同一种物质的三种状态
1.2.1 节用粒子模型认识了物质的三态。AP U3.3 要求更精确的粒子图：固体分晶体和非晶体；液体和固体的粒子都紧挨在一起；气体分子之间的距离和碰撞频率随温度、压强和体积变化。题目常常给出几张粒子图，让你选出正确的一张。
固体：晶体和非晶体
- 晶体crystalline solid：粒子在三维空间里排成规则的、周期性重复的结构，如食盐、冰、金属。晶体有固定的熔点。
- 非晶体amorphous solid：粒子紧密排列，但没有长程的规则结构，如玻璃、多数塑料和橡胶。非晶体受热时在一个温度范围内逐渐软化，没有固定的熔点。
不管是晶体还是非晶体，粒子都只能在固定位置附近振动，不能相互滑过。固体的结构取决于粒子之间的作用，也取决于粒子能否整齐地堆积在一起。
液体
液体中的粒子也紧挨在一起，但它们不停地运动、碰撞，能够相互滑过，没有固定的位置。所以液体有固定的体积，却没有固定的形状，能够流动。粒子之间的作用（极性、氢键等）和温度影响粒子的排列和运动：作用越强，液体越不容易流动、越不容易蒸发。
因为固体和液体中粒子都紧挨在一起，同一种物质的固体和液体的摩尔体积相近：1 mol 水作为液态水约 18 mL，作为冰约 20 mL。（冰的体积反而稍大：冰中水分子以氢键排成空隙较大的网状结构，2.4.8 节；大多数物质的固体比液体稍微致密一些。）
蒸气压
在密闭容器中，液面上能量较高的分子不断逃逸成为蒸气，蒸气分子也不断撞回液面、重新变成液体。开始时蒸发快于凝结，蒸气越来越多；当两者的速率相等，蒸气的量不再变化，达到动态平衡。这时蒸气产生的压强叫平衡蒸气压equilibrium vapor pressure。
- 平衡蒸气压只取决于物质（分子间作用力）和温度：作用力越弱、温度越高，蒸气压越大。例如 25 °C 时水的平衡蒸气压是 3.17 kPa（IAPWS-95）。
- 它和液体的多少、液面的大小、容器的体积都无关：液面越大，逃逸的分子越多，撞回液面的也越多，平衡时蒸气压不变。
- 蒸气压等于外界压强时，液体沸腾。外界压强是 1 atm 时的沸点叫正常沸点：分子间作用力越弱，蒸气压越大，正常沸点越低。
气体
气体分子不停地做无规则运动，分子之间的距离比分子本身大得多，分子间作用力的影响很小，所以气体既没有固定的形状，也没有固定的体积，很容易被压缩。分子之间的平均距离和碰撞的频率取决于温度、压强和体积：
- 压缩（体积变小或压强变大）： 分子靠得更近，碰撞更频繁。
- 升温（体积不变）： 平均距离不变，分子运动更快，碰撞更频繁、更猛烈。
1 mol 水在 100 °C、1 atm 下变成水蒸气，体积约 30.6 L，是液态水的一千七百倍左右；分子之间的平均距离约是液态水中的 10 倍以上。
切换三种状态，看粒子的排列和运动，再压一压活塞：
| 粒子间隔 | 很小，排列整齐 |
|---|---|
| 粒子运动 | 只在固定的位置附近振动 |
| 形状 | 固定 |
| 体积 | 固定 |
| 能否压缩 | 几乎不能 |
比较 1 mol 水在三种状态下的体积；再拖动温度和压强，看气体分子之间的距离和碰撞频率怎样变化：
1 mol 水（约 18 g）在三种状态下的体积（按比例画）
1 mol 理想气体：拖动温度和压强
例题 1：水蒸气的体积
计算 1.00 mol 水在 100 °C、1.00 atm 下作为水蒸气（看作理想气体）的体积，和 1.00 mol 液态水（约 18 mL）比较，并用粒子模型解释。
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用理想气体方程求水蒸气的体积。 温度换算成 K：T = 100 + 273.15 = 373.15 K；R 取 0.08206 L·atm/(mol·K)，体积的单位是 L：
-
和液态水比较。 液态水约 18 mL = 0.018 L：
水蒸气的体积约是同样多液态水的 1700 倍。
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用粒子模型解释。 液态水中分子紧挨在一起；水蒸气中分子数相同，分子本身的大小也没变，但分子之间的距离大得多，体积几乎全是分子之间的空间。
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推论。 这就是气体容易被压缩、液体几乎不能被压缩的原因。
例题 2：压缩和加热气体
一瓶气体（看作理想气体），(1) 温度不变，把体积压缩到原来的一半；(2) 体积不变，从 300 K 加热到 600 K。分别说明分子之间的平均距离、分子的平均速率和碰撞频率怎样变化。
-
平均距离和体积的关系。 每个分子平均占据的空间是 V/N，平均距离 d 和它的立方根成正比：
-
(1) 温度不变，体积减半。 分子数不变，平均距离变为原来的
不是一半。温度不变，平均速率不变；单位体积里的分子数加倍，所以碰撞频率加倍，压强加倍。
-
(2) 体积不变，温度加倍。 平均距离不变。平均速率和 成正比：
分子撞击器壁更频繁、更有力，压强变为原来的 2 倍。
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共同点。 两种情况下分子本身的大小都不变；改变的是分子之间的距离（压缩）或分子运动的快慢（加热）。
- 粒子只在固定位置附近振动
晶体和非晶体都是这样。
- 粒子紧挨在一起，但能相互滑过
所以液体能流动。
- 既没有固定的形状，也没有固定的体积
气体充满整个容器。
- 很容易被压缩
分子之间有大量空间。
- 有固定的体积，但没有固定的形状
液体的形状随容器改变。
- 粒子之间的平均距离随温度和压强变化很大
固体和液体中粒子始终紧挨在一起。
- 玻璃（没有长程的规则结构）
玻璃是非晶体，是固体的一种。
- 25 °C、1 atm 时，1 mol 的体积约 24.5 L
V = RT/P，只适用于气体。
- 粒子之间的作用对排列和运动影响很小
气体分子相距很远。
- 1 mol 水约 18 mL
液态水的密度约 1.0 g/mL。
常见误区
误区 1：“液体中粒子之间的距离比固体大得多。” 固体和液体中粒子都紧挨在一起，摩尔体积相近。液体和固体的区别是粒子能不能相互滑过，而不是距离。
误区 2：“固体中的粒子完全静止不动。” 固体中的粒子在固定位置附近不停地振动，只是不能相互滑过。温度越高，振动越剧烈。
误区 3：“气体受热膨胀，是因为分子本身变大了。” 分子的大小不变。受热时分子运动更快；如果压强不变，气体膨胀，是分子之间的距离变大。
即时小测
下列哪张图最能表示液体中的粒子？
液体中粒子紧挨在一起、排列无序，有固定的体积，能流动（装在容器底部）。A 是晶体；B 是气体，粒子相距很远；D 是非晶体，粒子紧密无序但只能振动，不需要容器。
玻璃是非晶体。下列哪张图最能表示玻璃中的粒子？
非晶体的粒子紧密排列，但没有规则的重复结构。B 是晶体；C、D 分别是气体和液体。
四种液体在同一温度下分别装在密闭容器中，都已达到平衡（图中只画了一部分分子）。哪一种液体的分子间作用力最弱？
同一温度下，分子间作用力越弱，分子越容易逃逸，平衡时液面上方的蒸气分子越多，蒸气压越大。B 中的蒸气分子最多。
温度不变，把一种液体和它的蒸气从一个密闭容器移到容积更大的密闭容器中（仍有液体剩余）。重新达到平衡后，蒸气压怎样变化？
刚换到大容器时蒸气压会暂时变小，但更多液体蒸发，直到蒸发和凝结的速率再次相等，蒸气压回到原来的值。C：液面变大时撞回液面的分子也变多。
同一种物质的固体和液体，摩尔体积通常相近。最好的解释是？
固体和液体的区别在于粒子能否相互滑过，粒子之间的距离差不多。A、C、D 都是错误的说法。
一个密闭容器中的气体，体积不变，温度升高。下列说法正确的是？
分子数和体积都不变，平均距离不变；温度升高，分子运动更快，碰撞更频繁、更猛烈，压强变大。分子的大小不变。
温度不变，把一定量气体的体积压缩到原来的一半。下列说法正确的是？
单位体积中的分子数加倍，分子靠得更近，碰撞更频繁。温度不变，平均速率不变（B 错）。体积变为一半，距离只变为原来的约 0.79 倍（立方根），不是一半（D 错）。
大多数物质的固体比液体稍微致密，冰却能浮在水面上。最好的解释是？
冰中每个水分子以氢键连接 4 个水分子，形成空隙较大的网状结构，所以同样质量的冰体积更大。分子本身的大小和 O–H 键都没有明显变化。
AP 自由作答题
1.00 mol 水可以是 0 °C 的冰、液态水，或者 100 °C、1.00 atm 的水蒸气。液态水的摩尔体积约 18 mL。
(a) 把水蒸气看作理想气体，计算 1.00 mol 水蒸气在 100 °C、1.00 atm 下的体积。
(b) 水蒸气的体积约是液态水的多少倍？用粒子模型解释。
(c) 描述液态水和水蒸气的粒子图应该有哪些不同。
(d) 温度不变，把这些水蒸气压缩到原来体积的一半（仍是气体）。分子之间的平均距离和每个分子的碰撞频率怎样变化？
参考答案与评分要点
(a) V = nRT/P = 1.00 × 0.08206 × 373.15 ÷ 1.00 ≈ 30.6 L。
(b) 30.6 L ÷ 0.018 L ≈ 1.7 × 10³ 倍。液态水中分子紧挨在一起；水蒸气中分子相距很远，体积几乎都是分子之间的空间。
(c) 液态水：粒子紧挨在一起，排列无序，聚在容器底部，有一个液面。水蒸气：粒子数目相同，但彼此相距很远，均匀地分布在整个容器中。两张图中的粒子大小相同。
(d) 平均距离变小（约变为原来的 0.79 倍）；单位体积中的分子数加倍，平均速率不变，所以每个分子的碰撞频率约加倍。
评分要点： (a) 代入正确、单位为 L；(b) 约 1.7 × 10³ 倍，并说出“分子之间的距离”；(c) 液体紧密、气体稀疏，粒子大小不变；(d) 距离变小、碰撞更频繁。
小结
- 固体：粒子只在固定位置附近振动；晶体有规则的重复结构，非晶体没有。
- 液体：粒子紧挨在一起，不停地运动、能相互滑过；固体和液体的摩尔体积相近。
- 平衡蒸气压只取决于温度和分子间作用力，和液体的多少、液面大小、容器体积无关。
- 气体：分子相距很远，不停地无规则运动，没有固定的形状和体积；分子之间的平均距离和碰撞频率取决于温度、压强和体积。
AP 提示： 选粒子图的题目要一项一项检查：粒子大小是否不变？固体和液体中粒子是否紧挨着？气体是否充满整个容器？晶体是否整齐？原子和分子的个数是否守恒？只改变温度或压强时，分子本身不会变大或变小。