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,液體怎樣形,并進(jìn)而討論當(dāng)液體蒸發(fā)為氣體時,會發(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便方法,同時我們將介紹相圖中包含的某些知識.
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),因為它是介于有規(guī)則結(jié)構(gòu)的晶體和幾乎完全無規(guī)則結(jié)構(gòu)的氣體之間的一種中間狀態(tài)。然而,對液態(tài)的認(rèn)識已有所進(jìn)展,我們將簡單地用現(xiàn)代的觀點(diǎn)來描述液體。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),同時我們將指明怎樣畫出相圖來描繪這種關(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的道理),本章也將研究其原因.
我們可以通過探索固體熔化和液體沸發(fā)生什么變化來描述液體的性質(zhì).
固體的熔化
當(dāng)加熱固體時,開始幾乎沒有什么變化。一塊在100℃時的銅塊,看起來與在25℃時的銅塊幾乎一樣,但如果加以測量,將證明銅塊有微小的膨脹銅塊膨脹的原因很容易找出來離子受熱后振動加劇,因而要占據(jù)更大的空間。圖6-1(a)是這種運(yùn)動的計算機(jī)模擬、從圖可以看出雖然離子前后振動很劇烈,但仍不能從原晶格的位置掙脫出來.當(dāng)溫度升高時,振動更加剛烈,但固體的品形仍然能保持原狀。因為離子只是繞在原來的位置上振動,但是塊的體積卻是變大了,最后,溫度升高到某點(diǎn),這時離子的振動是如此劇烈以致它從固定的晶格位置中掙脫出來,于是,固體就熔化為液體剛好在其熔點(diǎn)之上的離子運(yùn)動情況的計算機(jī)模擬如圖6-1(b)所示,由圖可見,這時離子可在大的距離中自由運(yùn)動,因為它的結(jié)構(gòu)是如此稀薄,故易于流動,以致液體的形狀依容器而定。液體的壓縮性比氣體小得多,因為它們不像氣體,粒子幾乎是緊密地聚在一起,只有極小的活動空間.
布朗( Brown)(在1827)首先從實驗證明了液體中的分子處于不斷運(yùn)動的狀態(tài)中,通過顯微鏡觀察懸浮在水里的細(xì)小顆粒的運(yùn)動,這些顆粒不停地進(jìn)行著環(huán)繞的移動。布朗運(yùn)動非常符合現(xiàn)代有關(guān)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,因為每個顆粒都要受到大量分子的撞擊。而這種擊不是均勻的,在某個瞬間,顆粒在某一面受到的撞擊超過其它方面,于是顆粒就沿這個方向運(yùn)動而后,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,如圖6-2所示(九料化工http://f670.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)在人們對液體中分子運(yùn)動情況已有詳細(xì)的了解。從這些觀察表明,液體中分子的運(yùn)動介于理想氣體(完全自由運(yùn)動)和剛硬晶體(幾乎不能運(yùn)動)的中間狀態(tài)。當(dāng)液體中的分子運(yùn)動時,其步伐很短,每一步只通過分子半徑的幾分之一的距離(約通過10pm),而且各步的方向都是無規(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℃時的蒸氣壓只有3.2kPa(0.03atm),這是因為只有小量的分子能夠逸出,當(dāng)溫度是100℃時,蒸氣壓可以升到10kPa(1atm)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,這個壓力可以抗衡大氣壓而使水蒸發(fā),這就是中的水沸騰時出現(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時就能達(dá)到這個值.
例:汞在25℃時的蒸氣壓為0.224Pa。求汞氣壓計管子頂端“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,對題中的第二問,假設(shè)汞蒸氣是理想氣體,可以用理想氣體公式n=Pv/RT來計算室內(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
評注:0.54g汞蒸氣是危險的,一定要及時把在地板上的汞清理干凈汞蒸氣壓是低的,但對于要求高真空的實驗來說,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,其蒸氣壓只有4.1×10-5Pa,相當(dāng)于只有一個原子高度的汞柱,在現(xiàn)代高真空操作中幾乎不采用液體.