2-第一章--物质的聚集状态

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,N,2,0.7808,N,2,O,5,10,-7,O,2,0.2095,Xe,8.7,10,-8,Ar,0.00934,SO,2,1,10,-6,CO,2,0.00033,O,3,1,10,-7,Ne,1.82,10,-5,NO,2,2,10,-8,He,5.24,10,-6,I,2,1,10,-8,CH,4,2,10,-6,NH,3,1,10,-8,Kr,1.14,10,-6,CO,1,10,-8,H,2,5,10,-7,NO,1,10,-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（,H,2,、,O,2,），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,、,V,P,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 = n,RT,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（,P,1,V,1,T,1,）变到终态（,P,2,V,2,T,2,）,n,保持不变，分两步进行，每步只涉及两个变量。,P,2,V,T,1,P,1,V,1,T,1,P,2,V,2,T,2,等压,等温,始态,终态,问题：,T,1, T,2,V,V,2,?,（,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,P,1,V,1,= P,2,V V = P,1,V,1,/P,2,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：,P,3,V,3,T,3,，,.,，,P,i,V,i,T,i,常数,= nR,PV = 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，,P,1,V,1,= P,2,V,2,（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,，,bar,1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 101.3 kPa = 1.013,10,5,Pa,1 bar = 1000 mbar = 100 kPa = 10,5,Pa,V,：,m,3,（,SI,）,dm,3,（,L,），,cm,3,（,mL,）,1 m,3,= 10,3,dm,3,= 10,6,cm,3,T,：热力学温度（或绝对温度），,K,T,（,K,）,= 273.15 + t,（,o,C,）,n,：物质的量或化学量，,mol,，,mmol,在,PV = nRT,中，,n,的单位只能是,mol,R,：摩尔气体常数（量纲，,R = PV/(nT),），,8.314 Pa,m,3,mol,-1,K,-1,8.314 kPa,L,mol,-1,K,-1,0.08206 atm,L,mol,-1,K,-1,单位的匹配：,T K,，,n mol,P,：,Pa kPa atm,V,：,m,3,L L,R:,8.314 8.314 0.08206,R,：能量单位，,8.314 J,mol,-1,K,-1,推导,：,Pa,m,3,= J,P = F / S (Pa = N,m,-2,),Pa,m,3,= N,m,-2,m,3,= N,m = J,F ,l,= W,例,1. 30,o,C,，,1atm,下，体积为,1.0,10,4,L,的,He,气球上升至,0.60atm,，,20,o,C,高空后，体积有多大？,解：上升前：,P,1,，,V,1,，,T,1,；上升后：,P,2,，,V,2,，,T,2,n,不变，所以有：,有效数字：,1 10,4,（,X,）,例,2.,实验测得,310,o,C,，,101.3kPa,时，单质气态磷的密度为,2.64g/dm,3,，求：该气体的分子量及气态磷的分子式,P,x,？已知：,P,的原子量为,30.96 g/mol,。,1L,4L,a) 1 atm O,2,真空 混合后：,b),真空,2 atm N,2,混合后：,c),1 atm O,2,2 atm N,2,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,= p,O2,+ p,N2,= 0.2 + 1.6 = 1.8 atm,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,=,P,A,+ P,B,+ P,C,+,+ P,i,+,每一组分气体都是理想气体，则有：,P,A,= n,A,RT/V,总,P,B,= n,B,RT/V,总,P,i,= n,i,RT/V,总,P,总,=,n,A,RT/V,总,+ n,B,RT/V,总,+,+ n,i,RT/V,总,+,= (n,A,+ n,B,+,+ n,i,+,)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：,P,i,= n,i,RT/V,总,P,总,=,P,A,+ P,B,+ P,C,+,+ P,i,+,（,1,）,（,2,）,（,3,）,阿马格分体积定律：,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,=,V,A,+ V,B,+ V,C,+,+ V,i,+,P,总,V,i,= n,i,RT,对于一混合气体（,T,，,P,总,，,V,总,），可以从两个角度来描述,：,P,总,=,P,A,+ P,B,+ P,C,+,+ P,i,+,V,总,=,V,A,+ V,B,+ V,C,+,+ V,i,+,P,i,V,总,= n,i,RT,（每一种气体都符合理想气体状态方程）,P,总,V,i,= n,i,RT,（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,25,o,C,，,758mmHg,时从水面收集到饱和有水蒸气的氢气,152mL,。已知：,25,o,C,时,水的饱和蒸气压,为,23.76mmHg,。,计算：,（,1,）,H,2,的分压；（,2,）收集到的,H,2,的物质的量；（,3,）干燥,H,2,的体积。,(1) P,H2,= 758, 23.76 = 734.24 (mmHg),(2) P,H2,V,总,= n,H2,RT,(3),解法一,P,总,V,H2,= n,H2,RT,解法二,例,4.,在,250,o,C,，,PCl,5,全部气化并能部分转化为,PCl,3,和,Cl,2,，现将,2.98g PCl,5,置于,1.00L,的容器中，在,250,o,C,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：,M,PCl5,208.5 g/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,PCl,5,PCl,3,+ Cl,2,初始：,P,PCl5,0,0 0,转化：,x x x,平衡：,P,PCl5,0,x,x,x,62.2,x,+,x,+,x,= 113,x,= 50.8 (kPa),平衡时，,P,PCl5,= P,PCl5,0,x,= 62.2 50.8 = 11.4 (kPa),P,PCl3,= P,Cl2,=,x,= 50.8 (kPa),PCl,5,PCl,3,+ Cl,2,初始：,n,PCl5,0,0 0,转化：,x x x,平衡：,n,PCl5,0,x,x,x,解法二,P,总,V,总,= n,总,RT,113,1 = (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,1.00,molN,2,和,3.00molH,2,，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：二氧化碳、氧气和氮气的分压各是多少？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,van der Waals,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,van der Waals,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,van der Waals,H,2,、,O,2,和,CO,2,的,PV,P,图,实际气体行为的状态图,理想气体,1 mol,273.15 K,1.2,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,水在自然界中的作用,没有水，就没有生命,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,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,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,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,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,水的相图,水的相图,压力,（,kPa),P,1,P,101,0.610,273.16,373,T,T,1,温度（,K,）,C,A,O,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。,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,TT1,，压力,PP1,，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（,T,1,T,2,）,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,+H,2,O,H,2,O,液晶,(,立方,),液晶,(,六方,),+H,2,O,H,2,O,+H,2,O,H,2,O,+H,2,O,H,2,O,+H,2,O,H,2,O,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（,W,B,）,定义：溶质,B,的质量,(,m,B,),在溶液质量,(,m,),中所占的分数。即质量百分浓度。,W,B,= m,B,/m,2.,物质,B,的摩尔分数（,X,B,）,定义：物质,B,的物质的量（,n,B,）与溶液的物质的量（,n,）之比。也称物质的量分数。,X,B,= n,B,/n = n,B,/(n,A,+n,B,),3.,物质,B,的物质的量浓度（,c,B,）,定义：溶质,B,的物质的量（,n,B,）除以溶液的体积（,V,），单位：,mol.dm-3,， 即体积摩尔浓度。,c,B,= n,B,/V,4.,物质,B,的质量摩尔浓度（,m,B,或,b,B,）,定义：溶质,B,的物质的量（,n,B,）除以溶剂的质量（,m,A,）。单位：,mol.kg-1,。,m,B,= n,B,/m,A,1.4,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、外观为无定形的物质。,1.5,超临界状态,临界点：在,P-V,图上确定临界状态的一点。由临界温度和临界压力表示。,临界状态（或临界情况）：物质的气态和液态平衡共存时的一个边缘状态。在这种状态下，液体密度与饱和蒸气密度相同，因而他们的界面消失。这种状态只能在临界温度和临界压力下实现。,超临界点：超过临界温度和临界压力的一点。,超临界状态：流体处于超临界点（临界温度和临界压力以上）的状态。,超临界流体：温度和压力均处于临界点以上的气体。它既具有气体的性质（可以压缩或膨胀），又像液体一样（具有较大的密度、粘度比液体小、有较好的流动性和热传导性）。,超临界流体应用的原理：在高压条件下，使超临界流体与物料接触，物料中的有效成分则溶于超临界流体中（相当于萃取），分离后，降低超临界流体的压力，有效成分就析出（采用逐级降压，可使多种成分分步析出）。,1.6,物质的其它形态,1.6.1,等离子体,等离子体：它是由电子、带正电的离子、自由基和少量中性原子组成的一种高度电离状态的独特系统。,常温常压下，物质三态：气态,液态,固态,物质第四态：等离子体（在高温、放电等条件下）,条件：高压电场、高频感应、。,1.6.2,超高密度态,超高密度态：在高压或超高压条件下，使物质的结构和性质发生很大变化的状态。,1.6.3,玻色,-,爱因斯坦冷凝态与费密冷凝态,常温常压下，物质三态：气态,液态,固态,物质第四态：等离子体（在高温、放电等条件下）,物质第五态：玻色,-,爱因斯坦冷凝态（,1995,年发现）,物质第六态：费密冷凝态（,2003,年发现）,玻色子：,自旋动量矩为,(1/2)(h/2,)(h,为普朗克常数）的偶数倍的微观粒子，如光子、介子、粒子及由偶数个核子构成的原子核等。因印度物理学家玻色而得名。,玻色子不服从泡利不相容原理。,费密子：,自旋动量矩为,(1/2)(h/2,)(h,为普朗克常数）的奇数倍的微观粒子，如电子、质子、子及由奇数个核子构成的原子核等。因意大利物理学家费密而得名。,费密子服从泡利不相容原理。,