(第五章气体的物理性质.docVIP

第五章 气体的物理性质 在不同的温度与压力条件下，纯物质存在的形式可以是固态、液态或气态。低温下所有物质都会变成固态，在中等温度范围内，它们是液体，而在高温时它们又都会变成气体。对某一物质来说是“低”温或“高”温，而对另一物质来说却谈不上什么“高”或“低”，如在室温下，氧、氨和二氧化碳是气体，而铁、碳化硅和钨只有在温度大大超过2000℃时，才能变成气体。 不管怎样，化学早期发展的许多方面都涉及到气体。由于气体的不可见性，造成人们几个世纪以来对化学物质性质以及与燃烧有关的化学反应等方面认识上的混乱。Avogadro假说使得Cannizzaro（第二章）能够首创一种应用气体分析以求取原子量的合理方法。稍后，气体的光谱研究使得理论家们能够证实量子论得出的某些关系的正确性。尽管我们对气体性质的了解比对液体和固体的清楚得多，但应用气体进行的研究工作还是很多的，例如，研究气体分子间简单反应的详细历程就是一个新的领域。 5.1 气体的通性 将液体充分加热时，它就开始蒸发或沸腾。在这个过程中，我们可以说物质由液相转变为气相。发生这种相变时，液体质点之间变得越来越不受约束，而成为气体分子进入空间。一般说来，这种过程总是伴随着巨大的体积变化。例如半杯水在一大气压与100℃条件下蒸发，产生的水蒸气（即处于气相的水）所占体积大约等于一个200升油桶的体积。既然气相分子与液相分子的大小相同，由此可以得出结论：气体分子之间的距离要比液体中分子之间的距离大得多。 鉴于气体分子间距离相当大，可以予期（至少同液体相比）气体是相当容易被压缩的。由实验我们得知情况正是这样，并且一般说来，一定量气体的体积与外加压力大小成反比，即压力加倍时，气体体积减小一半。与此类似，如果使容器中气体的量（质量）加倍，它的压力也几乎增加一倍。在密闭容器中，升高温度，气体压力也将增加。 气体可以无限膨胀，并且总是倾向于均匀地充满容器的整个空间。如果将1立方厘米的氢气（1大气压）充入一个体积为10立方米的真空容器中，氢气立刻扩散，使整个容器内的压力与密度处于一恒定值。这种情况下气体的压力很低，约为10－7大气压，并且不难测定。读者可能会问，如果在该容器中已经有一大气压的另一种气体存在，情况是否和上述相同？在这种场合，容器中任一部分氢的含量将最终与原先容器处于真空时的含量相同，但达到均匀混合所需要的时间将以小时计，而不是十分之几秒；氢分子与其它分子的碰撞大大地妨碍了氢分子的扩散。 所有的气体都容易彼此混合生成完全均匀的气体溶液，普通的空气就是这种溶液。从来没有人能够制备出一种这样的气体混合物——它会自动分离成两个或几个组成不同的体积。这种情况与液体和固体混合物有很大区别；在液体和固体混合物中，一种物质在另一种物质中的溶液解度一般都是有限的。 5.2 大气压与压力计 空气是最常见的气体，也是1750年以前人们所知道的唯一气体。这种气体就象一个厚约80km的毯子覆盖在地球之上。与地球上所有物质一样，空气也受到地球重力的作用。接近地面的空气受到了上层空气的重压。地表空气的压力约为101kPa，这是不可忽视的。这意味着我们人体总是在承受着相当巨大的压力。大气压力随着海拔高度和气候条件而变化。例如在科罗拉多州丹佛地区（海拔1.6km），大气压力平均为93kPa。而在飓风时的海平面，大气压也可能变得这样低。海拔高度超过3km时，那些不习惯于高山生活的人呼吸就会感到困难，因此现代飞机都设有加压座舱，在更高的空间飞行的宇宙飞船也是加压的；在着陆和起飞时，宇宙飞行员穿着加压防护服，戴着氧气面罩。（为什么？）在20km高空，大气压大概只有海平面的10%，在这样高空而又不穿防护服的人，他的感觉用“不舒服”这种词汇来形容恐怕是不够了。 尽管大气压这种事实本身很简单，但直到1650年前，人们对它的了解很不清楚。人们早就从实用上得知空吸泵抽水高度不可能超过10m，但并不明白其中道理，而哲学家们所给的解释则是所谓“天下万物厌恶真空”。显然，这个答案并不高明，而实际上根本算不上是一个答案。对这个古老问题作出正确解答的是意大利科学家Torricelli。他应用了液体柱等高具有等压这一自然规律。现应用这个概念讨论5.1图。 因为管中水柱的上表面S1接触真空，所以其上压力基本等于零。下表面S2处的压力是大气压；根据上述规律，此压力必定等于管内相同高度水面上的压力。然而，这一压力也必定等于液面上10m高的水柱所产生的压力。不管水泵操作多么快速，一旦水泵将管顶部的气体压力降低至零，管内水柱就不再上升。 Torricelli认识到，水柱最大高度实际上是大气压力的量度（读者能否明白其中道理？），于是他开始设计更便于测量大气压的仪器。他设计的仪器叫做气压计。如图5.2所示；这种仪器是由充满水银的密封玻璃管倒插在水