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. Ce modèle suppose donc qu’il existe de petits trous de la taille d’une particule, répartis de façon aléatoire dans le liquide.
- Les particules qui sont proches d’un de ces trous se comportent à peu près comme les particules d’un gaz, celles qui sont éloignées d’un trou se comportent plutôt comme les particules d’un solide.
Quels types de matériaux forment des liquides à température ambiante ?
Trois facteurs déterminent si une substance est un gaz, un liquide ou un solide à température ambiante et à la pression atmosphérique :
(1) la force des liaisons entre les particules qui forment la substance
(2) le poids atomique ou moléculaire de ces particules
(3) la forme de ces particules
Lorsque la force d’attraction entre les particules est relativement faible, la substance est susceptible d’être un gaz à température ambiante. Lorsque la force d’attraction est forte, il est plus probable qu’il s’agisse d’un solide. Comme on peut s’y attendre, une substance est liquide à température ambiante lorsque les forces intermoléculaires ne sont ni trop fortes ni trop faibles. Le rôle des poids atomiques ou moléculaires dans la détermination de l’état d’une substance à température ambiante peut être compris en termes de théorie cinétique moléculaire, qui inclut l’hypothèse suivante : L’énergie cinétique moyenne d’un ensemble de particules gazeuses dépend de la température du gaz, et rien d’autre. Cela signifie que la vitesse moyenne à laquelle différentes molécules se déplacent à la même température est inversement proportionnelle à la racine carrée de leur poids moléculaire.
Les molécules relativement légères se déplacent si rapidement à température ambiante qu’elles peuvent facilement rompre les liaisons qui les maintiennent ensemble dans un liquide ou un solide. Les molécules plus lourdes doivent être chauffées à une température plus élevée avant de pouvoir se déplacer assez rapidement pour s’échapper du liquide. Elles ont donc tendance à avoir des points d’ébullition plus élevés et sont plus susceptibles d’être liquides à température ambiante.
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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Les trois composés de cette figure sont des isomères (littéralement, « parties égales »). Ils ont tous la même formule chimique, mais des structures différentes. L’un de ces isomères 
néopentane est une molécule très symétrique avec quatre groupes CH3 identiques disposés selon un schéma tétraédrique autour d’un atome de carbone central. Cette molécule est tellement symétrique qu’elle se tasse facilement pour former un solide. Le néopentane doit donc être refroidi à seulement -16,5oC avant de se cristalliser.
Les molécules de pentane et d’isopentane ont des structures en zigzag, qui ne diffèrent que par le fait que la chaîne de liaisons C-C est linéaire ou ramifiée. Ces molécules moins symétriques sont plus difficiles à emballer pour former un solide, de sorte que ces composés doivent être refroidis à des températures beaucoup plus basses avant de devenir des solides. Le pentane gèle à -130oC. L’isopentanedoit être refroidi à près de -160oC avant de former un solide.
La forme de la molécule influence également le point d’ébullition. Les molécules symétriques de néopentane s’échappent du liquide comme des billes pourraient sortir d’une boîte lorsqu’on la secoue vigoureusement. Les molécules de pentane et d’isopentane ont tendance à s’emmêler, comme des cintres, et doivent être chauffées à des températures plus élevées avant de pouvoir bouillir. Les molécules asymétriques ont donc tendance à être liquides sur une plus grande plage de températures que les molécules asymétriques.
Pression de vapeur
Un liquide n’a pas besoin d’être chauffé à son point d’ébullition avant de pouvoir devenir un gaz.L’eau, par exemple, s’évapore d’un récipient ouvert à température ambiante (20oC),même si son point d’ébullition est de 100oC. Nous pouvons expliquer cela à l’aide du diagramme de la figure ci-dessous. La température d’un système dépend de l’énergie cinétique moyenne de ses particules. Le terme moyen est dans cette déclarationparce qu’il y a une énorme gamme d’énergies cinétiques pour ces particules.
Même à des températures bien inférieures au point d’ébullition d’un liquide, certaines des particules se déplacent assez rapidement pour s’échapper du liquide.
Lorsque cela se produit, l’énergie cinétique moyenne du liquide diminue. En conséquence, le liquide devient plus froid. Il absorbe donc de l’énergie de son environnement jusqu’à ce qu’il revienne à l’équilibre thermique. Mais dès que cela se produit, certaines des molécules d’eau ont à nouveau suffisamment d’énergie pour s’échapper du liquide. Dans un récipient ouvert, ce processus se poursuit jusqu’à ce que toute l’eau s’évapore.
Dans un récipient fermé, certaines des molécules s’échappent de la surface du liquide pour former un gaz, comme le montre la figure ci-dessous. Finalement, la vitesse à laquelle le liquide s’évapore pour former un gaz devient égale à la vitesse à laquelle le gaz se condense pour former leliquide. À ce stade, on dit que le système est en équilibre (du latin, « un état d’équilibre »). L’espace au-dessus du liquide est saturé en vapeur d’eau, et plus aucune eau ne s’évapore.
La pression de vapeur d’un liquide est littéralement la pression du gaz (ou de la vapeur) qui s’accumule au-dessus du liquide dans un récipient fermé à une température donnée.
La pression de la vapeur d’eau dans un récipient fermé à l’équilibre est appelée la pression de vapeur. La théorie cinétique moléculaire suggère que la pression de vapeur d’un aliquide dépend de sa température. Comme on peut le voir sur le graphique de l’énergie cinétique en fonction du nombre de molécules, la fraction des molécules qui ont suffisamment d’énergie pour s’échapper d’un liquide augmente avec la température du liquide. 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.
