物质的状态

你周围的一切都由微小的粒子(particles)构成——这些可以是原子(atoms)、分子(molecules)或离子(ions)。粒子动理论(kinetic particle theory)说这些粒子一直在运动。粒子有多近、它们如何排列,以及它们如何运动决定物质是一个固体(solid)、一个液体(liquid)还是一个气体(gas)。

Properties you can observe

你不需要一台显微镜就能区分三个状态。它们以不同的方式表现:

• 一个固体有一个固定的形状和一个固定的体积(volume)。它不流动,而且你不能压缩(compress,把它挤得更小)它。
• 一个液体有一个固定的体积但没有固定的形状。它流动并取它容器的形状。它几乎不可能被压缩。
• 一个气体没有固定的形状也没有固定的体积。它流动并铺开以填满整个容器。一个气体容易被压缩。

下面的表格总结这些性质。密度(density)意味着多少质量(mass)被塞进一个给定的体积。

The particle picture

粒子动理论通过看三样东西解释这些性质:粒子的间距(separation,它们相隔多远)、它们的排列(arrangement,图案),以及它们的运动(motion,它们如何运动)。

强的引力(forces of attraction)把粒子保持在一起。在一个固体中这些力足够强以把每个粒子保持在原位,所以一个固体保持它的形状。在一个液体中力更弱,所以粒子能四处移动。在一个气体中粒子移动得如此快,以至于力几乎完全不起作用,所以气体铺开。

当你加热或冷却一个物质时,它能从一个状态变成另一个。你必须知道每个变化的名称。

一个纯固体在一个固定的温度熔化,熔点(melting point)。一个纯液体在一个固定的温度沸腾,沸点(boiling point)。同一个物质在它的熔点凝固、在它的沸点凝结。

少数物质直接从固体变成气体而不先熔化。这叫升华(sublimation)。在下面的照片中,一个烧杯里被加热的固体碘直接变成一个紫色气体;气体随即在上面的圆形冰瓶上冷却并变回一个固体。

Explaining changes of state with the particle theory

每个状态变化实际上是粒子能量(energy)的一个变化。

• 当你加热一个固体时,粒子获得能量并振动得更快。在熔点粒子有足够的能量从它们固定的位置挣脱并四处滑动——固体熔化。
• 当你加热一个液体时,粒子移动得更快。在沸点它们有足够的能量完全逃脱引力并变成一个气体。
• 冷却做相反的。粒子失去能量、移动得更慢,而引力把它们拉回在一起。

在一个状态变化期间,能量用于打破引力,而不是用于使粒子移动得更快。这就是为什么当一个物质在熔化或沸腾时温度保持不变。

Heating and cooling curves

一条加热曲线(heating curve)是你稳定地加热一个物质时温度对时间的一个图。一条冷却曲线(cooling curve)是物质冷却时同样的图。

在一条加热曲线上有两个平(水平)的部分:

• 第一个平的部分在熔点。这里固体和液体都存在。热能打破把固体保持在一起的力,所以温度不上升。
• 第二个平的部分在沸点。这里液体和气体都存在,而温度再次保持恒定。

一条冷却曲线是相反的。它在沸点有一个平的部分(气体凝结)和在熔点有一个平的部分(液体凝固)。随着粒子减速,热能(thermal energy)被释放到周围环境。

一个气体推它容器的壁。这个推,铺开在壁的面积上,是气体的压强(pressure)。压强来自气体粒子撞击壁。

Effect of temperature

若你加热一个固定质量的气体、同时保持压强相同,它的体积增加。

用粒子理论:加热给粒子更多的动能(kinetic energy),所以它们移动得更快。它们更用力、更频繁地撞击壁。为了保持压强相同,气体必须占据更多的空间,所以体积变大。

若相反体积是固定的(一个密封、刚性的容器),加热气体使压强上升,因为更快的粒子更用力、更频繁地与壁碰撞(collide)。

Effect of pressure

若你增加一个固定质量气体上的压强、同时保持温度相同,它的体积减少。把气体挤进一个更小的空间意味着粒子更频繁地撞击壁,这就是一个更高的压强的意思。

扩散(diffusion)是粒子从一个它们拥挤的区域到一个它们铺开的区域的铺开——也就是,从高浓度(concentration)到低浓度。它发生是因为粒子一直在随机方向上运动。

扩散解释为什么你能从一个房间的另一头闻到食物:气味粒子移动并与空气混合,直到它们到达你的鼻子。扩散在气体和液体中发生,但不在固体中,因为固体粒子不能从一个地方移动到另一个。

Rate of diffusion and molecular mass

在同样的温度下,较轻的气体粒子比较重的移动得更快。所以一个有较小相对分子质量(relative molecular mass,每个分子较小的质量)的气体有一个更快的扩散速率(rate)。

一个经典的实验显示这个。浸在氨气(ammonia,$\text{NH}_3$)中的棉絮被放在一根长玻璃管的一端。浸在氯化氢(hydrogen chloride,$\text{HCl}$)中的棉絮被放在另一端。两种气体沿管扩散并相遇,构成一个氯化铵(ammonium chloride,$\text{NH}_4\text{Cl}$)的白环。

氨气有 $M_r = 17$ 而氯化氢有 $M_r = 36.5$。氨气更轻,所以它扩散更快并沿管行进更远。白环在更靠近氯化氢端处形成。

例题。 溴($M_r = 160$)和氨($M_r = 17$)在同一时刻从一根长管的两端释放。它们相遇之前,哪一个走得更远?比较相对分子质量。氨的 $M_r$ 小得多,所以在相同温度下它的分子运动更快,扩散也更快。因此氨走的距离更远,两种气体在靠近溴的那一端相遇。规律始终是"越轻越快" - 要从 $M_r$ 来论证,而不是看化学式在纸上写得有多长。

• 在熔化和沸腾期间温度保持恒定(一条加热曲线的平的部分),因为能量打破粒子之间的力而不是使它们移动得更快。
• 蒸发只在表面、在任何温度发生;沸腾在一个固定的温度贯穿整个液体发生。
• 用粒子理论解释气体行为:在固定体积加热一个气体提高压强,因为粒子更用力、更频繁地撞击壁——粒子本身不变大。
• 扩散对较轻的粒子(较小的 $M_r$)更快,而且不能在固体中发生。在氨气/氯化氢管中较轻的氨气行进更远,所以白环在更靠近 HCl 端处形成。