物质的形态

我想我们都会对物质的三种不同状态 有一定的了解 在很高的温度下 物质还会呈现第四种状态 不过我们经常会碰到的物质的三种状态 分别是固态 液态 和气态 这是我们一般的概念 我觉得水是大家第一时间会想到的例子 至少我是这样 当某样东西比较冷时 或者说相对而言较冷时 它就是固体 当你给它升温 物质就会变成液态 当你再继续给它升温时 它就会变成气态 这经历了一个从冷变到热的过程 拿水来作为例子 当水是固体时 它叫做冰 当水是液体时 有些人会把它叫做冰水 但是我们还是把它称为液态水比较好 我想大家都知道液态水是什么东东 当水是气态时 实际上就是水汽或者叫做水蒸气 那么现在让我们做进一步的思考 至少先对于水分子来说 然后我们就可以类似地推广到其他分子 到底是什么东西让水在比较冷时变成固体 又让水在一定条件下是液体 坦白地说 液体真是一样神奇的东西 因为你永远没法把它固定下来 最好的研究办法就只能是观察 这也包括气体 来 我们画一个水分子 这里有个氧（O） 然后有些化学键连着氢（H） 这时在氧（O）原子里 还有两对没有成键的价电子 在前面几集的视频里我们说过 氧（O）的电负性比氢（H）的电负性强得多 氧（O）更倾向于吸引电子 所以虽然在这个图上画得好像是 这两个原子的共用电子在这儿和这儿 你可以看作是 在这些线段的两端 氢（H）提供了一个电子 然后氧（O） 也提供了一个电子 但我们知道由于氧（O）的电负性比较大 或者更准确地说是氧（O）的相对电负性比较大 因此氧（O）原子在更多地霸占这些电子 所以这些电子更多地在氧（O）原子的周围出现 而较少在氢（H）原子周围出现 这种情况导致了在这个分子的氧（O）原子一边 氧（O）原子带上了局部的负电荷 这个知识点我们已经稍微讲过了 而在氢（H）原子的一侧 氢（H）原子带上了一点点正电荷 现在假设这些分子只有很少的动能 意味着这些分子不会总是到处乱跑 则一个分子中带正电荷的部分会和 另一个分子中带负电荷的部分相互吸引 让我再多画几个分子 当我们在研究物质的整体状态时 实际上我们会考虑到 分子之间是怎样相互作用的 而不只是单单考虑一个分子中原子之间 是怎样相互作用的 我只画了一个氧（O）原子 我可以复制然后粘帖这个分子 不过我其实可以多画几个氧（O） 这时我们就可以说 那个氢（H）原子会想要靠近这个氧（O）原子 这是因为氧（O）原子带有局部负电荷 而氢（H）原子带有局部正电荷 接下来我可以把另一个水分子放在这里 那么我们可能会有 让我们先把这个知识点弄得更透彻些 这里有两个氢（H）原子 那就可能会有个氧（O）原子想要靠近这边 那么就是可能会有个氧（O）原子想要在这里 因为氧（O）原子所带的局部负电荷在这里 氧（O）原子所连着的两个氢（H）原子就在这边 它们带有局部的正电荷 现在你大概可以看到这是一种晶格结构 让我把这些键画出来 这是些极性键 这些极性键就在这些局部之间生成 这种化学键 我们把它叫做极性键 这是因为这些水分子本身就是极性的 我们可以看到是这些极性键使得晶格结构成型的 假设这里的每个分子 每个分子的动能都不是很大 或者我们可以说 这种物质的平均动能相当的低 关于平均动能 我们知道些什么呢？ 对 那就是温度 这时这个晶格结构就会是固态的 这时这些分子就不会相对滑动 我可以再画很多的分子 不过我想你懂我意思的 我们正在把它排列成固定的结构 这时该物质是固态的 而当我们加大它的动能时 当我们给它加热 这些分子会发生什么变化呢 加热会使这些分子发生小小的振动 如果我是个漫画家的话 我就会用个引号 来表示振动 其实这样画并不是太科学的 这些分子会不停地振动 它们会上下左右地振动 我用箭头来表示这些分子在振动 它们不只是左右地振动 它们也会上下地振动 而当你不断地给固体加热 这些分子会尽量保持它们的结构 因此它们不会相对地移动 我们知道热量 只是能量的一种形式 这时这些分子会把热量转换成动能 进而以分子振动的形式表现出来 现在 如果你使这些分子振动得足够剧烈 如果你给它们足够多的动能 接下来会发生什么呢？ 看 这个分子非常剧烈地振动着 当你不断地给它加热时 它会振动得越来越剧烈 这个分子也是一样 某种情况下 这些本来相互连接的极性键 开始不能承受分子的剧烈振动 当这种情况发生时 这些分子 先让我再多画几个 当这种情况发生时 分子就开始相对地移动 突然地 分子开始移动 不过它们依然是相互吸引的 这边可能会移动到这儿 那边会移动到那儿 其他的分子可能是这样移动 但是这些分子依然是相互吸引的 尽管我们使它的动能增加到了 分子的振动足够破坏 两个分子间的极性键的程度 这种振动 或者是每个分子的动能 依然没有剧烈到使分子间的极性键完全破坏 于是它们开始进行相对地滑动 这实际上就是 物质变成了液态 这里有很多的原子倾向于相互接触 但它们在滑动 这时它们有了足够大的动能进行相对滑动 这就破坏了固态的晶格结构 接下来如果你再给溶液增加更多的动能 和增加更多的热量 那么这时它们就不再可以呆在一起了 它们不会再相互呆得这么靠近 如果你给它足够大的动能 它们就将会变成像这样 它们会完全地分开 它们就会各自独立 当它们是理想气体时它们是完全独立的 不过对于一般的气体而言 它们的分子已经不再相互接触 它们有可能会相互碰撞 但由于它们自己有足够大的动能 它们都在做自己的事情 也就是说它们并不相互接触 如果你就想想气体是长什么样的 这就会给你一个非常直观的理解 比如 我们很难看到气体 为什么我们很难看得到气体呢？ 因为气体中的分子之间距离得非常的远 所以气体不会像液体或固体那样 在光线下表现出来 如果我们使分子间距再扩大 固体就会―― 呃 我或许不应该拿冰来作为例子 因为冰或水属于极少数特殊的例子 该物质固体的密度比其液体的密度要小 这就是冰会浮在水面上的原因 这就是 冰山 不会都沉到海底的原因 和池塘不会完全结成冰的原因 不过你可以想象 因为除了水之外的 其他大多数液体的密度都比其固体密度要小 这就是为什么 你能比较好地看透液体 或者说它并不会使光衍射―― 好吧 我想我们不要过多地深究下去了 而固体就不是这样了 但是气体是最为明显的 这个规律同样适用于水 那就是液体的密度明显地大于气体的密度 在气态的物质中 分子到处乱跳 分子与分子之间不相互接触 正因为这样 有更多的光线可以通过该气态物质 现在的问题是 我们要怎么度量出 水需要多少热量才能完成物质状态的变化？ 要解释清楚这个问题 接下来我会画个不同时期的变化图 画图是一种高技巧性的分析问题的好方法 它可以相当直接地描述一件事物 现在我规定横坐标代表我们所加的热量 纵坐标表示温度 我们马上就会讲到物质的状态 我们通常用q来表示热量 有时候当讨论到有关热量的变化时 他们会用小写的h或是大写的H表示 他们会在H前加个Δ Δ表示增量 有时候你会听到“焓”这个词 我把它写下来吧 因为我曾经说过什么是焓 焓听起来有点像“颔”\N【译者注：英文谐音】 但它们是很不同的概念 至少 对于我来说会产生这样的联想 不过焓和热量有密切的关系 焓是热量的度量 我们的目标是 当你听到某人说焓变时 你应该要想到这也就是在说热量的变化 我觉得焓这个词 就是用来迷惑学化学的孩子们的 把一个一点都不直观的概念灌输给他们 最好的办法就是把焓看作是热量的量度 焓变实际上就是热量的变化 要记住的是 所有的这些概念 不管我们讲的是热量 动能 势能 还是焓 你会在不同的情景中听到这些概念 我猜你们会喜欢我用热量这个概念 而有的人喜欢用焓这个概念 这些概念都是能量的不同形式而已 而它们的单位都是焦耳 它们也可以用其他单位表示 但是最传统的单位就是焦耳 我们知道能量就是做功多少的能力 那么功的单位是什么呢？ 没错 就是焦耳 功等于力乘以距离 不扯远了 这只是补充的知识而已 不过知道一下焓这个概念还是挺好的 特别是在化学的文章中 焓是个经常会用到的概念 有时焓会显得很让人搞不懂和不直观 因为... 在我日常生活中我根本不知道什么是焓 我们只要记住焓跟热量的联系就行了 因为实际上焓就是跟热量有关的 回归正题 这条横的坐标轴 表示热量的多少 所以在这里就代表有很少的热量 然后越往后就代表热量在增加 纵坐标表示温度 首先在较低温度时 在这里 随着我不断给它加热 温度会升高 温度是平均动能的标志 假设在该温度下物质是固态 我用紫色的线来表示固态吧 哎呀 紫色已经用过了 那我就用洋红色吧 当我不断给它加热时 物质的温度不断上升 热量是能量的一种形式 当我给这些分子加热时 就像我刚才举的例子一样 热量的作用是什么呢？ 热量会使分子振动得更厉害 或者说热量使分子具有了更高的动能 又或者说是使分子具有了更高的平均动能 这就是为什么 温度是平均动能的度量 所以当我给固相加热时 它的平均动能会升高 我把这写下来吧 这时物质处于固相 或者说物质是固态的 接下来有趣的事情发生了 我们假设这是水 那么在0℃时水会怎么样呢？ 0℃也就是273.15K 假设就是这条线 这时候固体会发生什么变化呢？ 是的 这时固体会转化成液体 冰会熔化 注意并不是所有的固体都是这样 我们只是在讨论水（H2O） 所以这时的固体就是冰 不是所有的固体都是冰 其实 你可以把岩石看作是固态的岩浆 因为实际上就是这样的 我可以举出一大串类似的不同的例子 然而在0℃时有趣的事情发生了 根据这时物质状态的转化方向是怎样的 0℃可以是水的凝固点 或是冰的熔点 有趣的事情要发生了 当我继续给它加热时 它的温度不再上升 当我继续加热 在一小段时间内温度不再上升 我画出来吧 在一小段时间内 温度保持不变 在温度保持不变的时候 物质保持固体的形态 这时物质仍然是固体 接着 才终于由固体变成液体 假设就在这一点时固体变成了液体 也就是我们给了它一定的热量 但它仍保持固体的状态 当到达这一点时 冰才转化成液体 这就好像是在这整段的时间里它都在不断熔化 这样子想是最容易理解的 接下来 当我们又继续给它不断地加热时 这时候液体也开始慢慢暖起来 好 这时我们到了 还有在什么温度下水又会发生有趣的事情呢？ 是的 很明显是100℃或者说是373K 我用摄氏度表示吧 因为我们比较熟悉摄氏度 这时会有什么发生呢？ 在100摄氏度时水会蒸发 或者说是在该温度时水会沸腾 但有趣的事情出现了 这时水分子已经是相当地活跃了 但就像是从固体变成液体的过程那样 这里有一定量的能量 这部分能量是你必需提供给该体系的 实际上 这里需要比较大量的能量 这时水不断地变成水蒸气 但整个体系的温度没有升高 尽管我们不断地加热 但是我们可以看到温度是没有上升的 我们马上就会讲到这到底是怎么回事 这里到底发生了什么变化 终于 等过了这个点 也就是液体完全蒸发 或是说液体完全汽化 接下来就可以继续变热了 蒸汽可以变得更加热 当我们给体系增加越来越多的热量 有趣的问题出现了 我想这已经很明显了 就是当你在这里加热 温度会不断上升 但有趣的是 在这里究竟怎么回事呢？ 我们仍在不断加热 在这里热量转化成了分子的动能 温度是分子平均动能的标志 但是在这儿时 热量到哪里去了呢？ 这时热量并不是用于增加系统的动能 因为这时温度并没有增加 但是这时冰不断地变成水 那么在这个阶段发生了什么呢 那些动能 或者说是那些热量 热量实际上被用来破坏这些键 也就是把分子弄到 更高的状态 也许你会问我 这是什么意思啊 什么叫做更高的能量状态啊？ 是这样的 如果不是所有的这些热量 如果不是所有的这些动能 这些分子就会倾向于相互接近 举个例子吧 我倾向于接近地球表面 当你把我放到飞机上时 你就是把我提高到了一个更高的能量状态 我有了更多的势能 我有掉到地面上的可能性 同样地 当你把这些分子分开 物质就从固态变成液态 这些分子会有靠近彼此的倾向 但是因为它们有了足够大的动能 它们不能去靠近彼此 这时分子的能量升高了 分子的势能升高了 因为它们倾向于去靠近彼此 理论上 在它们彼此靠近的过程中 它们会做功 所以这里发生的变化是 当我们不断加热时 我们所提供的这部分热量 我们把它叫做熔化热 不管物质是沿着哪个方向进行转化 都是需要一样多的热量 当从固体变到液体时 你会看到这些热量用于熔化 你需要加进热量 来使冰熔化成液体 而当要沿着这个方向转化时 你需要从0℃的水中取出一些热量 进而把水转化成冰 也就是你取出了势能 然后使这些分子 相互靠得越来越近 我们要这么想 在这里时 热量转变成了动能 然后 在从固体变成液体的这个阶段 吸收的热量被用于 增加系统的势能 把分子分开 这会给分子更多的势能 就好像如果你把我带离地面 我就具有了势能 这是因为重力想要把我拉回到地面 如果我跌落回到地球表面 这一过程我会做功 就像瀑布可以做功一样 瀑布做功可以带动涡轮机 如果你有一群正在坠落的我的话 这也是可以带动涡轮机做功的 接下来 当物质完全变成液体以后 液体就会随着加热而变成越来越暖和的液体 这时候 热量就再一次 被用于转化成为动能 水分子就会不断地进行相对地移动 这种相对的移动越来越快 越来越快 在某种程度上来说 水分子是想要完全摆脱相互之间的束缚 它们不是只想要进行相对滑动 它们是想要完完全全地跳出相互的束缚 就是这里 这里代表的是蒸发热 在这里也是同样的道理 之前 水分子只是相对地滑动 而现在 我们把它们分开了 显然水分子会有相互靠近的倾向 在我们加进了这么多的热量后 我们再继续给蒸汽加热 我们给水蒸气加热 水蒸气就会变得越来越热 越来越热 不过这里有个很有趣的现象 当我第一次接触到的时候 觉得很有趣 每当想到零摄氏度的水时 我很自然地就会说那一定是冰 但是其实这并不是必然的情况 如果你是把水变得越来越冷 使它变到零摄氏度的话 实际上你是把水中的热量取出 你会得到零摄氏度的水 这时的水还没有变成冰 同样地 你也可以得到100摄氏度的水 这时的水还没有变成水蒸气 这过程你需要加进更多的热量 同理 你也可以得到100摄氏度的水蒸气 你也可以得到零摄氏度的水 不管怎样 希望这会对你 在直观地认识物质的不同状态上有所帮助 接下来的问题中 我们会探讨 这条线表示的是需要多少的热量 或许我们还可以解决一下现实问题 那就是我们需要放多少冰块来使饮料变得冰凉