# 液体和固体

> 化学 · CIE A-Level 9701
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u4-liquids-and-solids/

本子主题探究液体和固体状态下物质的粒子排列、运动和物理性质，将分子间作用力的强度与熔点、沸点等可观测性质联系起来。

**先修:** [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u3-intermolecular-forces/); [气态](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u4-gases/)

## 学习目标

- 用粒子动理论描述液体和固体的性质
- 解释蒸气压以及分子间作用力对其的影响
- 区分晶体固体和无定形固体
- 将固体结构与熔点和其他物理性质联系起来

## 液体和固体的粒子模型

**液态和固态** — 两种凝聚态物质，与气态不同，粒子间距小，分子间作用力显著。液体体积固定但形状不固定；固体形状和体积都固定。

*例:* 0°C、1 atm下的液态水（液体）和冰（固体）

粒子动理论根据粒子有序性和动能描述每种状态，这与将粒子结合在一起的分子间相互作用的强度直接相关。

- **液体**：粒子排列随机，有足够动能让粒子相互滑动，分子间作用力弱于固体但强于气体
- **固体**：粒子排列固定有序，动能低，因此粒子仅能在固定位置附近振动，强分子间作用力将粒子固定在原位

**例题:** 解释为什么固体有固定的形状和体积，而液体体积固定但会保持容器的形状。

1. 固体中，极强的分子间作用力将粒子固定在规则的晶格结构中。粒子只能在固定位置附近振动，无法移动到新位置。
2. 这种固定排列意味着固体的整体形状和体积无法改变，因此固体有固定的形状和体积。
3. 液体中的分子间作用力比固体弱。作用力强度足以让粒子保持聚集（因此体积固定），但不足以将粒子固定在固定位置。
4. 粒子可以相互滑动并在液体中移动，因此液体可以流动适配容器形状，因此没有固定形状。

> **考试提示:** 解释题中，分子间作用力强度和粒子运动都会占分——请务必同时提到两点。

## 蒸气压与状态变化

**蒸气压** — 给定温度下，密闭容器中蒸气与液态处于动态平衡时，蒸气所施加的压力。

将液体放入密闭容器后，表面的高能分子会逸出进入气相。一段时间后，离开液体的分子速率等于蒸气分子凝结回液体的速率，建立动态平衡。蒸气压仅取决于温度和液体的种类。

> **info**
>
> 蒸气压随温度升高而增大，因为更多分子获得了足够动能逸出液体表面。

**例题:** 丙酮在1 atm下沸点为56°C，水在1 atm下沸点为100°C。25°C时哪一个的蒸气压更高？解释你的答案。

1. 沸腾发生在液体蒸气压等于外界大气压时。更低的沸点意味着液体在更低温度下就能达到等于大气压的蒸气压。
2. 丙酮沸点比水低，说明丙酮分子间的作用力比水弱。
3. 更弱的分子间作用力意味着25°C下更多分子可以逸出液体表面，因此蒸气压更高。
4. 最终答案：25°C下丙酮的蒸气压更高。

**概念自测**

检验你的理解：

1. 下列关于蒸气压的说法哪一个正确？

   - A: 蒸气压随温度升高而降低
   - B: 蒸气压取决于容器的体积
   - C: 分子间作用力更弱的液体蒸气压更高
   - D: 蒸气压仅在液体沸腾时存在

   *解析:* 正确。更弱的分子间作用力允许给定温度下更多分子逸出液体，因此蒸气压更高。A错误：蒸气压随温度升高而增大。B错误：蒸气压仅取决于温度和液体种类。D错误：任何温度下都存在蒸气压。

## 晶体固体

**晶体固体** — 粒子呈规则重复三维排列（称为晶格），具有长程有序性的固体。

*例:* 氯化钠、金刚石、铜、冰

晶体晶格中粒子之间所有键或相互作用的强度都相等，因此晶体固体有明确固定的熔点。根据粒子种类和成键类型，晶体固体分为四类：

1. 离子晶体：由离子键结合的离子构成
2. 金属晶体：由离域电子结合的金属阳离子构成
3. 共价网状晶体：由连续共价键网络结合的原子构成
4. 分子晶体：由分子间作用力结合的分子构成

**例题:** 解释为什么晶体氯化钠有固定熔点801°C。

1. 氯化钠是离子晶体，由$Na^+$和$Cl^-$离子构成规则重复的晶格。
2. 整个晶格中离子之间所有离子键的强度都相等。
3. 在801°C时，所有离子键同时获得足够热能断裂，因此固体在该特定温度下完全熔化，因此有固定熔点。

## 无定形固体

**无定形固体** — 没有长程规则粒子排列，结构无序，类似冻结液体的固体。

*例:* 玻璃、橡胶、琥珀

无定形固体的不规则结构意味着固体不同区域的键强度不同。因此它们没有固定熔点，而是在一定温度范围内逐渐软化：较弱的区域先断裂，随后是较强的区域。

**例题:** 解释为什么玻璃没有固定熔点。

1. 玻璃是无定形固体，二氧化硅分子排列不规则无序，没有重复晶格结构。
2. 无序结构中不同区域的分子间键强度不同，因此不同区域断裂需要不同的热能。
3. 较弱的键在较低温度断裂，较强的键在较高温度断裂，因此在一定温度范围内逐渐软化，没有单一固定熔点。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为固体中的粒子完全不运动
  - 原因: 固体粒子不是静止的，它们确实会运动
  - 正确做法: 说明固体粒子在固定位置附近振动，无法流动到新位置
- **错误做法:** 混淆蒸发和沸腾，认为蒸发仅在低于沸点时发生
  - 原因: 蒸发在任何温度下都会发生，包括沸点时
  - 正确做法: 明确蒸发是任何温度下都发生的表面过程，沸腾是仅在沸点、当蒸气压等于外界压力时发生的本体过程
- **错误做法:** 认为蒸气压取决于液体的量或容器体积
  - 原因: 蒸气压是平衡性质，仅取决于温度和液体种类
  - 正确做法: 说明只要平衡时有液体存在，恒温下蒸气压不会随体积或液体量改变
- **错误做法:** 认为所有固体都有固定熔点
  - 原因: 只有晶体固体有固定熔点，无定形固体没有
  - 正确做法: 明确只有具有规则晶格的晶体固体才有固定熔点
- **错误做法:** 认为蒸气压越高沸点越高
  - 原因: 沸腾发生在蒸气压等于外界压力时，因此更高蒸气压在更低温度就达到该条件
  - 正确做法: 给定温度下蒸气压越高，对应相同外界压力下沸点越低

## 速查表

| 性质 | 液体 | 晶体固体 | 无定形固体 |
| --- | --- | --- | --- |
| 粒子排列 | 随机、密堆积 | 规则重复晶格 | 不规则、无序排列 |
| 形状 | 适配容器形状，体积固定 | 形状和体积都固定 | 形状固定 |
| 熔点 | 固定 | 尖锐固定值 | 一定温度范围 |
| 分子间作用力强度 | 强于气体，弱于固体 | 强度均匀 | 强度不均匀、变化 |

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