准情况的压力（即101.325kPa）时的沸点，为正常沸点。一般我们所说的沸点都是正常沸点。,其他压力下液体的沸点可以通过克劳修斯-克拉贝龙 方程来求解。具体的应用就是减压蒸馏：通过降低待蒸馏液体的外压（使其低于标准压力）从而降低其沸点，达到很
12、方便进行蒸馏的目的。,例题：已知水的摩尔汽化焓，而炊事中的压力锅，锅内最高允许压力为0.23MPa，计算水在压力锅内所能达到的最高温度为多少？,解：已知 水在101.325kPa下的沸点为373.15K。根据克劳修斯-克拉贝龙方程可求得在0.23MPa下水的沸点为T2,1.2.4 液晶,某些有机固体化合物在加热时，并不直接熔解为液态，而是在一定的温度范围内（例如在T2到T1的范围内）经历一个介于固、液二态之间的过渡状态。在低于T1时为固体，在高于T2时为液体，处于中间的这种过渡态的物质，称为液晶（liquid crystal）。液晶既具有液体的性质，也有晶体的性质。,液晶化合物的分子往往具有狭
13、长的形状，即分子的长度比宽度要大得多。而且通常还含有12个极性基团（如氨基和羰基）。,1.4 超临界状态,超临界流体（supercritical fluid)是指温度及压力处于临界点以上的液体。,在临界点C以上的阴影区为超临界流体区。它基本上是气态，但不同于一般气体，是一种稠密的气态。特点：密度大，比气体大两个数量级，与液体接近；粘度小，具有良好的流动性和传递性；介电常数随压力急剧变化。,OA：气-固平衡曲线；OB：固-液平衡曲线OC：气-液平衡曲线；C：临界点；O：三相点,物质在超临界流体中的溶解度，受压力和温度影响很大，可以利用升温、降压等手段（或两者兼用）将超临界流体中所溶解的物质分离出
14、来，达到分离提纯的目的（相当于精馏和萃取）。,实际应用：超临界流体萃取、超临界流体色谱、超临界流体中的化学反应等。,1.5 等离子体和超高密度态,1.5.1 等离子体 物质的第四态,等离子体：处于高度电离状态的气体，其中包含电子、带正电的离子以及少量中性原子，称为等离子体（意为其中粒子所带的正负电量是相等的。）英文名：Plasma，1927年，Langmuir所起。等离子体具有导电和受磁场影响的性质，它的行为在很多方面不同于常见的气体、液体和固体，因而称为“物质的第四态”。在地球上，等离子体只能在实验条件下产生；而宇宙中绝大多数（99%以上）的物质都以等离子状态存在；地球上的一些自然现象，如电离层、极光、闪电等都和等离子体有关。,气体放电是最常用的人工产生等离子体的方法。等离子体的重要应用：先进无机材料的合成。,1.5.2 超高密度态：了解（自学）,
