1、第二章 物質(zhì)的狀態(tài)白云大海冰山構(gòu)成水的三種物態(tài)物質(zhì)的三種狀態(tài)第四態(tài)等離子體等離子體：由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中。等離子體是一種很好的導電體，利用巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。太陽表面等離子體噴射流2010年NASA氣體研究的先驅(qū)們波義爾(Robert Boyle, 1627-1691，英國化學家和物理學家)提出氣體體積與壓力的關系(波義爾定律, 1662)。道爾頓(John Dalton, 1766-1844，英國)建立混合氣體分壓定律(道爾頓分壓定律, 1801)。帕斯卡(Blaise Pascal, 1623

2、-1662，法國數(shù)學家,哲學家) 發(fā)現(xiàn)大氣壓力隨地面高度而變化(1648完成, 1663年發(fā)表)。 2.1 氣體探險家雅克查理 化學家雅克查理在巴黎第二次氫氣球升空，1783年12月1日（2小時, 45千米）Jacque Charles, (1746-1823, 法國) Gay-Lussac(1778-1850法國)蓋-呂薩克和畢奧 Biot蓋-呂薩克和畢奧在氫氣球上 (1804年8月24日)一 、理想氣體1. 理想氣體 (Ideal Gases)基本假定:(1) 忽略氣體分子的自身體積, 將分子看成是有質(zhì)量的幾何點(質(zhì)點)。(2) 碰撞, 包括分子與分子、分子與器壁之間的碰撞是完全彈性碰撞（

3、無動能損耗）。(3) 分子間作用力被忽略。在高溫和低壓下, 實際氣體接近理想氣體。 故: 這種假定是有實際意義的。2 理想氣體的經(jīng)驗公式 Byele 定律: n、T 一定時 Gay-Lussac定律: n、P 一定時 Avogadro定律: P、T 一定時 綜合上三式：以R做比例系數(shù), 則有:V TV npV = nRT理想氣體狀態(tài)方程 V 1 p描述氣體的物理量: P、V、T、n用于溫度不太低，壓力不太高的真實氣體。P：氣體的壓力，單位Pa (Pascal)、KPa、mmHg、barV：氣體的體積 定義：氣體分子自由運動的區(qū)域， 單位：m3、 dm3（L）n：氣體的物質(zhì)的量（mole）單位：

4、molT：氣體的溫度 單位： K T(t + 273.15) KR：氣體常數(shù) 單位：J mol -1K-1各項的物理意義和單位1 atm 760 mmHg 101325 Pa 1 bar = 1105 Pa = 100 kPa1 Pa = 1 Nm-2在 STP 下，p =101325 Pa, T=273.15 K n=1.0 mol時, Vm=22.414 L= 22.41410-3 m3(1) 確定體系的狀態(tài)(從始態(tài)求終態(tài))什么是氣體的狀態(tài)(states)？ 一個氣體，若已知它的壓力、體積、溫度和物質(zhì)的量四個宏觀量度中的三個，我們說它的狀態(tài)就確定了。3. 狀態(tài)方程的應用例1 一玻璃燒瓶可以

5、耐壓 3.04 105 Pa ，在溫度為300 K 和壓強為 1.03 105 Pa 時，使其充滿氣體。問在什么溫度時，燒瓶將炸裂。 解得 T2 900 K當溫度達到 900 K 以上時，燒瓶會炸裂。解：依據(jù)題意可知 V1 V2 ， n1 n2此時 (2) 求氣體的分子量例2 某烴類氣體在 27及 100 kPa下為 10.0 dm3， 完全燃燒后將生成物分離，并恢復到 27及 100 kPa，得到 20.0 dm3 CO2 和 14.44 g H2O ，通過計算確定此烴類的分子式。 = = m / V(3) 氣體密度的計算二. 混合氣體的分壓定律1. 基本概念（1）混合氣體與組分氣體 由兩種

6、或兩種以上的氣體混合在一起，組成的體系，稱為混合氣體 。組成混合氣體的每種氣體，都稱為該混合氣體的組分氣體。 空氣是混合氣體， 其中的 O2、N2、CO2 等，均為空氣的組分氣體。 （2） 混合氣體的摩爾分數(shù) 組分氣體的物質(zhì)的量用 ni 表示，混合氣體的物質(zhì)的量用 n 表示，則: i 組分氣體的摩爾分數(shù)用 xi 表示，則: 例如: 由 3 mol H2 和1 mol N2 組成的混合氣體，其中:對于雙組分體系，T，V 一定時同理 或 p總 pA + pB（3）道爾頓(Dolton)混合氣體的分壓定律 在溫度和體積恒定時，混和氣體的總壓力等于各組分氣體分壓力之和; 某組分氣體的分壓力:等于該氣體

7、單獨占有總體積時所表現(xiàn)的壓力。 對于多組分體系（4）分體積定律(1880E. H. Amage)p， T 一定時在恒溫恒壓下，某組分的分體積等于該組分產(chǎn)生與混合氣體相同的壓力時所占據(jù)的體積。V總 VA + VB例3 A、B兩種氣體在一容器中混和，下面表達式哪些是正確的？ 1PAVA=nART 2PV=nART 3PVA=nART 4PAV=nART 5PA(VA+VB)=nART 6(PA+PB)VA=nARTP總V分 = P分V總 = n分RT例4 室溫下，將1.0 atm，10 dm3 H2 與1.0 atm 20 dm3 N2在40 dm3容器中混和，求H2、N2的分壓、分體積和摩爾比。

8、混合前混合后例5 25C時用排水集氣法收集的N2的體積為750 cm3，總壓力為740 mmHg，已知此溫度下水的飽和蒸氣壓為24 mmHg。求其中所含N2的摩爾量及干燥N2的體積?解：先列出所給條件： T 273 + 25 = 298 K V總 750 cm3 = 0.750 dm3 P總 740 mmHg PH2O = 24 mmHg 求：nN2 和 VN2 根據(jù)Dalton分壓定律：例6 某容器中含有NH3、O2 、N2等氣體的混合物。 取樣分析后，其中 n(NH3)=0.320 mol， n(O2)=0.180 mol，n(N2)=0.700 mol，混合氣體的總壓 p=133.0 k

9、Pa，試計算各組分氣體的分壓 ?解：n = n(NH3) + n(O2) + n(N2) =0.320mol+0.180mol+0.700mol =1.200molPNH3nNH3/n總P 總p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0) kPa =77.5 kPa格雷姆(1805-1869蘇格蘭)物理學家氣體分子通過針孔的擴散，上層充有空氣，下層為真空區(qū)。三. 氣體擴散定律1. Graham 氣體小孔擴散實驗 (逸散，effusion)相對擴散 (diffusion)氣體分子的相對擴散比小孔擴散更復雜一些，氣體擴散時發(fā)生相互碰撞。氣體的小孔擴散實驗與擴

10、散是不同的。 Grahams law: 在恒壓條件下，某一溫度下氣體的擴散速率 與其密度（或摩爾質(zhì)量M）的平方根成反比。 或即由于例8 將氨氣和氯化氫氣體同時從一根120 cm的玻璃管兩端向管內(nèi)自由擴散，試問兩氣體在管內(nèi)什么位置相遇而生成NH4Cl白煙？解：設經(jīng)過 t秒后，兩氣體在距氨氣一端 x cm 處相遇， 則相遇處距離HCl端為 (120 - x) cm HCl / NH3 (MNH3 /MHCl )1/2 =0.682 (擴散速率比) X = 71.3 cm2. Application of Grahams law 1) 測定未知氣體的分子量（或原子量）2) 分離同位素 (isotop

11、e)在第二次世界大戰(zhàn)期間，為制造原子彈需要從238U中分離富集235U。而235U的天然豐度只有0.7%，將微量的235U提純富集是一項艱巨的工作。于是人們設計了一種方法，即首先讓U與氟反應，生成揮發(fā)性的UF6(沸點56C)，然后讓混合同位素UF6氣體通過一級級微孔擴散進行分離。由于兩種同位素的原子量差異，逐步將235U富集。當時，在美國的Oak Ridge National Laboratory 建立了這樣一個鈾擴散車間，用了10個月的時間提煉了幾公斤的鈾235。這些鈾被用于制造兩枚原子彈(“小男孩”和“胖子”)，分別于1945年8月投放在日本廣島和長崎。例9 求235UF6和238UF6氣

12、體的擴散速率之比，并求將0.7% 235U富集到3%所需的擴散次數(shù)。已知235U原子量為235.04，238U的原子量為238.05，F(xiàn)的原子量為19.00 。解比值相當接近于1富集到3%需要552級擴散。n=552Q: 富集到95%需要對少級？ 1841分離前后兩種物質(zhì)的濃度比稱為分離系數(shù)三. 實際氣體的狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程僅在足夠低的壓力下適合于真實氣體。產(chǎn)生偏差的主要原因是：氣體分子本身的體積的影響；分子間力的影響。實際氣體 1. 實際氣體的壓強 P實 理想氣體的 P 是忽略了分子間的相互吸引力實際氣體的壓強受碰壁分子被內(nèi)層分子引力的影響，所以: P實 Pideal則有： Pidea

13、l= P實 + P內(nèi) P內(nèi) 與內(nèi)部分子的密度成正比，也和碰撞器壁的外層分子的密度成正比，兩部分分子共處一體，密度一致，故有： V p內(nèi) n( )2 pideal p實 + a ( )2Vn則(1)設其比例系數(shù)為 a，則上式可寫成 V p內(nèi) a ( )2 n2. 實際氣體的體積 V實 考慮實際氣體分子自身的體積，實際氣體的體積大于理想氣體。氣體分子自身體積與氣體的物質(zhì)的量有關。若1mol 氣體的自身體積為bVideal = V實 - nb (2)氣體分子運動的自由空間3. 實際氣體的狀態(tài)方程 (1873年 van der waals)理想氣體狀態(tài)方程: PV= nRT, 將(1)和(2)式子代入

14、其中, 得: a，b 稱為氣體的范德華常數(shù)。 a為分子間吸引系數(shù)：用于補償忽略分子間引力導致的 壓力下降。 b為體積參數(shù)：用于扣掉實際分子所占的體積。 a、b 值越大，實際氣體偏離理想氣體越大。van der Waals 某些氣體的van der Waals 常量例7. 分別按理想氣體狀態(tài)方程式和van der waals方程式計算1.50 mol SO2在30 C占有20.0 L體積時的壓力，并比較兩者的相對誤差。如果體積減少為2.00 L，其相對誤差又如何？解：已知：T =303 K，V=20.0 L n=1.50 mol a=0.6803 Pa m6 mol-2 b=0.563610-4

15、 m3 mol-1三點假設：1. 氣體物質(zhì)由大量分子組成，氣體分子連續(xù)不斷地作無規(guī)運動，氣體的壓力是由氣體分子撞擊器壁產(chǎn)生的。2. 氣體分子的碰撞是完全彈性的，即碰撞前后體系的總能量不變。3. 氣體分子的大小可忽略不計。氣體分子間的距離很大，分子間相互作用可以忽略不計。五. 氣體分子的運動：一定量氣體的分子總數(shù) 為速率在 區(qū)間的分子數(shù).表示速率1. 氣體分子的速率分布 區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比 同一溫度下不同氣體的速率分布 N2 分子在不同溫度下的速率分布 2. 氣體分子的能量分布 氣體分子的能量分布 氣體分子運動的動能與速度有關，故氣體分子的能量分布可用類似的曲線表示。2.2 液體 液體沒有固定的外形和顯著的膨脹性，但有著確定的體積，一定的流動性、一定的摻混亂性、一定的表面張力，固定的凝固執(zhí)點和沸點。 液體本身也有一些特性，如 ：粘度，表面張力，凝固點，沸點，飽和蒸氣壓（簡稱為蒸汽壓）一、液體的蒸發(fā)液體分子運動到接近液體表面,并具有適當?shù)倪\動方向和足夠大的動能時，它可以掙脫鄰近分子的引力逃逸到液面上方的空間變?yōu)檎魵夥肿印?二液體的飽和蒸氣壓（簡稱蒸氣壓）在一定的溫度下，液體與蒸氣達到平衡時，水蒸氣壓力最大，稱飽和蒸氣壓，用 p 表示。 H2O (l) H2O(