4-1水的相變化

(1)

4-1

水的相變化

物質的三態變化

1

(2)

• _{又稱為物質的三相，是指常見的狀態} – _固態

– _液態 – _氣態

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固態

• _{代號： s} • _形狀固定 • _體積固定 • _{粒子運動方式：} 原地振動與轉動

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液態

• _{代號： l} • _{無一定形狀，形} 狀依容器而定 • _體積固定 • _{粒子運動方式：} 未侷限於固定位置，可移動、振動與轉動

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氣態

• _{代號： g} • _{無一定形狀，形} 狀依容器而定 • _{無一定體積，體} 積等於容器大小 • _{粒子運動方式：} 自由的快速運動

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物質三態的特性

狀態固態液態氣態壓縮性小小大擴散性小中大分子間的距離小中大物質的莫耳體積小中大分子間作用力大中小熱膨脹率小中大 ★ 冰、銻、鉍、生鐵等物質的莫耳體積皆為固態＞液態。 ★ ★

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影響物質狀態的因素

1. 內在因素：粒子的能量與粒子間作用力的大小。

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相變

1. 定義：溫度及壓力等外在因素改變，而使物質狀態發生改變，稱為相變。 2. 相變的名稱：物質三態間轉換的名稱，以及涉及之能量變化，如右圖所示。

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固態與液態間的轉換

1. 由固態轉為液態的過程，稱為熔化。 2. 由液態轉為固態的過程，稱為凝固。 3. 熔化時的溫度稱為熔點，凝固時的溫度則稱為凝固點。 4. 相同條件下，純物質的熔點與凝固點相同。 0 ℃ 時，持續加熱，冰塊的溫度不再上升，此時水分子吸收足夠的能量，掙脫和部分水分子間的吸引力，得以移動，此時的溫度稱為冰的熔點。

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固態與氣態間的轉換

1. 物質不經過液態而直接由固態轉為氣態的過程，稱為昇華。 2. 物質不經過液態而直接由氣態轉為固態的過程，稱為凝華（又稱為沉積）。 3. 常溫常壓下，具有昇華特性的物質包括：碘晶體、乾冰、樟腦、萘丸等。

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液態與氣態間的轉換

1. 物質由液態轉為氣態的過程，稱為汽化。 2. 物質由氣態轉為液態的過程，稱為凝結。 3. 汽化的途徑包含蒸發與沸騰兩種。 水加熱到達 100 ℃ 時，雖然繼續加熱，水的溫 度亦不再上升，此時所加入的熱能，將使水分子掙脫和其他水分子間的作用力而汽化，此時的溫度稱為水的沸點

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液態與氣態間的轉換

汽化途徑蒸發沸騰溫度無特定溫度須在當時外界壓力所對_應的沸點成因液體表面粒子，脫離周圍其他粒子的束縛液體所生成之氣泡的蒸氣壓等於外界的大氣壓力現象僅液體表面分子得以汽化液體表面與內部的分子皆可能汽化無氣泡生成有大量的氣泡產生

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下列有關相態變化的敘述，哪些正確？　 (A) 蒸發是液體汽化方式之一，不須在特定溫度下進行 (B) 沸騰是液體汽化方式之一，但必須在某一特定之溫度下（視當時氣壓而定）才能發生　 (C) 固態物質必定先轉變成液態後，才可再轉變為氣態　 (D) 汽化時，分子間的距離會急遽增大　 (E) 攝氏零度時，物質不會發生汽化現象觀念提示：蒸發可在任何溫度進行，沸騰的溫度則僅限於沸點。

老師講解‧ 1

[ 相變 ]

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解： (A)(B)(D) (A)(E) 蒸發可在任何溫度進行，故 0℃ 時亦可汽化。 (B) 沸騰的溫度則僅限於沸點。 (C) 適當溫壓下，物質可不經液態，直接由固態昇華為氣態。 (D) 粒子在氣態時的距離遠大於液態時的距離。

老師講解‧ 1

[ 相變 ]

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學生練習‧ 1

有關物質三態的敘述，下列哪些正確？　 (A) 固態粒子的主要運動方式為原地振動　 (B) 物質三態中最容易被壓縮的狀態為氣態　 (C) 粒子間的距離以液態為最大　 (D) 粒子間的擴散性大小為：氣體＞液體＞固態　 (E) 液體不具有一定的體積與形狀解： (A)(B)(D) (C) 應為氣態。 (E) 液體不具一定形狀，但體積固定。

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固態與液態間的轉變

莫耳熔化熱莫耳凝固熱定義定溫定壓下， 1 mol 固態物質完全熔化時所吸收的能量定溫定壓下， 1 mol 液態物質完全凝固時所釋出的能量關係等值異號實例 1 atm 下， 0 ℃ 的冰之莫耳熔化熱為 5.94 kJ/mol （吸熱） 1 atm 下， 0 ℃ 的水之莫耳凝固熱為 5.94 kJ/mol （放熱）

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液態與氣態間的轉變

莫耳汽化熱莫耳凝結熱定義定溫定壓下， 1 mol 液態物質完全汽化時所吸收的能量定溫定壓下， 1 mol 氣態物質完全凝結時所釋出的能量關係等值異號實例 1 atm 下， 100 ℃ 的水之莫耳汽化熱為 40.6 kJ/mol （吸熱） 1 atm 下， 100 ℃ 的水蒸氣之莫耳凝結熱為 40.6 kJ/mol （放熱）

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固態與氣態間的轉變

莫耳昇華熱莫耳凝華熱定義定溫定壓下， 1 mol 固態物質完全昇華時所吸收的能量定溫定壓下， 1 mol 氣態物質完全凝華時所釋出的能量關係等值異號實例 1 atm 、 25 ℃ 時，乾冰的莫耳昇華熱為 25.4 kJ/mol （吸熱） 1 atm 、 25 ℃ 時，二氧化碳氣體的莫耳凝華熱為 25.4 kJ/mol （放熱）

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加熱曲線

1. 定義：以穩定的熱源加熱物質，該物質的溫度對加熱時間的關係圖，稱為加熱曲線。 2. 說明： ①固態與液態共存時的溫度，稱為熔點（凝固點）；液態與氣態共存時的溫度，稱為沸點（凝結點）。

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加熱曲線

② 斜線部分分別為固態、液態、氣態受熱時，物質的溫度升高與加熱時間的關係。此過程中粒子的動能增加。 ③ 水平部分為相變的過程，在熔化或汽化的過程中，熱源所供應的熱量，並未改變物質的溫度，而是用來減弱分子間的作用力，而產生相變。此過程中熱量主要是用來增加粒子間的位能。

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三相圖

1. 定義：以溫度為橫軸，壓力為縱軸，表示出在某特定溫度與特定壓力下，物質的狀態為何的關係圖，稱為物質的三相圖。 2. 純物質的三相圖：以水與二氧化碳作為說明例子。

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水的三相圖

① 冰熔化成水時，體積變小，故加壓有利於冰熔化成水⇒壓力愈大，熔點愈低⇒熔化曲線向左偏。 ② 水、生鐵、銻、鉍之三相圖的熔化曲線皆向左偏。

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二氧化碳的三相圖

① 乾冰熔化成液態二氧化碳時，體積變大，故加壓不利於熔化⇒壓力愈大，熔點愈高 ⇒熔化曲線向右偏。 ② 水、生鐵、銻、鉍以外的物質之三相圖的熔化曲線皆向右偏。

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三相圖的區塊意義

圖中分隔出的三區，分別代表固態、液態及氣態。若溫度與壓力所對應的點落在該區塊，即表明物質的狀態為此區塊的狀態。 1. S 區：物質為固態 (s) 。 2. L 區：物質為液態 (l) 。 3. G 區：物質為氣態 (g) 。

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三相圖的曲線意義

線段名稱狀態意義 AD 熔化（或凝固）曲線固、液兩態共存線上各點的溫度代表對應壓力下的熔點（或凝固點）。 1 atm _{下的熔點，稱為正常熔點} 。 AC 汽化（或凝結）曲線兩態共存液、氣線上各點的溫度代表對應壓力下的沸點（或凝結點）。 1 atm 下的沸點，稱為正常沸點。 AB 昇華（或凝華）曲線兩態共存固、氣線上各點的溫度代表對應壓力下的昇華點（或凝華點）。兩相間的交界線代表兩相共存。

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例

三相點

• _{三相點： A 點稱為三相點，此時固、液、} 氣三相共存 • _{水在 0.0098 ℃ 、 0.0060 atm 時，冰、} 水、水蒸氣共存

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臨界點

• _{臨界點： C 點稱為臨界點。所對應的溫度為} 臨界溫度，所對應的壓力為臨界壓力。 • _{當溫度超出臨界溫度時，再大的壓力也無法} 使氣體液化；亦即超出臨界溫度後，物質均為氣態。 • _{水的臨界溫度為 374℃ ，在此溫度欲使水蒸} 氣液化的最小壓力（即臨界壓力）為 218 at m 。

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超臨界流體

• _{定義：當物質所處的溫度高於臨界溫度，} 且壓力高於臨界壓力時，此時物質的狀態為「超臨界流體」。 • _特性： – _{超臨界流體的物理性質介於液相與氣相} 之間，且不存在兩相間的界面。 – _{超臨界流體的密度與溶解性接近液態，} 且黏度則接近氣態。

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超臨界流體之實例

以二氧化碳的超臨界流體最為常見。這是因為二氧化碳的臨界溫度 (31.2 ) ℃ 接近於室溫，臨界壓力 (72.9 atm) 也不高，操作較為容易。且二氧化碳不具毒性又不可燃，使用上相對安全，又二氧化碳的取得來源多且價格便宜。

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超臨界流體之應用

超臨界流體的應用很廣，可用於萃取物質、晶圓清洗、綠色溶劑與奈米製程等用途

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100 g 固體物質 X ，在定壓下，由 0℃ 開始以均勻熱源加熱之，熱源每分鐘供熱 500 卡，溫度與時間的關係如右圖所示，則 (1) 受熱 8 分鐘時，該物質的狀態為何？ (2) 物質在該壓力下的沸點是多少？ (3)100 g 液態的物質 X ，在沸點完全汽化時至少需熱量多少卡？觀念提示：液相與氣相共存時的溫度稱為沸點。

老師講解‧ 3

[ 加熱曲線 ]

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解： (1) 液氣共存　 (2)60℃ 　 (3)2000 cal (1)8 分鐘時，物質正處於汽化階段，此時為液氣共存。 (2) 液相與氣相共存時的溫度稱為沸點，故由圖形可知沸點為 60℃ 。 (3) 汽化的過程共耗時 4 分鐘（由 6 分～ 10 分）故共吸收熱量 500×4 ＝ 2000 (cal)

老師講解‧ 3

[ 加熱曲線 ]

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右圖為純水在不同壓力與溫度時的狀態示意圖。若將純水的溫度維持 0℃ ，壓力自 10 atm 下降，直至 10 － 3 _atm ，則在此過程中，純水的狀態改變情形，下列何者正確？　 (A) 固態→液態　　　　 (B) 固態→氣態　 (C) 液態→氣態　　　　 (D) 固態→液態→氣態　 (E) 液態→固態→氣態　　　　　　　【聯招】

老師講解‧ 4

[ 相圖 ]

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觀念提示：溫度與壓力對應點所落之區塊，可表明物質的狀態。解： (E) 在圖上 0℃ 處作一條垂直線，可知壓力自 10 atm 下降至 10 － 3 _atm 時，物質會由液態→固態→氣態，故選 (E) 。

老師講解‧ 4

[ 相圖 ]

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學生練習‧ 4

水結冰時，體積會增加，則外加壓力對冰熔點影響的正確圖形應是下列何者？

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學生練習‧ 4

解： (A)

相圖中冰、水界線即為熔化曲線。

冰熔化成水時體積變小，故加壓有利於冰熔化成水 ⇒ 壓力愈大，熔點愈低 ⇒ 熔化曲線向左偏。

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