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. Ez a modell ezért feltételezi, hogy a folyadékban véletlenszerűen eloszló apró, részecskeméretű lyukak vannak.
• Az ilyen lyukak egyikéhez közel eső részecskék nagyjából úgy viselkednek, mint a gázban lévő részecskék, a lyuktól távol eső részecskék inkább úgy viselkednek, mint a szilárd anyagban lévő részecskék.

Milyen anyagok képeznek folyadékot szobahőmérsékleten?

Három tényező határozza meg, hogy egy anyag szobahőmérsékleten és légköri nyomáson gáz, folyadék vagy szilárd halmazállapotú:

(1) az anyagot alkotó részecskék közötti kötések erőssége

(2) e részecskék atom- vagy molekulatömege

(3) e részecskék alakja

Ha a részecskék közötti vonzóerő viszonylag gyenge, az anyag szobahőmérsékleten valószínűleg gáz lesz. Ha a vonzóerő erős, akkor valószínűbb, hogy szilárd anyagról van szó. Amint az várható volt, egy anyag szobahőmérsékleten akkor folyékony, ha a molekulák közötti vonzóerők sem nem túl erősek, sem nem túl gyengék. Az atom- vagy molekulatömegek szerepe egy anyag szobahőmérsékleten való állapotának meghatározásábanmegérthető a kinetikus molekulaelmélet szempontjából, amely a következő feltételezést tartalmazza: A gázrészecskék egy csoportjának átlagos mozgási energiája a gáz hőmérsékletétől függ, és semmi mástól. Ez azt jelenti, hogy az átlagos sebesség, amellyel a különböző molekulák azonos hőmérsékleten mozognak, fordítottan arányos molekulatömegük négyzetgyökével.

A viszonylag könnyű molekulák szobahőmérsékleten olyan gyorsan mozognak, hogy könnyen felbonthatják azokat a kötéseket, amelyek egy folyadékban vagy szilárd anyagban összetartják őket. A nehezebb molekulákat magasabb hőmérsékletre kell melegíteni ahhoz, hogy elég gyorsan tudjanak mozogni ahhoz, hogy kiszabaduljanak a folyadékból. Ezért általában magasabb forráspontjuk van, és szobahőmérsékleten nagyobb valószínűséggel válnak folyadékká.

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.

Az ábrán látható három vegyület izomer (szó szerint “egyenlő részek”). Mindegyiknek ugyanaz a kémiai képlete, de eltérő a szerkezete. Az egyik ilyen izomer neopentán egy nagyon szimmetrikus molekula, amelynek négy azonos CH3csoportja tetraéderes elrendezésben helyezkedik el a központi szénatom körül. Ez a molekula olyan szoszimmetrikus, hogy könnyen tömörül szilárd anyaggá. A neopentánt ezért csak -16,5oC-ra kell lehűteni, mielőtt kikristályosodik.

A pentán és az izopentán molekulák cikcakk szerkezetűek, amelyek csak abban különböznek, hogy a C-C kötések lánca lineáris vagy elágazó. Ezeket a kevésbé szimmetrikus molekulákat nehezebb szilárd anyagba csomagolni, ezért ezeket a vegyületeket sokkal alacsonyabb hőmérsékletre kell lehűteni, mielőtt szilárddá válnak. A pentán -130oC-on fagy meg. Az izopentánt majdnem -160oC-ra kell lehűteni, mielőtt szilárd anyaggá alakul.

A molekula alakja is befolyásolja a forráspontot. A szimmetrikus neopentánmolekulák úgy szöknek ki a folyadékból, mint ahogyan a golyók kipattannak egy dobozból, ha azt erőteljesen megrázzuk. A pentán és izopentán molekulák hajlamosak összegabalyodni, mint a ruhafogasok,és magasabb hőmérsékletre kell őket hevíteni, mielőtt felforrnának. A nem szimmetrikus molekulák ezért hajlamosak nagyobb hőmérséklet-tartományban folyékonyak lenni, mint a szimmetrikus molekulák.

Gőznyomás

A folyadékot nem kell forráspontig hevíteni ahhoz, hogy gázzá váljon.A víz például szobahőmérsékleten (20oC) elpárolog egy nyitott tartályból, annak ellenére, hogy a víz forráspontja 100oC. Ezt az alábbi ábrán látható ábrával magyarázhatjuk. Egy rendszer hőmérséklete a részecskéinek átlagos kinetikus energiájától függ. Az átlagos kifejezés azért szerepel ebben a kijelentésben,mert e részecskék mozgási energiái között óriási tartomány van.

A folyadék forráspontja alatti hőmérsékleten is a részecskék egy része elég gyorsan mozog ahhoz, hogy kilépjen a folyadékból.

Amikor ez megtörténik, a folyadék átlagos mozgási energiája csökken. Ennek eredményeképpen a folyadék lehűl. Ezért energiát vesz fel a környezetéből, amíg vissza nem tér a hőegyensúlyba. De amint ez megtörténik, a vízmolekulák egy része ismét elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy kiszabaduljon a folyadékból. Egy nyitott tartályban ez a folyamat addig folytatódik, amíg az összes víz el nem párolog.

Zárt tartályban a molekulák egy része a folyadék felszínéről gázzá válik, ahogy az alábbi ábrán látható. Végül a folyadék gázzá párolgásának sebessége megegyezik azzal a sebességgel, amellyel a gáz folyadékká kondenzálódik. Ekkor a rendszer egyensúlyban van (latinul: “egyensúlyi állapot”). A folyadék feletti tér vízgőzzel telített, és nem párolog több víz.

A zárt tartályban egyensúlyban lévő vízgőz nyomását gőznyomásnak nevezzük. A kinetikus molekulaelmélet szerint egy folyadék gőznyomása függ a hőmérsékletétől. Amint az a kinetikus energia és a molekulák száma közötti grafikonon látható, a folyadék hőmérsékletének növekedésével nő azon molekulák aránya, amelyeknek elegendő energiájuk van a folyadékból való kilépéshez. 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.