[科普中国]-纯物质

定义

化学成分在总体上固定的物质，称为纯物质，例如，水、氧气、氢气、氮气和二氧化碳，都是纯物质。在化学中，纯物质具有固定的化学性质与物理性质。冰水混合物、结晶水合物等也属于纯物质。世界上不存在绝对的理想纯物质。

纯物质不一定是单一的化学元素，也不一定是单一的化合物。化学元素或化合物的均匀混合物也可以是纯物质，只要这种混合物是均匀的。比如，气态空气是几种气体的混合物，它具有一致的化学成分，所以是纯物质。油和水的混合物不是纯物质，因为油在水里不可溶，混合后，油在水上，两者形成化学成分不同的两个区域。也就是说，这种混合物是不均匀的。1

此外，只要各相的化学成分一致，由两相或者多相的纯物质组成的混合物仍然是纯物质。例如，冰与液态水的混合物是纯物质，因为两相有相同的化学成分。但是，液态空气和气态空气的混合物不是纯物质，因为两者的化学成分相异，是不均匀的混合物。1

纯物质的相三种基本的相物质有几种相。在室内温度和气压下，铜和铁是固体，水银和水是液体，氧和氮是气体。换句话说，它们分别呈现固相、液相和气相。这三种是物质基本的相。在不同条件下，物质又会转变为不同的相。1

特点在一种基本相下，还可以有几种相，每种相都有不同的分子结构。比如，碳，可能以石墨的形式存在，也可能以钻石和活性炭的形式存在，虽然它们的化学成分是相同的。再比如，氦有2种液体的相，铁有3种固体的相，冰在高温状态下可以有7种不同的相。物质以不同的相存在，使自然界中的物质增添了更多的形态。1

相变过程复相系统是由两相或多相组成的，这些相彼此由相边界，也就是相阶跃表面分开。纯物质两相的平衡共存，有很多实际的例子。在热力工程范畴，热电厂的冷凝器内，水是以液体和蒸汽混合物的形式为过渡，逐渐转变为液体的。在锅炉内，水也是以液体和蒸汽混合物的形式为过渡，逐渐转变为蒸汽的。在制冷机的蒸发器内，制冷剂以液体和蒸汽混合物的形式为过渡，由液体变成蒸汽；在冷凝器内，制冷剂又以液体和蒸汽混合物的形式为过渡，由蒸汽变成液体等。1

纯物质的热力学面自然界的纯物质（即单一化学组分的物质）绝大多数都能以固相、液相、气相三种聚集状态存在，三种相可以单独存在，也可以两相平衡共存，在特定条件下，还可以三相平衡共存。纯物质不同相之间的相互转换称为相变。2

状态方程纯物质的状态方程的一般形式为:2

热力学面在由p-v-T构成的空间坐标系中，F(p,v,T)=0为一复杂曲面，曲面上的每一点代表一个平衡状态。这个曲面称为热力学面。右图画出了液相凝固时体积增大的纯物质（例如水）热力学面的大致形状。2

（1）图中气、液、固三相分别处于热力学面的不同区域，称为单相区；

（2）夹在两个单相区之间的为两相区，或称饱和区，在两相区中，两种不同的相平衡共存，具有相同的压力和温度。这种两相平衡共存的状态称为饱和状态。这样，就有固-液、气-液和气-固三个两相区。固-液两相区与固相区的交界线称为溶解线，与液相区的交界线称为凝固线；气-液两相区与液相的交界线称为饱和液体线（亦称气化线），与气相区的交界线称为饱和蒸汽线（亦称凝结线）；气-固两相区与固相区的交界线称为升华线，与气相区的交界线称为凝华线。

饱和液体线与饱和蒸气线汇合于C点，称为临界点。临界点的温度、压力、比体积依次为临界温度 、临界压力 和临界比体积 。临界点是纯物质的一个非常有特征的状态。液体在超过临界压力下加热到较高温度变为气相，将不再像在亚临界压力下那样具有明显的气化过程，并且存在两相共存状态。在超临界压力下，这一转化过程是在临界温度附近以连续渐变的方式完成的，而流体一直处于单相状态。2

在气-液、固-液、气-固三个两相区的交界处，气、液、固三相可以平衡共存，这时，物质具有完全的压力和温度。A点称为三相点，对应的压力称为三相点压力，对应温度称为三相点温度。在低于三相点的压力下，固相物质加热到一定温度时将直接升华变为气体，而不再有熔化为液体的过程，也就是说，在低于三相点的压力下液相将不复存在。2