3-1 物質的狀態 1 1

3-1 物質的狀態 物質的狀態會受溫度及壓力的影響而改變。 本節將介紹常見的物質狀態，並以粒子運動來說明物質狀態間的變化及其能量的改變，並以水為例，說明相圖（phase diagram）的概念。 2

物質的狀態 3-1 3-1.1 物質的狀態與變化 3-1.2 物質的相圖 3

物質的狀態 3-1 學習目標： 了解物質三態的特性及變化。 了解物質進行相態變化時， 能量的變化。 認識相圖。 4

物質的狀態與變化 3-1.1 物質的狀態有許多種，最常見的是： 、 和 ， 稱為物質的三態或三相。 物質的狀態有許多種，最常見的是： 、 和 ， 稱為物質的三態或三相。 例如：在自然界中，有固態的冰、液態的水及 氣態的水蒸氣並存的景象。 如圖： 氣態的水蒸氣 固態 液態 氣態 固態的冰 液態的水 5

物質的狀態與變化 3-1.1 物質的三態 固態物質： 粒子的動能小，無法脫離粒子間引力的束縛，因而只能在固定的位置上振動或轉動，因此固體有一定的形狀和體積； 液態物質： 液態物質有一定的體積，但沒有固定的形狀，這是由於液態物質粒子的動能較大，粒子間的束縛力較小，因而可自由移動，故其形狀可隨著容器而改變； 氣態物質： 粒子的動能大，能脫離粒子間引力的束縛，因此氣體粒子可向任意方向快速運動，所以氣體沒有固定的體積與形狀。 6

物質的三態變化 物質的狀態與變化 3-1.1 當外界的溫度或壓力改變 時，物質的狀態產生變化， 此過程稱為 ， 此過程稱為 ， 物質三態間相變的過程如 左圖。 相變化 當物質的狀態發生改變時，會伴隨著熱量的吸 收或釋放。 有趣實驗：氣泡面膜、珍珠聚寶盆和漂浮的泡泡 7

物質的三態變化 物質的狀態與變化 3-1.1 在定溫時， 同一純物質的汽化熱大於其熔化熱。 例如： 常見物質的熔化熱及汽化熱，如表： 固體熔化所吸收的熱量稱為 ， 液體汽化時所吸收的熱量稱為 ， 同一純物質的汽化熱大於其熔化熱。 例如： 在 0 ℃、1 atm 下，冰之熔化熱為 6.02 kJ mol－1； 在 100 ℃、1 atm 下，水之汽化熱為 40.7 kJ mol－1。 常見物質的熔化熱及汽化熱，如表： 熔化熱 汽化熱 8

物質的狀態與變化 3-1.1 冰的加熱曲線： 以穩定的熱源加熱－40 ℃ 的冰塊，隨著熱量的吸收，冰塊的溫度逐漸上升，顯示分子的平均動能增加。 9

物質的狀態與變化 3-1.1 升至0 ℃即冰的熔點時，冰塊開始熔化（B點）， 繼續加熱，溫度仍維持不變，顯示並未使水分子的動能增加， 此時所吸收的熱量用於瓦解冰的結構，直到所有的冰完全熔化成水（C 點）。 10

物質的狀態與變化 3-1.1 再繼續加熱，所提供的熱能使水分子的平均動能增加，故溫度升高； 當升高至 100 ℃ 即水的沸點時，水開始沸騰 （D點）。 11

物質的狀態與變化 3-1.1 持續加熱，溫度仍維持不變，因為此時所吸收的熱能，用於提供水分子足夠的能量以掙脫其他水分子的束縛而變成水蒸氣，直到所有水完全汽化成水蒸氣 （E點）。 12

物質的狀態與變化 3-1.1 E 點之後，所提供的熱能使水蒸氣的平均動能增加，故溫度升高。 13

範例 3-1 定壓下，以穩定的熱源加熱 0 ℃ 的固態物質 X，其溫度與加熱時間的關係如右圖，下列敘述何者正確？ (A) X 為純物質 A、B 兩點間，固態與液態共存 D、E 兩點間為氣體狀態 X 的沸點為 T1 ℃ X 的熔化熱＞汽化熱 14 選修化學(上) 14

練習題 3-1 1 atm下，取同重的 A、B、C 三種固體，以相同熱源加熱，其溫度與加熱時間的關係如右圖，下列敘述何者正確？（多重選擇題） (A) 熔點高低為 A＞B＞C 50 ℃ 時，A 為固態 50 ℃ 時，B 為氣態 50 ℃ 時，C 為固態 三者皆為純物質 15 選修化學(上) 15

物質的相圖 3-1.2 多數純物質的相圖， 如右圖： 通常以壓力為縱軸、 溫度為橫軸，是描述 物質的狀態與其所對 應的溫度及壓力之關 係圖。 16

物質的相圖 3-1.2 1.各區域： 綠色表示固態， 藍色表示液態， 黃色表示氣態， 紅色表示超臨界流體（supercritical fluid）。 17

物質的相圖 3-1.2 2.曲線AD、AC、BA 為相鄰兩相的相界： AD 為固態和液態的相界， AC 為液態和氣態的相界， 18

物質的相圖 3-1.2 3.曲線上的任一點則是兩相共存，即兩相達平衡。以AD曲線為例： 曲線上任一點均為固態及液態兩相共存， 其所對應的溫度及壓力，即為在該壓力下，物質的熔點（或凝固點）。 19

物質的相圖 3-1.2 3.曲線上的任一點則是兩相共存，即兩相達平衡。以AD曲線為例： 即 AD 曲線為該物質的熔點（或凝固點）曲線。 同理，AC 及 BA 則分別為該物質的 沸點（或凝結點）及昇華點（或凝華點）曲線。 20

物質的相圖 3-1.2 4. A 點稱為三相點（triple point）， 即三相共存時所對應的溫度及壓力， 於此狀態下，固、液、氣三相達到平衡。 21

物質的相圖 3-1.2 5. C 點稱為臨界點（critical point）， 此點所對應的溫度及壓力，分別稱為臨界溫度及臨界壓力。 22

物質的相圖 3-1.2 5. C 點稱為臨界點（critical point）， 高 臨界溫度為氣體能被液化的最 溫度， 臨界溫度為氣體能被液化的最 溫度， 超過此溫度，無論施予多大的壓力，均無法使之液化。 高 23

物質的相圖 3-1.2 5. C 點稱為臨界點（critical point）， 臨界壓力則為在臨界溫度時，將氣體液化所需施予的最 壓力。 臨界壓力則為在臨界溫度時，將氣體液化所需施予的最 壓力。 在臨界點以上的溫度及壓力時，氣體與液體無法區分，為單一相，此時的物質稱為超臨界流體。 小 24

物質的相圖 3-1.2 水的相圖： 其三相點之溫度為 0.0098 ℃，壓力為 0.0061 atm。 25

物質的相圖 3-1.2 水的相圖： 它與多數物質的相圖不同之處，在於其熔點曲線 AD 線的斜率為負值， 表示壓力愈大，冰的熔點愈低。 26

物質的相圖 3-1.2 水的相圖： 因此，欲使冰熔化，除了定壓下加熱之外，也可於定溫時加大壓力。 27

物質的相圖 3-1.2 二氧化碳的相圖： 其熔點曲線的斜率為正值，即壓力愈大，二氧化碳的熔點愈高。 28

物質的相圖 3-1.2 二氧化碳的相圖： 即乾冰(固相二氧化碳)受熱不會變成液態，而是直接變成氣態。 表示在 5.11atm 以下，二氧化碳只有固、氣兩相間的平衡， 其三相點之溫度為 －56.6 °C，壓力為 5.11 atm。 29

物質的相圖 3-1.2 二氧化碳的相圖： 美食大賞 展示超臨界淨米 因此二氧化碳的超臨界流體，常被用於萃取大豆中的油脂及咖啡豆中的咖啡因，或用於去除食品及廢棄物中的有毒成分。 臨界溫度及臨界壓力分別為 31.3 °C 及72.9 atm，遠較水的 374 °C 及 218 atm易達成， 30

範例 3-2 右圖為化合物 A 的相圖，依此圖判斷下列敘述，何者正確？ (A) 50 ℃、1.0 atm 下，此物質為 氣態 　 氣態 此物質的正常沸點為 60 ℃ 此物質的沸點隨壓力之增大而 　 降低 在 0.8 atm 下，由 0 ℃ 升至 60 ℃，此物質會發生昇華現象 此物質的熔點隨壓力之增大而降低 31 選修化學(上) 31

範例 3-2 解答 (A) 50 ℃、1.0 atm 下，A 物質為液態。 (C) A 物質的沸點隨壓力之增大而升高。 (D) 在 0.8 atm 下，由 0 ℃ 升至 60 ℃，A 物質的狀態變化為固體 → 液體 → 氣體。 (E) 此物質的熔點隨壓力之增大而升高。　 故選 (B) 32 選修化學(上) 32

練習題 3-2 根據二氧化碳的相圖，回答下列問題： (1) 在 2 atm 下， －90 ℃、－60 ℃ 及 0 ℃ 時， CO2 分別呈現什麼狀態？ (2) 於－78.6 ℃ 時， 將 0.8 atm 的 CO2 加壓至 3 atm，其狀態如何變化？ 33 選修化學(上) 33

練習題 3-2 解答 (1) 在 2 atm 下， －90 ℃、－60 ℃ 及 0 ℃ 時，CO2 分別為固態、氣態 、氣態。 34 選修化學(上) 34

學習成果評量 冰加熱時，溫度與加熱時間關係如右圖所示，則下列各項敘述何者正確？（多重 選擇題） (A)由A → B分子位能增加 (B)由B → C分子動能增加 (C)由C → D分子動能增加 (D)由D → E分子位能增加 (E) DE 段：液氣共存 35 選修化學(上) 35

學習成果評量 純水的相圖如右圖所示，試回答下列各個問題？ 相圖中，L2 及 L3 各代表水 的哪一種性質之曲線 ? 冰在何種情況下受熱會昇 華 ? 已知水的臨界溫度為 374 ℃，臨界壓力為 280 atm， 下列哪一狀態 H2O 以液態存在？（不只一項） (A) 100 ℃及 1.2 atm (B) 1.2 ℃及 1.0 atm (C) 375 ℃及 300 atm (D) 25 ℃及 1.0 atm (E) 100 ℃及 0.8 atm L2：液氣共存 L3：固液共存 於壓力低於 4.58 mmHg下提高溫度 36 選修化學(上) 36