液體的結(jié)構(gòu)
化學(xué)試劑,九料化工商城 / 2020-12-04
本章討論物質(zhì)最復(fù)雜的狀態(tài)一一液態(tài)的結(jié)構(gòu)，觀察當(dāng)固體熔化時(shí)，液體怎樣形，并進(jìn)而討論當(dāng)液體蒸發(fā)為氣體時(shí)，會(huì)發(fā)生什么變化，我們將發(fā)現(xiàn)相圖是討論不同相共存的條件的種簡(jiǎn)便方法，同時(shí)我們將介紹相圖中包含的某些知識(shí).
物質(zhì)通常是聚合在一起而不是整塊的，在適當(dāng)條件下，固體可熔化為液體，氣體能冷凝為液體，本章將敘述這些狀態(tài)變化的規(guī)律。狀態(tài)的變化稱為相變液態(tài)是人們了解得最少的物質(zhì)狀態(tài)，因?yàn)樗墙橛谟幸?guī)則結(jié)構(gòu)的晶體和幾乎完全無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的氣體之間的一種中間狀態(tài)。然而，對(duì)液態(tài)的認(rèn)識(shí)已有所進(jìn)展，我們將簡(jiǎn)單地用現(xiàn)代的觀點(diǎn)來(lái)描述液體。在本章中，大部分材料將討論相變與條件的關(guān)系，例如，眾所周知，水在海拔高處的沸點(diǎn)低于它在海平面處的沸點(diǎn)，同時(shí)我們將指明怎樣畫(huà)出相圖來(lái)描繪這種關(guān)系，熔點(diǎn)同樣也與壓力有關(guān)(這就是滑冰者很容易在冰上滑動(dòng)的道理)，本章也將研究其原因.
我們可以通過(guò)探索固體熔化和液體沸發(fā)生什么變化來(lái)描述液體的性質(zhì).
固體的熔化
當(dāng)加熱固體時(shí)，開(kāi)始幾乎沒(méi)有什么變化。一塊在100℃時(shí)的銅塊，看起來(lái)與在25℃時(shí)的銅塊幾乎一樣，但如果加以測(cè)量，將證明銅塊有微小的膨脹銅塊膨脹的原因很容易找出來(lái)離子受熱后振動(dòng)加劇，因而要占據(jù)更大的空間。圖6-1(a)是這種運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬、從圖可以看出雖然離子前后振動(dòng)很劇烈，但仍不能從原晶格的位置掙脫出來(lái).當(dāng)溫度升高時(shí)，振動(dòng)更加剛烈，但固體的品形仍然能保持原狀。因?yàn)殡x子只是繞在原來(lái)的位置上振動(dòng)，但是塊的體積卻是變大了，最后，溫度升高到某點(diǎn)，這時(shí)離子的振動(dòng)是如此劇烈以致它從固定的晶格位置中掙脫出來(lái)，于是，固體就熔化為液體剛好在其熔點(diǎn)之上的離子運(yùn)動(dòng)情況的計(jì)算機(jī)模擬如圖6-1(b)所示，由圖可見(jiàn)，這時(shí)離子可在大的距離中自由運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)是如此稀薄，故易于流動(dòng)，以致液體的形狀依容器而定。液體的壓縮性比氣體小得多，因?yàn)樗鼈儾幌駳怏w，粒子幾乎是緊密地聚在一起，只有極小的活動(dòng)空間.
布朗( Brown)(在1827)首先從實(shí)驗(yàn)證明了液體中的分子處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，通過(guò)顯微鏡觀察懸浮在水里的細(xì)小顆粒的運(yùn)動(dòng)，這些顆粒不停地進(jìn)行著環(huán)繞的移動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)非常符合現(xiàn)代有關(guān)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，因?yàn)槊總€(gè)顆粒都要受到大量分子的撞擊。而這種擊不是均勻的，在某個(gè)瞬間，顆粒在某一面受到的撞擊超過(guò)其它方面，于是顆粒就沿這個(gè)方向運(yùn)動(dòng)而后，另一面可能受到更多的撞擊，使得該顆粒又沿另一方向運(yùn)動(dòng)，如圖6-2所示（九料化工http://yuehuifs.cn/）。
現(xiàn)代技術(shù)(特別是光譜學(xué)的發(fā)展)已代替了這種粗的觀察方法現(xiàn)在人們對(duì)液體中分子運(yùn)動(dòng)情況已有詳細(xì)的了解。從這些觀察表明，液體中分子的運(yùn)動(dòng)介于理想氣體(完全自由運(yùn)動(dòng))和剛硬晶體(幾乎不能運(yùn)動(dòng))的中間狀態(tài)。當(dāng)液體中的分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，其步伐很短，每一步只通過(guò)分子半徑的幾分之一的距離(約通過(guò)10pm)，而且各步的方向都是無(wú)規(guī)則的大約每10秒左右發(fā)生一次圖1(b)必須用這種觀點(diǎn)來(lái)作解釋.
液體蒸發(fā)
液體的一些分子能夠逸出到氣相中去，追出的分子數(shù)隨溫度升高而增加.它們所產(chǎn)生的壓力稱為在該樣品度下此液體的蒸氣壓。水在25℃時(shí)的蒸氣壓只有3.2kPa(0.03atm)，這是因?yàn)橹挥行×康姆肿幽軌蛞莩?，?dāng)溫度是100℃時(shí)，蒸氣壓可以升到10kPa(1atm)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，這個(gè)壓力可以抗衡大氣壓而使水蒸發(fā)，這就是中的水沸騰時(shí)出現(xiàn)的情況正常沸點(diǎn)就是該液體的蒸氣壓達(dá)到101kPa時(shí)的溫度。在不同條件下(如山頂上和礦井下)其蒸氣壓相當(dāng)于該處大氣壓，而在不同的溫度下，這樣沸點(diǎn)也就不同揮發(fā)性比水大的液體，在較低的溫度下就可達(dá)到101kPa的蒸氣壓，例如液體氮，當(dāng)溫度只升到4.2K時(shí)就能達(dá)到這個(gè)值.
例:汞在25℃時(shí)的蒸氣壓為0.224Pa。求汞氣壓計(jì)管子頂端“真空”的壓力是多少?有幾滴數(shù)在30m3房間的地板上同在該房間的大氣中求的質(zhì)量是多少?
方法:汞蒸發(fā)直至分壓為0.224Pa，對(duì)題中的第二問(wèn)，假設(shè)汞蒸氣是理想氣體，可以用理想氣體公式n=Pv/RT來(lái)計(jì)算室內(nèi)大氣中汞蒸氣的量再以Ar(Hg)=200.6換算為的質(zhì)量.
解答:管頂“真空"的壓力是汞的蒸氣壓，即0.224Pa，在30m3房間內(nèi)，相應(yīng)于的分壓為0.224Pa時(shí)的汞量，可由理想氣體方程式求得:
PV (0.224N?m-2)×30m3
n=------=------------------------------------------=271×10-3mol
PT (8.314j?K-1?mol-1)×298K
(采用:1N=1j?m-1)，與汞的這個(gè)摩爾數(shù)相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量為
M=n×(Arg?mol-1)=(2.71×10-3mol)×(200.6g?mol-1)=0.54g
評(píng)注:0.54g汞蒸氣是危險(xiǎn)的，一定要及時(shí)把在地板上的汞清理干凈汞蒸氣壓是低的，但對(duì)于要求高真空的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，汞的蒸氣壓還是不夠低的其它某些液體具有更低的蒸氣壓，如磷酸三甲苯，在25℃時(shí)，其蒸氣壓只有4.1×10-5Pa，相當(dāng)于只有一個(gè)原子高度的汞柱，在現(xiàn)代高真空操作中幾乎不采用液體.
.jpg "計(jì)算機(jī)對(duì)固體粒子運(yùn)作模擬")
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