【正文】 第一章 物質(zhì)及其變化 學(xué)習(xí)要求： 1．掌握理想氣體狀態(tài)方程式及其應(yīng)用； 2．掌握道爾頓分壓定律； 3．明確液體的蒸氣壓、液體沸點(diǎn)的含義及應(yīng)用； 4．學(xué)會(huì)蓋斯定律及應(yīng)用； 5．會(huì)正確書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式，明確其含義； 第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的，它們都以一定的形態(tài)存在于自然界，但物質(zhì)是由無(wú)數(shù)個(gè)分子、原子聚集而成，對(duì)于單個(gè)的分子或原子沒(méi)有什么狀態(tài)可言。在常溫、常壓下，物質(zhì)通常有氣體（ gas），液體（ liquid）和固體（ solid）三種存在狀態(tài)，通稱(chēng)為物質(zhì)的“三態(tài)”。在一定的溫度和壓力 條件下，同一種物質(zhì)的“三態(tài)”可以相互轉(zhuǎn)化。此外，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)物質(zhì)還有第四種存在形式 ― 等離子體狀態(tài)。 物質(zhì)的存在狀態(tài)主要由其組成微粒間的相互作用力所決定。從微粒間相互作用的強(qiáng)弱來(lái)看，一般來(lái)說(shuō)，氣體微粒間的作用最弱，液體微粒間的作用較強(qiáng)，固體微粒間的作用最強(qiáng)。物質(zhì)的每一種聚集狀態(tài)有各自的特征。在一定的條件下，物質(zhì)總是以一定的聚集狀態(tài)參加化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于某一特定的反應(yīng)，由于物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，其反應(yīng)的速率和能量關(guān)系也不同。在化學(xué)反應(yīng)中，氣體物質(zhì)與其它反應(yīng)物接觸面積大，使得反應(yīng)能充分進(jìn)行，例如液體燃料燃燒時(shí)盡量使之氣化， 以便燃燒完全。 一、氣體的一般性質(zhì)和理想氣體狀態(tài)方程式 物質(zhì)處在氣體狀態(tài)時(shí)，氣體分子間的距離遠(yuǎn)大于氣體分子本身的大小，分子間的引力非常小，各個(gè)分子都在作無(wú)規(guī)則地高速運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)），因此，可認(rèn)為氣體的存在狀態(tài)幾乎和它們的化學(xué)組成無(wú)關(guān)，致使氣體具有許多共同性質(zhì)，主要是 擴(kuò)散性 和 可壓縮性 ，這對(duì)于研究氣體的存在狀態(tài)帶來(lái)了方便。氣體沒(méi)有固定的形狀和體積，將氣體引入任何形狀和體積的容器中，由于它可向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都能自動(dòng)擴(kuò)散并均勻地充滿整個(gè)容器（ 擴(kuò)散性 ）；又由于氣體分子間的距離很大，所以氣體又很容易被壓縮（ 可壓縮 性 ），這給氣體的貯存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的方便。有關(guān)氣體的研究，對(duì)于原子論和近代化學(xué)的發(fā)展起著重要的作用。 （一） 理想氣體的經(jīng)驗(yàn)公式 氣體的存在狀態(tài)主要由四個(gè)因素決定，即體積、壓力、溫度和物質(zhì)的量。從 17~19世紀(jì)，許多科學(xué)家研究了在較低壓力下的氣體性質(zhì)，從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律： 1．波義耳定律 在一定溫度下，一定量氣體的體積（ V）與它的壓力（ p）成反比，即： p1α? 或 　恒定）　　　　，恒量　（ nTpV ? （ 1– 1） 2．查理定律 在一定壓力下，一定量氣體的體 積（ V） 和熱力學(xué)溫度 （ T） 成正比，即： TV? 或 　恒定）　　　　，恒量　?。ā?npTV ? （ 1– 2） 熱力學(xué)溫度也稱(chēng)絕對(duì)溫度，其單位名稱(chēng)為開(kāi)爾文，用符號(hào) K表示，它與攝氏溫度（ t℃）的 關(guān)系為： ℃/?? （ 1– 3） 3．阿佛加德羅定律 在一定的溫度與壓力下，氣體的體積（ V）與其物質(zhì)的量（ n）成正比，即： nV? 或 　恒定）　，恒量　?。?pTnV ? （ 1– 4） （二）理想氣體狀態(tài) 方程式 上述有關(guān)氣體性質(zhì)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，各自都反映了氣體行為的一個(gè)側(cè)面，如果綜合上述三個(gè)定律，就可得到下面的關(guān)系式： pnTV? 或 恒量?nTpV 這一恒量稱(chēng)為摩爾氣體常數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)氣體常數(shù)），用符號(hào) R表示，代入上式可得： 　nRTpV= （ 1– 5） 式中。明其值與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)摩爾氣體常數(shù)，實(shí)驗(yàn)證（開(kāi)）；單位為氣體熱力學(xué)溫度，（摩爾）；單位為氣體物質(zhì)的量，（立方米）；　單位為氣體體積，（帕）；　單位為氣體壓力，??????????RKSITm o lSInmSIVPaSIp3 式 (1– 5)稱(chēng)為理想氣體狀態(tài)方程式，它反映了決定 氣體存在狀態(tài)的四個(gè)物理量，即： 體積、壓力、溫度和物質(zhì)的量 之間的關(guān)系。 氣體常數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。如測(cè)得 mol氣體在 K、 Pa的條件下所占有的體積為 10– 3 m3，代入（ 1– 5）式則得： ）開(kāi)摩　焦　（或　　　?。╅_(kāi)摩米　牛頓?。ɑ颉　　　　　　　?1111111333???????????????????????????Km o lJKm o lmNKm o lmPanTpVR 我們把行為完全符合 （ 1– 5）式 要求的氣體叫 理想氣體 。理想氣體實(shí)際上是不存在的，它是一種科學(xué)的抽象，是一種人為的氣體模型，它要求氣體分子間完全沒(méi)有作用力，氣體分子本身完全不占有體積，實(shí)際氣體都不能完全符合這一要求。但是當(dāng)實(shí)際氣體處子低壓（低子數(shù)百千帕）、高溫（高于 273K）的條件下，這時(shí)分子間距離甚大，氣體的體積已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)分子本身所占的體積，因而可忽略后者，而且分子間作用力也因分子間距離拉大而迅速減小，故可把它近似地看作理想氣體。 例 1 在 下，一個(gè)體積為 50 dm3的氧氣鋼瓶，當(dāng)它的壓力降為 1500kPa 時(shí)，試計(jì)算鋼瓶中剩余的氧氣質(zhì)量為多少 ？ 解： 由理想氣體狀態(tài)方程（ 1– 5）式可得： m o l. o lJ.mPaRTpVn　　 2630 1529831481050101 5 0 011333? ??????????? 氧氣的摩爾質(zhì)量為 mol–1， 所以剩余的氧氣質(zhì)量為： mol gmol–1 = ≈ kg 答： 鋼瓶中剩余的氧氣質(zhì)量為 kg。 （三） 理想氣體分壓定律 和分體積定律 我們?cè)?日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)實(shí)驗(yàn) 中所遇到的氣體大多為混合氣體， 如空 氣就是一種混合氣體。 氣體的特性之一是具有擴(kuò)散性，能夠均勻地充滿 整個(gè)容器 。在任何容器內(nèi)的氣體混合物中，如果各組分 氣體 間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則 在達(dá)到擴(kuò)散平衡時(shí)， 每一種氣體都 能均勻地分布在整個(gè)容器內(nèi)，它所產(chǎn)生的壓力和它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力相同。也就是說(shuō)， 一定 物質(zhì)的 量的氣體在一定容積的容器中 所產(chǎn)生 的壓力僅與溫度有關(guān) 。 各組分氣體占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力叫做該組分的 分壓力 （ pi）。 例如， 0℃ 時(shí)， 1mol氧氣在容積 的容器內(nèi)所產(chǎn)生的壓力是 kPa。如果向容器內(nèi)加入 1mol氮?dú)獠⒈３秩?器體積不變，則氧氣的壓力還是 kPa，但容器內(nèi)的總壓力卻增大一倍，可見(jiàn)， 1mol氮?dú)庠谶@種狀態(tài)下產(chǎn)生的壓力也是 kPa。 英國(guó)科學(xué)家 道爾頓（ ）總結(jié)了這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，得出下列結(jié)論：某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物的總壓力等于其中各氣體分壓 力 之和，這就是 氣體分壓定律 ，它有兩種表現(xiàn)形式： 分壓定律可表示為： ?????? i ippppp . . . . . .321總 （ 1– 6） 圖 1– 1 是分壓定律的示意圖 [(a)， (b)， (c)， (d)為體積相同的四個(gè)容器 ]。圖中 (a)， (b)， (c)中的砝碼表示 A， B， C 三種氣體單獨(dú)存在時(shí)所產(chǎn)生的壓力。 (d)表示 A， B， C 混合氣體所產(chǎn)生的總壓。 理想氣體定律同樣適用于氣體混合物，如混合氣體中各氣體物質(zhì)的量之和為 總n ，溫度T 時(shí)混合氣體總壓為 總p ，體積為 V，則由（ 1– 5）式可得： RTnVp 總總 ? 如以 in 表示混合氣體中組分 i 的物質(zhì)的量， ip 表示其分壓力， V 為混合氣體體積，溫度為 T，則： RTnVp 11 ? 將該式除以上式可得： 總總 nnpp ii ? ， （ 1– 7， a） 或 總總 nnpp ii ?? （ 1– 7， b） 令 ii xnn ?總 ，則： 總pxp ii ? （ 1– 7， c） 其中總nni 為組分氣體的物質(zhì)的量與混合氣體物質(zhì)的量總數(shù)之比，稱(chēng)為 該組分的 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)即 摩爾分?jǐn)?shù) 。 （ 1– 7， c） 式表明，混合氣體每一組分氣體的分壓力等于 混合氣體 總壓 力乘以 該組分的 摩爾分?jǐn)?shù) ，這是分壓定律的另一表達(dá)形式 。 道爾頓分壓定律對(duì)于研究氣體混合物非常重要。在實(shí)驗(yàn)室中常用排水集氣法收集氣體（圖l– 2）。用這種方法收集的氣體中總是含有飽和的水蒸氣。在這種情況下所測(cè)出的壓力應(yīng)是混合氣體的總壓力。 即： P(總壓 ) = P(氣體 ) + P(水蒸氣 ) 水的飽和蒸氣壓僅與水的溫度有關(guān)，其值可從相關(guān)手冊(cè)中查出。 表 1– 1 水的飽和蒸汽壓 溫度 (℃ ) 飽和蒸氣壓 (kPa) 溫度 (℃ ) 飽和蒸氣壓 (kPa) 溫度