《物质的聚集状态》PPT课件.ppt

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1、物质的聚集状态,物质的聚集状态(State of Substance),气体（gas）液体（liquid）固体（solid）等离子体（plasma）（104 K以上)处于高度电离状态的气体，其中包括电子、带正电的离子以及少量中性原子。超高密度态（ultrahigh density state)(超高压下，如常压的108倍)由中子气与自由电子气所组成。,1.1 气体,气体的分子运动无规则、杂乱无章；气体分子间作用力小；气体具有扩散性；气体无一定形状，无一定体积，取决于容器的形状和体积；气体相对于液、固来说，密度较小；气体有较大的可压缩性；任何气体在一定的温度和压力下都可以液化成液体。,气体的特点

2、:,1.1.1 低压气体的经验规律,1.玻意耳定律,在定温下，定量气体的体积与其压力p成反比,大多数气体中是在低压下服从玻意耳定律，压力愈高，偏差愈大。,常数,图1.1 等温线,2.查理-盖 吕萨克定律,在定压下，定量气体的温度每升高1C，其体积便增加它在0 C时体积的1/273.15。,摄氏温度(),T=273.15+t,热力学温度(K),定量的气体，当压力一定时，气体的体积V与热力学温度T成正比。,图1.2 等压线,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。,标准状况:101.325kPa和273.15K（即0）1mol气体:粒子数NA=6.0210

3、23mol-1 体积 Vm=22.4141L,物质的聚集状态(State of Substance),气体（gas）液体（liquid）固体（solid）等离子体（plasma）（104 K以上)处于高度电离状态的气体，其中包括电子、带正电的离子以及少量中性原子。超高密度态（ultrahigh density state)(超高压下，如常压的108倍)由中子气与自由电子气所组成。,1.1.1 低压气体的经验规律,1.玻意耳定律,在定温下，定量气体的体积与其压力p成反比,大多数气体中是在低压下服从玻意耳定律，压力愈高，偏差愈大。,常数,图1.1 等温线,2.查理-盖 吕萨克定律,在定压下，定量气

4、体的温度每升高1C，其体积便增加它在0 C时体积的1/273.15。,摄氏温度(),T=273.15+t,热力学温度(K),定量的气体，当压力一定时，气体的体积V与热力学温度T成正比。,图1.2 等压线,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。,标准状况:101.325kPa和273.15K（即0）1mol气体:粒子数NA=6.021023mol-1 体积 Vm=22.4141L,理想气体（Ideal Gas）,在任何温度、压力下都符合气体三定律的气体。特点：1.理想气体分子是不占体积的质点；2.分子间无作用力；3.理想气体的分子几乎是弹性的，与器壁相

5、撞，单位面积所承受的压力相等。【低压（0）的气体】,1.1.2 理想气体状态方程,p2V2T2,p1V1T1,任意变化,状态1,状态2,p1V1=p2V2,pV=nRT,pV=KT（质量恒定）,pVm=RT（n=1mol）,理想气体状态方程,R:摩尔气体常数,Nmol气体:,k为玻耳兹曼常数（Boltzmann constant)。k=1.3810-23(Jmol-1K-1),对于某种定量气体定温下，PVC（C为常数）玻意耳定律定压下，V T 查理-盖 吕萨克定律当T、P、V一定时，不同气体含有的分子数相等 阿伏加德罗定律,PV=nRT,PV=nRT的其它形式,理想气体状态图,理想气体状态方程

6、的应用,计算气体的存在状态和条件；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。通过实验测定分子量和原子量;,例：304ml的某气体在25和压力为9.93104Pa时重0.780克。求：该气体的分子量。,解：,答：该气体分子量为64。,理想气体状态方程的应用,计算气体的存在状态和条件；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。通过实验测定分子量和原子量;气体密度的计算,1.1.3 混合理想气体的分压定律和分体积定律,分压：在一定温度条件下，各气体单独占据混合气体总体积时所具有的压力。分体积：在温度T和总压P时某组分单独存在所占据的体积

7、。,道尔顿分压定律,T，V,p1V=N1kT p2V=N2kT+,(p1+p2+pi)V=(N1+N2+Ni)kT,N1 N2 Ni,混合前,混合后 pV=(N1+N2+Ni)kT p=p1+p2+pi,分压定律的另一个表达式,一定温度下:p=p1+p2+pi 对于第i种组分气体：piV=niRT 对于混合气体：pV=nRT,i组分气体的分压为 pi=pxi,i 组分在混合气体中摩尔分数,气液两相平衡时蒸气的分压即为该液体的饱和蒸气压。温度一定，水的分压（饱和蒸气压）为定值。,分压定律的应用,例:0.326gXH2 遇水生成X（OH）2 和H2，在294K、1atm下集得0.384dm3H2，

8、问XH2是什么氢化物？（已知水的饱和蒸汽压为2.35kPa),据反应：XH2+2H2O=X（OH）2+2H2生成0.0155mol的H2需XH2为0.00775molM（XH2）=W/n=0.326g/0.00775mol=42g/molM（X）=40,根据水蒸气的饱和蒸汽压计算H2的物质的量为：,解:,CaH2,2.阿马格分体积定律,混合前 pV1=N1kT pV2=N2kT p(V1+V2)=(N1+N2)kT混合后 pV=(N1+N2)kT V=V1+V2;Vi=Vxi,+),例 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

9、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？,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。P=g hw+101KPa,例: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？,解：,=9.807 m/s2 1.03103kgm-330m+101

10、kPa=303103 kgm-1 s-2+101kPa=303kPa+101kPa=404kPa,1.1.4 格雷姆扩散定律,扩散:当两种气体混合，最初每一种气体在各处的密度是不均匀的，气体总是从密度大的地方向密度小的地方迁移，最终达到密度均匀分布的状态。实验：取一支长的玻璃管，在玻璃管两端分别用沾过浓盐酸及氨水的棉球塞紧。,HCl NH3,NH4Cl白色烟雾不是在管子中间而是靠近HCl棉球的一端,NH3与HCl在玻璃管内扩散速度不同,格雷姆扩散定律,在同温、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。,同温同压下，A、B两种气体的扩散速度之比为：,1.1.5 气体分子运动论,气体分

11、子可视为无体积的质点；分子间引力很小，分子的运动与其它分子无关；气体分子运动的直线路程只在分子间碰撞或与器壁碰撞后才改变，是弹性碰撞；气体的压力是由于气体分子同容器器壁发生碰撞的结果；气体分子都有动能，所有分子的平均动能与气体的绝对温度成正比。,1.基本假设,在全部分子中有1/3在x轴方向运动；速度为u1的分子与容器壁的碰撞为弹性碰撞，即只改变运动方向，不改变速度，因此碰撞A面一次的动量变化的绝对值为2mu1；两次撞壁之间的距离为2l，则连续两次与A面撞壁所需的时间为2l/u1，因此该分子单位时间动量变化为mu12/l。,2 理想气体运动方程,假设立方容器的边长为l，含有N个质量为m的气体分子

12、，其中N1个分子的速度为u1，N2个分子的速度为u2，以此类推；,mu12/l 亦即该分子施加于A面之力，因此N/3个分子所施加于器壁上力的总和为:,单位时间动量的变化就是作用力F,其中,令,根均方速率,理想气体运动方程,分子的平均动能与温度的关系：,压力是单位面积上所受到的力,则:P=F/A,A=V/l,3 气体分子运动论公式对经验定律的说明,（1）玻意耳定律,（2）阿伏加德罗定律,=C,一定量的气体，定温,同温同压,N1=N2,（3）道尔顿分压定律,混合后：,混合前：,P总 P1 P2,1.1.6 分子运动的速率分布,速率分布函数:,麦克斯威,速率分布曲线示意图,v 1 v 2,f(),v

13、,up,最概然速率:,算术平均速率:,根均方速率:,ur,ua,up:ua:ur=1:1.128:1.224,速率分布曲线,不同温度下的速率分布曲线,能量分布,1.1.7 实际气体范德华方程,实际气体（高压、低温条件下）与理想气体的差别:考虑分子自身的体积：对体积项的校正（b因子）；考虑分子间的作用力：对压力项的校正（a因子）;,分子间的碰撞与有效半径,1.体积校正,假设1mol理想气体的体积是Vm,则实际气体体积为Vm-b。那么，在不考虑分子间作用力的条件下，气体状态方程修正为：,p(Vm-b)=RT,2.压力校正,分子间吸引力对所产生压力的影响,内压力既正比于气体内部的分子数或密度（d内）

14、，又正比于靠近器壁表面的一层分子数目或密度（d表），而d内=d表，即,实际气体状态方程范德华方程,对于1摩尔气体,对于n摩尔气体,1.1.8 气液间的转化实际气体等温线,实际气体液化的途径:,1.加压,条件：一定温度。,2.降温,CO2的气液平衡图,临界温度Tc：物质以液态形式出现的最高温度。,临界压力Pc（critical pressure)：在临界温度下使气体液化所必需的最低压力。,临界体积Vc（critical Volume)：在临界温度、临界压力下气态物质所占据的体积。,1.2 液体,1.2.1 液体的微观结构,1.2.3 液体的沸点,1.2.4 液体的表面张力,1.2.2 液体的蒸汽

15、压,不易压缩；有流动性（同气体一样是流体）；分子间距离小，作用力大（在整个液体内移动）；“近程有序而远程无序”；分子的热运动主要表现为在平衡位置附近作微小振动。定居时间：某液体分子在某位置附近振动的平均时间。例：液态金属=10-10 s,液体的特点:,1.2.1 液体的微观结构,蒸发：将液体放在抽空的封闭的容器中，液面有一定的自由空间，液体中能量较大的那部分分子，就能克服分子间的引力，而进入液面上的空间。,1.2.2 液体的蒸气压,当凝聚速度与蒸发速度相等时，体系达到动态平衡状态，液面上的蒸气分子不再增多，达到饱和，这时饱和蒸气所产生的压力叫饱和蒸气压。,饱和蒸气压,与气体体积无关，与液相的量

16、无关；与气体的种类有关；与温度有关,Note:在相同温度下，若液体质点间的引力强，则液体质点难以逸出液面，蒸气压就低；反之，若液体质点间的引力弱，则蒸气压就高；对同一液体，升高温度，则液体中动能大的质点数目增多，逸出液面的质点数目也相应增多，因而蒸气压提高；反之，降低温度，蒸气压降低。,水在不同状态下的蒸气压,水的饱和蒸汽压随温度的增加而增加。,该经验公式适用于所有液体，A、B为与液体性质有关的常数。,vapHm 为液体的摩尔蒸发热（气化焓）：在恒温恒压下1mol液体气化或蒸发所必须吸收的热量。,在两个温度下,克劳休斯克拉贝龙方程式,1.2.3 液体的沸点,正常沸点：液体的饱和蒸汽压与标准情况

17、的压力（101.325 kPa)相等时的温度。液体的沸点与外界压力有关，压力增大，沸点增高；液体沸腾时，即使再加热，温度总是不变的；液体的沸点与分子间力有关，分子间力越大，沸点越高。,表面和界面,常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。,表界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。,1.2.4 液体的表面张力,表面现象的本质,表面分子受到被拉入体相的作用力,液体内部分子所受的力可以彼此抵销，,表面分子受到体相分子的拉力大

18、，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），,液体表面有自动减小的趋势,由于表面层分子受到指向内部的作用力，若扩大液体表面（即把液体体相中的分子搬到表面），必须外界对之做功以克服此种作用力，这种功称为表面功。表面张力 是单位长度上使表面收缩的力。,表面张力,表面张力与表面功的关系,保持液膜不缩小所需外加的力：F=2l外界对抗液体表面张力所做的功：W=Fdx=2l dx=dA,是单位表面长度上使表面收缩的力，数值上等于增加单位表面外界所做的功。,dA=2l dx 液膜表面的增量,表面张力的大小,表面张力的大小决定于液体分子间的作用力。易挥发液体的分子间作用力小，表面张力就小；反之亦然。表面张力随温

19、度的升高而降低。温度升高，液体分子动能增加，液面收缩趋势变小。,物质的聚集状态(State of Substance),气体（gas）液体（liquid）固体（solid）等离子体（plasma）（104 K以上)处于高度电离状态的气体，其中包括电子、带正电的离子以及少量中性原子。超高密度态（ultrahigh density state)(超高压下，如常压的108倍)由中子气与自由电子气所组成。,小 结,小 结,1.1 气体,1.1.1 低压气体的经验规律,1.玻意耳定律2.查理-盖 吕萨克定律3.阿伏加德罗定律,小 结,1.1.2 理想气体状态方程,pV=nRT,理想气体状态方程的应用,计

20、算气体的存在状态和条件；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。通过实验测定分子量和原子量;气体密度的计算,小 结,1.1.3 混合理想气体的分压定律和分体积定律,1.道尔顿分压定律,p=p1+p2+pi,小 结,2.阿马格分体积定律,V=V1+V2;Vi=Vxi,在同温、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。,同温同压下，A、B两种气体的扩散速度之比为：,小 结,1.1.4 格雷姆扩散定律,小 结,1.1.5 气体分子运动论,理想气体运动方程,分子的平均动能与温度的关系：,小 结,1.1.6 分子运动的速率分布,速率分布函数:,分布在速率v附

21、近单位速率间隔内的分子数占总分子数的比率或百分数,麦克斯威,速率分布曲线示意图,v 1 v 2,f(),v,up,最概然速率:,算术平均速率:,根均方速率:,ur,ua,up:ua:ur=1:1.128:1.224,小 结,小 结,1.1.7 实际气体范德华方程,实际气体（高压、低温条件下）与理想气体的差别:考虑分子自身的体积：对体积项的校正（b因子）；考虑分子间的作用力：对压力项的校正（a因子）;,对于1摩尔气体,对于n摩尔气体,CO2的气液平衡图,临界温度Tc：物质以液态形式出现的最高温度。,临界压力Pc（critical pressure)：在临界温度下使气体液化所必需的最低压力。,临界

22、体积Vc（critical Volume)：在临界温度、临界压力下气态物质所占据的体积。,1.1.8 气液间的转化实际气体等温线,小 结,小 结,1.2 液体,液体的蒸汽压,克劳休斯克拉贝龙方程式,小 结,表面张力,表面分子受到被拉入体相的作用力,液体表面有自动减小的趋势,表面张力与表面功的关系,是单位表面长度上使表面收缩的力，数值上等于增加单位表面外界所做的功。,1.3 水,1.3.1 纯净水的获得,1.3.2 水的结构,1.3.3 水的物理性质,1.3.4 水的相图,1.3.5 重水,1.3.6 水的污染与环境保护,1.3.1 纯净水的获得,蒸馏：净化水的一种常用方法。电导水：用铂或石英蒸

23、馏器，加入适量化学药品除去普通蒸馏水中的有机物、无机物机挥发性酸，在真空中进行蒸馏得到电导率低达10-5S.m-1称电导水亚沸水：在稳定的亚沸状态下蒸馏的水。离子交换水（离子水）：用离子交换树脂除去水中的阳离子或阴离子制备的纯水称为离子交换水。,1.3.2 水的结构,水是极性分子,有很大的偶极矩正电性的一端H和负离子或其他分子中的负性一端相结合，形成氢键。在水的沸点时测得水蒸气的相对分子量18.64OH键长为 95.72pmHOH为104.5,水的固态结构,在冰中每一个水分子都被4个水分子所包围,冰由无限个四面体通过氢键互相连接在一起而形成一个很大的分子晶体。,1.3.3 水的物理性质,水的特

24、殊的性质：水结冰后，体积增大，密度减小（277K时密度最大）,1.3.4 水的相图,相：体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。体系中相的总数称为相数。,气体：不论有多少种气体混合，只有一个气相。,液体：按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。,固体：一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）。,相图,相图：表达多相体系的状态如何随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形。,三个单相区：在气、液、固三个单相区内，温度和压力独立地有限度地变化不会引起相的改变。,三条两

25、相平衡线：压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由体系自定。,OA 是气-液两相平衡线，即气化曲线，代表水的蒸气压与温度的关系。水的沸点，指的是压力为101.325kPa时水和水蒸气平衡时的温度，即373.15K。,OB 是气-固两相平衡线，即升华曲线。,OC 是液-固两相平衡线，即溶化曲线，代表水的凝固点压力而改变的曲线。,O点 是三相点，气-液-固三相共存，三相点的温度和压力皆由体系自定。,H2O的三相点温度为273.16 K，压力为611.73 Pa。,三相点与冰点的区别,三相点是物质自身的特性，不能加以改变，如H2O的三相点T=273.16 K，p=611.73 Pa。,冰点是在大

26、气压力下，水、冰、气三相共存。当大气压力为101.325 kPa 时，冰点温度为273.15 K，改变外压，冰点也随之改变。,冰点温度比三相点温度低0.01 K是由两种因素造成的：,（1）因外压增加，使凝固点下降0.00748K；（2）因水中溶有空气，使凝固点下降0.00241K。,1.3.5 重水,重水：由氘组成的水叫重水，在普通水中重水占0.02%。重水是核反应堆中的“减速剂”和“冷却剂”；重水是核聚变反应重要的氘源；重水比普通水约重10%；盐类在重水中的溶解度比在水中稍小。,1.3.6 水的污染与环境保护,耗氧物质水体的富养化油类有毒的无机物质有毒的有机物质,水体中常见的污染物种类：,1.4 超临界状态,超临界流体：是指温度及压力均处于临界点以上的液体。在临界点C以上的阴影区就是超临界流体区可以利用升温、降压手段（或两者兼用）将超临界体中所溶解的物质分离出来，达到分离提纯的目的。,超临界流体的应用,超临界流体的实际应用非常广泛，如超临界流体萃取、超临界流体色谱和超临界流体中的化学反应等，但以超临界流体萃取应用最为广泛。利用超临界流体作为反应介质也有许多好处。如将反应物和催化剂都溶解在超临界流体中，可使非均相反应变成均相反应。,