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
| Solid (g/cm3) | Liquid (g/cm3) | Gas (g/cm3) | ||||
| Ar | 1.65 | 1.40 | 0.001784 | |||
| N2 | 1.026 | 0.8081 | 0.001251 | |||
| O2 | 1.426 | 1.149 | 0.001429 |
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. Por lo tanto, este modelo supone que hay pequeños agujeros del tamaño de una partícula distribuidos aleatoriamente por el líquido.
- Las partículas que están cerca de uno de estos agujeros se comportan de forma muy parecida a las partículas de un gas, las que están lejos de un agujero actúan más como las partículas de un sólido.
¿Qué tipos de materiales forman líquidos a temperatura ambiente?
Tres factores determinan si una sustancia es un gas, un líquido o un sólido a temperatura ambiente y presión atmosférica:
(1) la fuerza de los enlaces entre las partículas que forman la sustancia
(2) el peso atómico o molecular de estas partículas
(3) la forma de estas partículas
Cuando la fuerza de atracción entre las partículas es relativamente débil, es probable que la sustancia sea un gas a temperatura ambiente. Cuando la fuerza de atracción es fuerte, es más probable que sea un sólido. Como es de esperar, una sustancia es un líquido a temperatura ambiente cuando las fuerzas intermoleculares no son ni demasiado fuertes ni demasiado débiles. El papel de los pesos atómicos o moleculares en la determinación del estado de una sustancia a temperatura ambiente puede entenderse en términos de la teoría cinética molecular, que incluye la siguiente suposición: La energía cinética media de un conjunto de partículas gaseosas depende de la temperatura del gas, y nada más. Esto significa que la velocidad media a la que se mueven diferentes moléculas a la misma temperatura es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus pesos moleculares.
Las moléculas relativamente ligeras se mueven tan rápidamente a temperatura ambiente que pueden romper fácilmente los enlaces que las mantienen unidas en un líquido o un sólido. Las moléculas más pesadas deben ser calentadas a una temperatura más alta antes de que puedan moverse lo suficientemente rápido para escapar del líquido. Por lo tanto, tienden a tener puntos de ebullición más altos y es más probable que sean líquidos a temperatura ambiente.
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
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| Gases at room temperature | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| liquids at room temperature | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
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Los tres compuestos de esta figura son isómeros (literalmente, «partes iguales»). Todos tienen la misma fórmula química, pero diferentes estructuras. Uno de estos isómeros 
neopentano es una molécula muy simétrica con cuatro grupos CH3 idénticos dispuestos en un patrón tetraédrico alrededor de un átomo de carbono central. Esta molécula es tan simétrica que se empaqueta fácilmente para formar un sólido. Por lo tanto, el neopentano tiene que ser enfriado a sólo -16,5oC antes de que cristalice.
Las moléculas de pentano e isopentano tienen estructuras en zigzag, que sólo se diferencian en si la cadena de enlaces C-C es lineal o ramificada. Estas moléculas menos simétricas son más difíciles de empaquetar para formar un sólido, por lo que estos compuestos deben enfriarse a temperaturas mucho más bajas antes de convertirse en sólidos. El pentano se congela a -130oC. El isopentano debe enfriarse hasta casi -160oC antes de formar un sólido.
La forma de la molécula también influye en el punto de ebullición. Las moléculas simétricas de neopentano se escapan del líquido del mismo modo que las canicas pueden salir de una caja cuando se agita con fuerza. Las moléculas de pentano e isopentano tienden a enredarse, como las perchas, y deben calentarse a temperaturas más altas antes de poder hervir. Las moléculas asimétricas tienden, por tanto, a ser líquidas en un mayor rango de temperaturas que las moléculas asimétricas.
Presión de vapor
Un líquido no tiene que ser calentado hasta su punto de ebullición antes de que pueda convertirse en un gas.El agua, por ejemplo, se evapora de un recipiente abierto a temperatura ambiente (20oC), aunque el punto de ebullición del agua es de 100oC. Podemos explicarlo con el diagrama de la figura siguiente. La temperatura de un sistema depende de la energía cinética media de sus partículas. El término promedio está en esta afirmaciónporque hay un enorme rango de energías cinéticas para estas partículas.
Incluso a temperaturas muy por debajo del punto de ebullición de un líquido, algunas de las partículas se mueven lo suficientemente rápido como para escapar del líquido.
Cuando esto ocurre, la energía cinética media del líquido disminuye. Como resultado, el líquido se enfría. Por lo tanto, absorbe energía de su entorno hasta que vuelve al equilibrio térmico. Pero en cuanto esto ocurre, algunas de las moléculas de agua vuelven a tener suficiente energía para escapar del líquido. En un recipiente abierto, este proceso continúa hasta que toda el agua se evapora.
En un recipiente cerrado, algunas de las moléculas escapan de la superficie del líquido para formar un gas, como se muestra en la siguiente figura. Finalmente, la velocidad a la que el líquido se evapora para formar un gas se vuelve igual a la velocidad a la que el gas se condensa para formar el líquido. En este punto, se dice que el sistema está en equilibrio (del latín, «estado de equilibrio»). El espacio sobre el líquido está saturado de vapor de agua, y no se evapora más agua.
La presión de vapor de un líquido es literalmente la presión del gas (o vapor) que se acumula sobre el líquido en un recipiente cerrado a una temperatura determinada.
La presión del vapor de agua en un recipiente cerrado en equilibrio se llama presión de vapor. La teoría cinética molecular sugiere que la presión de vapor de un líquido depende de su temperatura. Como puede verse en el gráfico de la energía cinética frente al número de moléculas, la fracción de las moléculas que tienen suficiente energía para escapar de un líquido aumenta con la temperatura del mismo. 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.
