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. Dieses Modell geht daher davon aus, dass kleine, teilchengroße Löcher zufällig in der Flüssigkeit verteilt sind.
• Teilchen, die sich in der Nähe eines dieser Löcher befinden, verhalten sich ähnlich wie Teilchen in einem Gas, Teilchen, die sich weit von einem Loch entfernt befinden, verhalten sich eher wie die Teilchen in einem Festkörper.

Welche Stoffe sind bei Raumtemperatur flüssig?

Drei Faktoren bestimmen, ob ein Stoff bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist:

(1) die Stärke der Bindungen zwischen den Teilchen, die den Stoff bilden

(2) das Atom- oder Molekulargewicht dieser Teilchen

(3) die Form dieser Teilchen

Wenn die Anziehungskraft zwischen den Teilchen relativ schwach ist, ist der Stoff bei Raumtemperatur wahrscheinlich ein Gas. Wenn die Anziehungskraft stark ist, handelt es sich eher um einen Feststoff. Wie zu erwarten, ist ein Stoff bei Raumtemperatur flüssig, wenn die zwischenmolekularen Kräfte weder zu stark noch zu schwach sind. Die Rolle des Atom- oder Molekulargewichts bei der Bestimmung des Zustands einer Substanz bei Raumtemperatur kann mit Hilfe der kinetischen Molekulartheorie verstanden werden, die die folgende Annahme enthält: Die durchschnittliche kinetische Energie einer Ansammlung von Gasteilchen hängt von der Temperatur des Gases ab, und von nichts anderem. Das bedeutet, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit, mit der sich verschiedene Moleküle bei derselben Temperatur bewegen, umgekehrt proportional zur Quadratwurzel ihres Molekulargewichts ist.

Relativ leichte Moleküle bewegen sich bei Raumtemperatur so schnell, dass sie die Bindungen, die sie in einer Flüssigkeit oder einem Festkörper zusammenhalten, leicht brechen können. Schwerere Moleküle müssen auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, bevor sie sich schnell genug bewegen können, um aus der Flüssigkeit zu entweichen. Daher haben sie in der Regel einen höheren Siedepunkt und sind bei Raumtemperatur eher flüssig.

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.

Die drei Verbindungen in dieser Abbildung sind Isomere (wörtlich: „gleiche Teile“). Sie haben alle die gleiche chemische Formel, aber unterschiedliche Strukturen. Eines dieser Isomere Neopentan ist ein sehr symmetrisches Molekül mit vier identischen CH3-Gruppen, die in einem tetraedrischen Muster um ein zentrales Kohlenstoffatom angeordnet sind. Dieses Molekül ist so sosymmetrisch, dass es sich leicht zu einem Festkörper zusammenfügen lässt. Neopentan muss daher auf nur -16,5oC abgekühlt werden, bevor es kristallisiert.

Pentan- und Isopentanmoleküle haben Zickzackstrukturen, die sich nur darin unterscheiden, ob die Kette der C-C-Bindungen linear oder verzweigt ist. Diese weniger symmetrischen Moleküle lassen sich schwerer zu einem Feststoff verpacken, so dass diese Verbindungen auf sehr viel niedrigere Temperaturen abgekühlt werden müssen, bevor sie zu Feststoffen werden. Pentan gefriert bei -130oC. Isopentan muss auf fast -160oC abgekühlt werden, bevor es einen Feststoff bildet.

Auch die Form des Moleküls beeinflusst den Siedepunkt. Die symmetrischen Neopentanmoleküle entweichen aus der Flüssigkeit, so wie Murmeln aus einer Schachtel springen können, wenn diese kräftig geschüttelt wird. Die Pentan- und Isopentanmoleküle neigen dazu, sich wie Kleiderbügel zu verheddern, und müssen auf höhere Temperaturen erhitzt werden, bevor sie sieden können. Unsymmetrische Moleküle neigen daher dazu, über einen größeren Temperaturbereich hinweg flüssig zu sein als Moleküle, die symmetrisch sind.

Dampfdruck

Eine Flüssigkeit muss nicht bis zu ihrem Siedepunkt erhitzt werden, um zu einem Gas zu werden. Wasser zum Beispiel verdampft aus einem offenen Behälter bei Zimmertemperatur (20oC), obwohl der Siedepunkt von Wasser 100oC beträgt. Dies lässt sich anhand des Diagramms in der folgenden Abbildung erklären. Die Temperatur eines Systems hängt von der durchschnittlichen kinetischen Energie seiner Teilchen ab. Der Begriff Durchschnitt steht in dieser Aussage, weil es eine enorme Bandbreite an kinetischen Energien für diese Teilchen gibt.

Selbst bei Temperaturen weit unter dem Siedepunkt einer Flüssigkeit bewegen sich einige der Teilchen schnell genug, um aus der Flüssigkeit zu entweichen.

Wenn dies geschieht, nimmt die durchschnittliche kinetische Energie der Flüssigkeit ab. Infolgedessen wird die Flüssigkeit kühler. Sie nimmt also Energie aus ihrer Umgebung auf, bis sie wieder ins thermische Gleichgewicht kommt. Doch sobald dies geschieht, haben einige der Wassermoleküle wieder genug Energie, um aus der Flüssigkeit zu entweichen. In einem offenen Behälter setzt sich dieser Prozess fort, bis das gesamte Wasser verdunstet ist.

In einem geschlossenen Behälter entweichen einige der Moleküle von der Oberfläche der Flüssigkeit und bilden ein Gas, wie in der Abbildung unten dargestellt. Schließlich ist die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit verdampft und ein Gas bildet, gleich der Geschwindigkeit, mit der das Gas kondensiert und die Flüssigkeit bildet. An diesem Punkt befindet sich das System im Gleichgewicht (aus dem Lateinischen: „ein Zustand des Gleichgewichts“). Der Raum über der Flüssigkeit ist mit Wasserdampf gesättigt, und es verdunstet kein Wasser mehr.

Der Druck des Wasserdampfes in einem geschlossenen Behälter im Gleichgewicht wird als Dampfdruck bezeichnet. Die kinetische Molekulartheorie besagt, dass der Dampfdruck einer Flüssigkeit von ihrer Temperatur abhängt. Wie aus dem Diagramm der kinetischen Energie in Abhängigkeit von der Anzahl der Moleküle hervorgeht, steigt der Anteil der Moleküle, die genügend Energie haben, um aus einer Flüssigkeit zu entweichen, mit der Temperatur der Flüssigkeit. 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.