3.5 液体和液晶
（Liquid and Liquid Crystal）
气体、液体和固体中的分子（或原子、离子）都在不停地运动，运动的剧烈程度依次递减，即分子间的作用力依次递增。气体分子间距离最大、作用力最小，气体分子既能自由扩散，均匀充满空间，又能被压缩到很小的体积。加压降温，气体即可凝聚为液体，液体的分子间距离比气体小得多，比固体稍大。液体的可压缩性很小，而流动性很大，它有一定的体积但无一定形状（形状随容器变化）。液体冷却则凝固为固体，固体既难于压缩，更不能流动，它有一定的形状和体积。固体物质随其内部结构是否有规则排列而有晶体和非晶体之分。介于液体和晶体之间有一类物质叫液晶，它是一大类新型材料。液体、液晶、固体分子间作用力虽然有所不同，但这些微粒都不能像气体分子那样自由扩散，统称为凝聚态。本节对液体和液晶作简要介绍。
3.5.1 液体
液体具有能自由流动和各向同性的特点。液体盛放在容器中，与气相接触的液面分子，四周所受吸引力不均匀（见图3.1），其中有些能量较高的分子便逸出液面而变成蒸气，各种液体在一定温度具有一定的蒸气压。液体表层分子四周受力不均匀，来自内部的净力使表面存在一种缩小的趋势，这种垂直于液体表面单位长度、沿表面切线方向的力叫做表面张力，它是液体化学中最重要的一种物理量，和液体的摩尔质量、密度、温度等有关。表面张力可用多种实验方法测定，其单位可以是N·m-1或mN·m-1。表3.6列举了几种液体的表面张力。
当液体和固体接触时，随液面分子与固体分子间作用力的强弱不同，又有浸润和不浸润之别。将毛细管插入液体中，毛细管中的液面呈弯月形（或凹或凸）并且与管外液面有一定的高度差，测定高度差、毛细管半径和液体密度可以计算表面张力。蒸发现象、表面张力、润湿现象、毛细现象等都与表层分子运动状况直接有关。从液体内部结构看，液体既不能像气体分子那样无规则地自由运动，也不像固体那样难于移动。显微镜下可以看到花粉微粒在液体中做布朗运动，这是液体分子做无规则运动的实验基础。从总体上看，液体呈无序结构。现代实验方法已证明液体在很小的范围内（如液态金属中为1.5nm）却可呈暂时的有序状态，液体的流动性就是这种“长程无序，短程有序”的表现。人们用黏度描述液体的流动性，黏度反映了液体流动时内摩擦力的大小，它和液体的密度、温度和压力有关。表3.6中也列出了一些液体的黏度。人体血液黏度必须保持一定水平，血栓症就是血液黏度异常引起的，阿司匹林有降低血液黏度的作用。液体还有一个重要特性就是用做溶剂，许多物质（不论是气态、液态，还是固态）可溶解在其中成为混合均匀的溶液，任何化学工作中都离不开溶液的使用。本书第4章将专门讨论溶液的通性，第8~9章的内容也都与溶液有关。
3.5.2 液晶
液晶类物质的力学性质像液体，可以自由流动，而它的光学性质却像晶体，显各向异性，在某个方向远程有序，在另一方向却近程有序。19世纪末奥地利植物学家F.Reinitzer在研究胆甾醇苯甲酸酯（注：胆甾醇是一类比较复杂的有机化合物，人体的大脑、神经组织、细胞膜、血液、胆汁中都含有这类化合物，它和羧酸起酯化反应生成各种胆甾醇羧酸酯，其结构简式（其中R=CH3—，C2H5—，C6H5—等）如下：
）时发现，加热到145.5℃时，晶体熔化为各向异性的浑浊黏稠液体；继续加热到178.5℃时，则变为各向同性、清亮透明。在145.5℃（熔点）至178.5℃（清亮点）之间为液晶态，它是液态和晶态间的过渡态。
这两个温度也就是液晶的相变温度，表3.7列举了几种胆甾型液晶的相变温度。
这类液晶分子呈层状排列（长轴与层的平面平行），层与层间的重叠呈螺旋状结构，因而对不同波长的光反射情况不同，液体就显示鲜艳的色彩，反射情况还随温度有所变化。如将几种液晶化合物按一定比例混合，并制成胶囊薄膜，就是一个新型的彩色液晶温度计，在不同温度显示不同颜色。各种商品液晶温度计测量范围可在0~250℃间，精确度可达0.5℃。这类温度计使用方便、显示清晰。在肿瘤病变位置检测、金属材料探伤、电子元件检查、彩色电视、全息照相等方面都已取得很好的实用效果。
还有一类棒形分子也具有液晶态，如4－甲氧基苄叉－4′－正丁基苯胺（简写为MBBA）的结构简式是
该分子一端有甲氧基（CH3O—），另一端则是正丁基（C4H9—），中央基团叫苄叉基。它是极性化合物，分子间的互相作用使它们作有序排列，当熔化成液态时也能保持一定的有序性，这些分子接近于平行地交错排列，既容易转动，也容易滑动。两个苯环直接相连的联苯类化合物（苯环也可被环己烷取代），它们也有很好的液晶态，这类化合物统称为向列型液晶，表3.8列举了它们的相变温度。这些液晶态物质随电压变化透明性不同，是理想的显示材料，具有工作电压低、功耗低并能与集成电路配套等突出优点，现已广泛用于手表、车辆计程表和各种电子仪器。
生物体内许多物质（如蛋白质、核酸、类脂）等也都显液晶态，有胆甾型螺旋结构，也有向列型棒形结构。要探讨生命奥秘，要研究致病原因，都离不开对液晶的认识和了解。
有些高分子化合物是由小分子单体聚合成链并卷曲交织在一起，它们容易聚集成短程有序的液晶态。高分子液晶材料的研究对提高材料机械强度、改善合成纤维色泽等方面正产生深远的影响。
现已发现几千种液晶化合物，液晶制品已经进入千家万户日常生活之中，液晶已成为化学家、物理学家和生物学家共同感兴趣的新兴研究领域。
小结
本章重点讨论了液体的气化和液体的凝固，讨论中涉及气－液－固三种物态之间的相平衡。相图是描述物质相变化的简明表示法。本章以水的相图为例，简要讨论了单一组分相图中点、线、面的各种含义。“线”是两相的分界线，线上任意一点都代表两相共存的平衡条件。两线之间的“面”代表单相区，气相区位于温度高、压力低的位置（右下方），固相区位于压力高、温度低的部位（左方），液相区介乎其中。相图中3条两相线交于一点，这就是三相点，亦即气－液－固三相共存的平衡点。对一种物质来说，三相点是个定值（T、p确定不变）。热力学温标选用纯水的三相点作为温度的标准点。
气体、液体和固体是物质常见的三种聚集状态。随着科学技术的不断发展，人们发现有些化合物在一定温度范围内呈现液态的流动性和晶态的各向异性，取名为液晶态。液态、固态和液晶态统称为凝聚态。
课外读物
［1］王良御，廖松生.液晶化学.北京：科学出版社，1988
［2］李芝芬.国际实用温标（IPTS－68）和水的三相点测定的渊源.大学化学，1990，（1），58
［3］屈德宇.水的沸点不再是100℃.大学化学，1992，（6），47
［4］赵化桥.等离子体化学及其应用.大学化学，1994，（4），1
［5］E B Moore，V Molinero.Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice.Nature，2011，479，506
［6］C C Pradzynski，et al.A fully size－resolved perspective on the crystallization of water clusters.Science，2012，337，1529
思考题
1.在常温常压呈液态的金属与非金属单质各有哪些？
2.什么是临界温度？它与沸点有什么关系？
3.在沸点以上，液体能否存在？在临界温度以上，液体能否存在？
4.饱和蒸气压随温度变化的规律与理想气体压力随温度变化的规律有何不同？为什么？
5.在一定温度下，饱和蒸气压与体积有什么关系？为什么？
6.外压小于1×102kPa时，沸腾现象是否存在？举例说明。
7.在什么条件下，理想气体方程式可用于液体蒸气压的计算？
8.化工生产上常用水蒸气加热，水蒸气由锅炉进入反应设备夹层。若水蒸气温度为120℃，锅炉内的压力是多少？
9.液体受热沸腾的温度－时间曲线是怎样的，有无过热现象？蒸气降温凝结成液体的温度－时间曲线又是什么样的，有无过冷现象？
10.冰和水共存的体系，受热时温度是否变化？为什么？
11.水的“三相点”温度、压力各是多少？它与冰点有何不同？
12.在常温常压下，能看到干冰（CO2）的升华，而不易看到冰（H2O）的升华，为什么？
13.液晶态具有哪些特征？你使用过哪种液晶制品？
14.凝聚态包括哪些状态？
习题
3.1 参考临界点数值，判断O2、H2、Cl2、NH3、C4H10几种物质常温下在高压钢瓶里的存在状态。在使用过程中，氧气钢瓶的压力逐渐降低，而氯气钢瓶的压力几乎不变，为什么？
3.2 丙烯的蒸气压数据如下，试用作图法求：（1）丙烯的正常沸点，（2）丙烯的摩尔蒸发热。
3.3 已知丙酮的正常沸点是56.5℃，摩尔蒸发热是30.3kJ·mol-1。试求在20.0℃时丙酮的蒸气压。
3.4 参考附录C.1的数据，作图求水的摩尔蒸发热，并求51.0℃时水的蒸气压。
3.5 在青藏高原某山地，测得水的沸点为93℃，估计该地大气压是多少？
3.6 在一个体积为482cm3的密闭容器里有0.105g水。在50℃时，其中蒸气和液体各是多少？
3.7 实验测定液态溴在25.0℃的饱和蒸气密度是0.00194g·cm－3，计算液溴在25.0℃时的蒸气压。
3.8 “0℃以下，100℃以上，H2O都不能以液态存在”，这种说法对吗？
3.9 在20℃及恒定外压的条件下，若有1.00dm3含饱和水蒸气的空气通过焦性没食子酸溶液后，其中O2全部被吸收，求剩余气体的总体积。（干燥空气的体积分数：O2为21%，N2为79%；忽略焦性没食子酸对水蒸气压的影响。）
3.10 在293K和101.3kPa条件下，有1.00dm3干燥空气（设其体积分数为：O221.0%，N279.0%）通过盛水气瓶后，饱和湿空气的总体积应是多少？湿空气中各气体的分压又是多少？
3.11 0.0396g Zn－Al合金片与过量的稀盐酸作用放出氢气，用排水集气法收集到氢气的体积为27.10cm3（24.3℃，101kPa）。求该合金的组成。
3.12 0.100mol H2和0.050mol O2在一个20.0dm3的密闭容器中，用电火花使它们完全起反应生成水，然后冷却到27℃，试求容器中的压力。
3.13 在120℃的5.0dm3密闭容器中有2.5g H2O。用计算说明：
（1）H2O完全以气态存在；（2）冷却到什么温度，水汽开始凝聚为液态？
3.14 参考图3.7和表3.3，判断在下表四种条件下H2O的存在状态各是什么？
3.15 国际单位制里，热力学温标选水的三相点为标准，而不用H2O的冰点和沸点，为什么？
3.16 已知苯的临界点是289℃，4.86MPa，沸点是80℃；三相点是5℃，2.84kPa。在三相点液态苯的密度是0.894g·cm－3，固态苯的密度是1.005g·cm－3。根据上述数据，画出苯在0~300℃范围内的相图。（参照图3.11，坐标可以不按比例。）