Liquids

Liquids

The Structure of Liquids

The difference between the structures of gases, liquids, and solids can be bestunderstood by comparing the densities of substances that can exist in all three phases. Asshown in the table below, the density of a typical solid is about 20% larger than thecorresponding liquid, while the liquid is roughly 800 times as dense as the gas.

Densities of Solid, Liquid, and Gaseous Forms of Three Elements

The figure below shows a model for the structure of a liquid that is consistent withthese data.

The key points of this model are summarized below.

• The particles that form a liquid are relatively close together, but not as close together as the particles in the corresponding solid.
• The particles in a liquid have more kinetic energy than the particles in the corresponding solid.
• As a result, the particles in a liquid move faster in terms of vibration, rotation, and translation.
• Because they are moving faster, the particles in the liquid occupy more space, and the liquid is less dense than the corresponding solid.
• Differences in kinetic energy alone cannot explain the relative densities of liquids and solids. Tento model proto předpokládá, že v kapalině jsou náhodně rozmístěny malé otvory o velikosti částic.
• Částice, které jsou blízko některého z těchto otvorů, se chovají podobně jako částice v plynu, ty, které jsou od otvoru vzdáleny, se chovají spíše jako částice v pevné látce.

Jaké druhy materiálů tvoří při pokojové teplotě kapaliny?

Tři faktory určují, zda je látka při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku plyn, kapalina nebo pevná látka:

(1) síla vazeb mezi částicemi, které látku tvoří

(2) atomová nebo molekulová hmotnost těchto částic

(3) tvar těchto částic

Když jsou přitažlivé síly mezi částicemi relativně slabé, látka je při pokojové teplotě pravděpodobně plyn. Když je přitažlivá síla silná, jepravděpodobnější, že se jedná o pevnou látku. Jak se dalo očekávat, látka je při pokojové teplotě kapalinou, když mezimolekulární síly nejsou ani příliš silné, ani příliš slabé. Úlohu atomových nebo molekulových hmotností při určování stavu látky při pokojové teplotě lze pochopit z hlediska kinetické molekulové teorie, která zahrnuje následující předpoklad: Průměrná kinetická energie souboru částic plynu závisí na teplotě plynu a na ničem jiném. To znamená, že průměrná rychlost, kterou se pohybují různé molekuly při stejné teplotě, je nepřímo úměrná druhé odmocnině jejich molekulových hmotností.

Relativně lehké molekuly se při pokojové teplotě pohybují tak rychle, že mohou snadno porušit vazby, které je drží pohromadě v kapalině nebo pevné látce. Těžší molekuly se musí zahřátna vyšší teplotu, aby se mohly pohybovat dostatečně rychle a unikly z kapaliny. Mají proto tendenci mít vyšší body varu a při pokojové teplotě jsou spíše kapalinami.

The relationship between the molecular weight of a compound and its boiling point isshown in the table below. The compounds in this table all have the same generic formula: CnH2n+2.The only difference between these compounds is their size and therefore their molecularweights.

Melting Points and Boiling Points of Compounds with the GenericFormula CnH2n+2

As shown by the figure below, the relationship between the molecular weights of thesecompounds and their boiling points is not a straight line, but it is a remarkably smoothcurve.

The data in the figure below show how the shape of a molecule influences the meltingpoint and boiling point of a compound and therefore the probability that the compound is aliquid at room temperature.

Tři sloučeniny na tomto obrázku jsou izomery (doslova „stejné části“). Všechny mají stejný chemický vzorec, ale odlišnou strukturu. Jeden z těchto izomerů neopentan je velmi symetrická molekula se čtyřmi identickými skupinami CH3 uspořádanými tetraedricky kolem centrálního atomu uhlíku. Tato molekula je natolik symetrická, že se snadno sbalí a vytvoří pevnou látku. Neopentan proto musí být ochlazen pouze na -16,5oC, než vykrystalizuje.

Molekuly pentanu a izopentanu mají klikatou strukturu, která se liší pouze tím, zda je řetězec vazeb C-C lineární nebo rozvětvený. Tyto méně symetrické molekuly se hůře balí, aby vytvořily pevnou látku, takže tyto sloučeniny musí být ochlazeny na mnohem nižšíteploty, než se stanou pevnými látkami. Pentan mrzne při teplotě -130oC. Isopentan musí být ochlazen téměř na -160oC, než se z něj vytvoří pevná látka.

Teplotu varu ovlivňuje také tvar molekuly. Symetrické molekuly neopentanu unikají z kapaliny stejně, jako mohou kuličky vyskočit z krabice, když s ní silně zatřeseme. Molekuly pentanu a izopentanu mají tendenci se zamotávat jako ramínka na šaty a musí se zahřát na vyšší teplotu, aby mohly vřít. Nesymetrické molekuly proto bývají kapalné ve větším rozsahu teplot než molekuly, které jsou nesymetrické.

Tlak par

Kapalina se nemusí zahřát na teplotu varu, aby se mohla stát plynem. například voda se z otevřené nádoby vypařuje při pokojové teplotě (20oC), přestože teplota varu vody je 100oC. Můžeme to vysvětlit pomocí schématu na obrázku níže. Teplota systému závisí na průměrnéekinetické energii jeho částic. Výraz průměrný je v tomto tvrzení proto, že existuje obrovský rozsah kinetických energií těchto částic.

I při teplotách hluboko pod bodem varu kapaliny se některé částice pohybují dostatečně rychle, aby z kapaliny unikly.

Když k tomu dojde, průměrná kinetická energie kapaliny se sníží. V důsledku toho se kapalina ochlazuje. Absorbuje proto energii ze svého okolí, dokud se nevrátí do tepelné rovnováhy. Jakmile k tomu však dojde, některé molekuly vody mají opět dostatek energie, aby z kapaliny unikly. V otevřené nádobě tento proces pokračuje, dokud se všechna voda neodpaří.

V uzavřené nádobě některé molekuly uniknou z povrchu kapaliny a vytvoří plyn, jak je znázorněno na obrázku níže. Nakonec se rychlost odpařování kapaliny za vzniku plynu vyrovná rychlosti kondenzace plynu za vzniku kapaliny. V tomto okamžiku se o systému říká, že je v rovnováze (z latiny „stav rovnováhy“). Prostor nad kapalinou je nasycen vodní párou a voda se již neodpařuje.

Tlak vodní páry v uzavřené nádobě za rovnovážného stavu se nazývá tlak páry. Z kinetické molekulové teorie vyplývá, že tlak par kapaliny závisí na její teplotě. Jak je patrné z grafu závislosti kinetické energie na počtu molekul, podíl molekul, které mají dostatek energie k úniku z kapaliny, se zvyšuje s teplotou kapaliny. As a result, the vapor pressure ofa liquid also increases with temperature.

The figure below shows that the relationship between vapor pressure and temperature isnot linear the vapor pressure of waterincreases more rapidly than the temperature of the system.