物质有三种形态——固态、液态和气态。所有物质都是由小得不能用肉眼直接观察到的微粒构成的，一些物质的微粒可通过一种科学仪器看到，这种仪器称为电子显微镜。本章开头的照片就是用这种仪器观察到的，照片显示出了构成蛋白质的微粒。在这类特殊的物质当中，微粒就是集合在一起的原子称为分子。许多物质是由分子构成的，还有一些物质是由另一种微粒构成，这种微粒留待以后讨论。

下面的简单实验证明了两个事实：

（i）物质由微粒构成。

（ii）构成物质的微粒在不断地运动着。

晶体

实验1  晶体的长大

a.当盐的热浓缩溶液冷却时，便有晶体生成。把这类热浓缩盐溶液放在显微镜的载片上，然后把载片置于显微镜下，即可观察到晶体的形成（图4.1）。

b.观察该盐的一些体积较大的晶体。

值得注意的是，一个小晶体长成大晶体后，其形状并不改变。有时候可在大晶体内部观察到“生长线”。这些线就是原来较小晶粒的晶界。晶体的这种规则的生长方式可以用粒子的概念加以解释。晶体中的粒子以规则方式聚集在一起，某一特定晶体的粒子其组合方式相同，晶体内加入的新粒子总是与该处原有的粒子组合方式相适应（图4.2）。

扩散

气味，不管它是否令人喜欢，都能很快传播。气味的传播是由于分子的运动引起的，气体的这种传播称为扩散。

实验2  观察扩散

a.往集气瓶内滴几滴液体溴，另取一集气瓶，扣在前一集气瓶上。约过30分钟，就可发现两个集气瓶内均充满了溴蒸气，见图4.3。考虑到溴蒸气的密度要比空气的密度大五倍多，因而这种现象令人十分惊奇。在本实验中，溴蒸气不只是向空间扩散，同时也与空气混合。这种现象用粒子的概念很容易解释，假设一种气体的分子之间有很大的空隙，那么其它气体物质的分子就可进入这些空间与该气体混合。

b.把一装有空气的多孔容器连接到压强计上，然后给容器外围空间充入氢气（图4.4），这时就可看到压强计中的液柱沿箭头所指的方向运动。这是由于氢分子比空气分子轻，运动速度也比空气分子快，因此，氢分子向容器内扩散的速度就要比空气分子由容器内向容器外扩散的速度快。

如果给容器壁外围通入二氧化碳，则出现与上述现象相反的情况，这是为什么？

c.把重铬酸钾晶体放在烧杯底部，几小时后，根据烧杯中的液体被染成的橙色就可看到晶体向液体中的扩散。这说明液体肯定也是由运动的粒子所构成的。粒子在液体中要比其在气体中的扩散速度慢得多，因而，粒子在液体中的运动速度也要比其在气体中的运动速度慢得多。

实验3  布朗运动

图4.5为实验所用装置。实验时，首先点着用纸卷成的吸管，然后将其吹熄使其产生烟雾。把产生的烟雾充入玻璃容器内，用盖板盖上容器口。把玻璃容器置于显微镜的工作台上，打开电灯，这时玻璃棒起着透镜的作用，使灯光在烟雾中聚成一焦点。

仔细调节显微镜，直到可清楚地看到无数明亮的小颗粒作无规则的随意跳动。借助被反射回来的光线所看到的这些小颗粒就是烟雾微粒。这些微粒之所以做无规则的运动是由于它们与容器内的空气分子相互碰撞的结果，同时，它们也与容器壁相碰撞。微粒的这种效应称为“布朗运动”。悬浮在液体中的小微粒也作布朗运动。布朗运动是植物学家罗伯特·布朗于1827年观察漂在水中的花粉时首先发现的。应该注意到，一个悬浮在液体中的较大的物体是不可能观察到其作布朗运动的，原因是，由分子相互碰撞使物体产生的运动速度实在太小了，故很难观察到。

物质的分子运动论

固体、液体和气体虽然可以由同种基本粒子构成，但三者之间却有一些明显的差别。例如：

a.固体保持一定的形状，液体的形状由容纳该液体的容器的形状决定，而气体却向四周扩散，充满可占据的空间。

b.固体和液体的密度总是远大于气体的密度。

c.只有气体可通过加压大幅度地压缩其体积，即只有气体可被压缩。

由（a）可知，固体的分子间作用力最大，气体的最小；由（b）和（c）可合理地推断出气体物质分子间的距离远大于固体物质和液体物质分子间的距离。这里还可补充一句话，所有物质的分子都在不停地运动。

分子彼此靠近时，相互间会产生一种很强的静电力，其中既包括吸引力，也包括排斥力。吸引力使分子紧挤在一起，并抵抗拉伸力；排斥力的作用是阻止物体被压缩。关于固体、液体和气体的存在形式，可利用分子运动论作如下解释：

a.在固体中，原子彼此挤得很紧，相邻原子间的吸引力和排斥力处于平衡，每个分子只在其固定位置附近来回振动，因此，固体具有规则的重复排列的分子构型，即呈晶体状。因而固体的形状是确定的。

b.液体分子间的距离比固体分子间的距离稍大些，分子振动的位移也稍大，同时，液体的分子可迅速地移动一小段距离。但是，液体分子始终不能固定在另一分子附近形成一规则的构型，因此，液体具有流动性，并且其形状取决于容器的形状。

c.与固体和液体相比，气体分子间的距离要大得多（约为10倍）。分子以很高的速度（空气分子速度为500m/s）在所占据的空间内到处碰撞。但是，只有当分子相互碰撞或分子与器壁碰撞的一瞬间，分子间力才起作用。而在其它时间内这种分子间力小得可以忽略不计。

图4.6简单绘出了粒子在三种物质形态中可能有的排列方式。

图4.7用模型示意性地解释了物质的三种形态。如果使箱子来回运动（图4.7（a）），并不断加速，这时，小球的形运动就可表示每种物质形态的粒子的运动。图4.7（b）是气体的模型，如把聚苯乙烯塑料球

（相当于“烟雾粒子”）放入筒内，塑料球就会与金属球（相当于“气体分子”）碰撞而作不规则的运动（布朗运动）。

上面一系列实验揭示了一些事实和规律，为了对此进行解释并使其成为科学，我们提出了分子运动论这一理论，依据分子的运动理论，人们就可理解并在实践中应用物质的许多性质。

习题

1.某种物质可能是固体、液体或气体，你如何确定它处于哪种状态？各举一例说明。

2.有一种物质，当它呈一种特殊形态（固体、液体或气体）存在时是我们所最熟悉的，但常可将其由一形态改变为另一形态。说出水的另外两种形态，并说明怎样得到水的这两种形态。3.下列名词可说明物质的什么性质？（a）晶体（b）扩散4.（a）观察布朗运动时发现了什么现象？（b）这种现象是由什么引起的？5.分子运动理论怎样说明了物质的固态、液态和气态三种存在形式？