第二章 物质的状态

第二章物质的状态

在常温常压的通常情况下，物质的凝聚状态有三种：气态（gas,如空气、天然气、氧气、氮气、氯气等）、液态（liquid,如水、有机溶剂等）和固态（solid,如食盐、玻璃、岩石等）。

在特殊条件下，还可以“等离子态”存在。

§2-1 气体

为了便于研究气体的性质，人们通常从理想气体入手。

1-1 理想气体

（1）理想气体：①分子本身没有体积（只占位置不占体积，只是一个具有质量的几何点）；②分子之间没有相互吸引力；③分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失。具有以上三个特点的气体称为理想气体。

（2）理想气体在实际中并不存在，只是一种认为假设的气体模型。

（3）在高温、低压下，许多实际气体性质很接近理想气体，可近似看作理想气体。

1 理想气体的状态方程

大凡气体都具有扩散性和压缩性，对于一定量的理想气体，气体的体积(V)、温度(T)和压力(P)三者之间存在一定的关系，符合一定的规

律。此规律称为理想气体状态方程式。

PV ＝ nRT ①

PV ＝ (m/M)RT ②(测定分子量理论依据)

MP ＝ρRT③

P1V1 P2V2

━━━＝━━━④

T1 T2

并由此可推出波义尔定律：P1V1=P2V2 ，查理.盖吕萨克定律：P1/T1=P2/T2）。

注意：

①理想气体：分子本身体积极小或分子间的引力极小的气体；

②实际气体只有在温度偏高或压力偏低(高温低压)的情况下上面三式才适用；

③理想气体没有发生状态变化时，用①②式，状态发生变化时用③式；

④注意单位的统一。

单位制P V T R值R单位

SI制Pa m3K 8.314 J.moL-1 .K-1

（Pa.m3 .moL-1 .K-1) 通用单位制Pa L K 8314.3 Pa.L.moL-1 .K-1

通用单位制atm L K 0.082 atm.L.moL-1 .K-1

T:热力学温度，R:摩尔气体常数。

２（混合）气体分压定律

日常生活中看到的、遇到的大都是混合气体，如空气(O2、N2等)、液化气、煤气等。人们感兴趣也往往是混合气体中某一种气体的性质，如某一混合气体中某组分气体所占的体积、压力等，为此定义下述概念：

(1) 分体积、体积分数、摩尔分数

①分体积：在相同温度下，每种气体具有与混合气体相同压力时所占的体积。

例如在25℃，１大气压下，将0.4L N2和0.6L O2混合，总体积为1L。其中N2的分体积为0.4L，O2的分体积为0.6L。如不指明是分体积，由于气体的扩散性，混合后N2、O2的体积都为1L。

②体积分数：混合气体中，每组分气体的分体积与总体积之比，

即X i ＝V i /V T

在上例中，X N2 =0.4/1=0.4，X O2 =0.6/1=0.6。

③摩尔分数：混合气体中，某组分气体的“物质的量”与混合气体总的“物质的量”之比，即N i = n i /n总。

④注意：由定义可知

混合气体的总体积(V T )等于各组分气体分体积(V i )之和，

即V T ＝V1 +V2 +V3 +...+V i ；

摩尔分数和体积分数在数值上相等，即N i ＝X i。

为此，可用分体积表示某一组分气体在总混合体系中所占含量的多少。

(2) 分压力、分压定律

①分压力：该气体单独占有混合气体相同体积时所产生的压力。

对于组成混合气体的各组分气体的分压力和总压力也存在与体积

类似的关系，即分压定律。

②分压定律：混合气体的总压力等于各组分气体分压的总和；某组分气体分压的大小和它在混合气体中的摩尔分数(或体积分数)成正比。

即：P总＝P1 ＋P2 ＋...＋P n

P i /P总＝n i /n总(或P i ＝N i .P总)

(也可用分压力表示组分气体含量多少)

分压定律推导过程：

P总V总＝n总RT＝(n1 +n2 +...+n i )RT

＝P1 V总＋P2 V总＋...＋P i V＝(P1 +P2 +...+P i )V总

∴P总＝P1＋P2＋...＋Pn

另外由P总V总＝n总RT，P i V总＝ n i RT 得

P i /P总＝n i /n总=N i

③分压定律适用范围：理想气体；组分气体不发生反应的混合气体。

④分压定律计算应用：计算总压力或分压力，P总V i ＝P i V总＝P0 V0 ；

校正在水面上收集气体的体积。

现各举一例：

例题1：A气体在6×104Pa下，300Ｋ时体积为0.1升;Ｂ气体在8×104Pa 下,300Ｋ时体积为0.2升。将这两种气体在0.5升容器中混合，如果温度不变，求混合气体的总压强。

解：两位同学做法不同，看谁正确：

方法①P t＝6×104Pa+8×104Pa＝1.4×105Pa

方法②由P1V1＝P2V2

PⅠ×0.1/0.5=6×104×0.2

∴P A=1.2×104Pa P B∴P B=3.2×104Pa.

P t=P A+P B=1.2×104Pa+3.2×104Pa=4.4×104Pa

要弄清楚分体积、分压强的概念。

例2 在298K时，将压力为3.33×104 Pa的氮气0.2L和压力为

4.67×104 Pa的氧气0.3L移入0.3L的真空器，问混合气体中各组分气体的分压力、分体积、体积分数、摩尔分数和总压力各为多少？从答案中可得出什么结论？

解：对某一组分气体，P总V i ＝P i V总＝P0 V0 ，

P i =P0 V0 /V总，

V i =P i V总/P总，

所以氮气的分压力P N2 ＝3.33×104 ×0.2/0.3＝2.22×104 (Pa) 氧气的分压力P O2 ＝4.67×104 ×0.3/0.3＝4.67×104 (Pa)

混合气体总压力 P总＝P N2 ＋P O2 ＝6.89×104 (Pa)

氮气的分体积V N2 ＝2.22×104 ×0.3/6.89×104 ＝0.097(L)

氧气的分体积V O2 ＝4.67×104 ×0.3/6.89×104 ＝0.203(L)

氮气的体积分数X N2 ＝V N2 /V T ＝0.097/0.3＝0.323

氧气的体积分数X O2 ＝V O2 /V T ＝0.203/0.3＝0.677