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. Questo modello presuppone quindi che ci siano piccoli buchi delle dimensioni di particelle distribuite in modo casuale nel liquido.
• Le particelle che sono vicine a uno di questi buchi si comportano più o meno come le particelle in un gas, quelle che sono lontane da un buco si comportano più come le particelle in un solido.

Quali tipi di materiali formano liquidi a temperatura ambiente?

Tre fattori determinano se una sostanza è un gas, un liquido o un solido a temperatura ambiente e pressione atmosferica:

(1) la forza dei legami tra le particelle che formano la sostanza

(2) il peso atomico o molecolare di queste particelle

(3) la forma di queste particelle

Quando la forza di attrazione tra le particelle è relativamente debole, è probabile che la sostanza sia un gas a temperatura ambiente. Quando la forza di attrazione è forte, è più probabile che sia un solido. Come ci si potrebbe aspettare, una sostanza è un liquido a temperatura ambiente quando le forze intermolecolari non sono né troppo forti né troppo deboli. Il ruolo dei pesi atomici o molecolari nel determinare lo stato di una sostanza a temperatura ambiente può essere compreso in termini di teoria cinetica molecolare, che include la seguente assunzione: L’energia cinetica media di un insieme di particelle di gas dipende dalla temperatura del gas, e nient’altro. Ciò significa che la velocità media alla quale si muovono diverse molecole alla stessa temperatura è inversamente proporzionale alla radice quadrata del loro peso molecolare.

Le molecole relativamente leggere si muovono così rapidamente a temperatura ambiente che possono facilmente rompere i legami che le tengono insieme in un liquido o in un solido. Le molecole più pesanti devono essere riscaldate a una temperatura più alta prima di potersi muovere abbastanza velocemente per uscire dal liquido. Perciò tendono ad avere punti di ebollizione più alti ed è più probabile che siano liquidi 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

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.

I tre composti in questa figura sono isomeri (letteralmente, “parti uguali”). Hanno tutti la stessa formula chimica, ma strutture diverse. Uno di questi isomeri neopentano è una molecola molto simmetrica con quattro gruppi CH3 identici disposti in modo tetraedrico attorno a un atomo di carbonio centrale. Questa molecola è sosymmetrica che si impacca facilmente per formare un solido. Il neopentano deve quindi essere raffreddato a soli -16,5oC prima di cristallizzare.

Le molecole di pentano e isopentano hanno strutture a zig zag, che differiscono solo in termini di catena di legami C-C lineare o ramificata. Queste molecole meno simmetriche sono più difficili da impacchettare per formare un solido, quindi questi composti devono essere raffreddati a temperature molto più basse prima di diventare solidi. Il pentano congela a -130oC. L’isopentano deve essere raffreddato a quasi -160oC prima di formare un solido.

Anche la forma della molecola influenza il punto di ebollizione. Le molecole simmetriche di neopentano fuoriescono dal liquido nel modo in cui le biglie potrebbero uscire da una scatola quando questa viene scossa con forza. Le molecole di pentano e isopentano tendono ad aggrovigliarsi, come le grucce, e devono essere riscaldate a temperature più alte prima di poter bollire. Le molecole asimmetriche tendono quindi ad essere liquide in una gamma più ampia di temperature rispetto alle molecole asimmetriche.

Pressione di vapore

Un liquido non deve essere riscaldato al suo punto di ebollizione prima che possa diventare un gas. Possiamo spiegarlo con il diagramma nella figura qui sotto. La temperatura di un sistema dipende dall’energia cinetica media delle sue particelle. Il termine media è in questa affermazione perché c’è un’enorme gamma di energie cinetiche per queste particelle.

Anche a temperature ben al di sotto del punto di ebollizione di un liquido, alcune particelle si muovono abbastanza velocemente da sfuggire dal liquido.

Quando questo accade, l’energia cinetica media del liquido diminuisce. Come risultato, il liquido diventa più freddo. Quindi assorbe energia dall’ambiente circostante fino a quando non ritorna all’equilibrio termico. Ma non appena questo accade, alcune delle molecole d’acqua hanno di nuovo abbastanza energia per uscire dal liquido. In un contenitore aperto, questo processo continua fino a quando tutta l’acqua evapora.

In un contenitore chiuso alcune delle molecole scappano dalla superficie del liquido per formare un gas come mostrato nella figura sottostante. Alla fine la velocità con cui il liquido evapora per formare un gas diventa uguale alla velocità con cui il gas si condensa per formare il liquido. A questo punto, si dice che il sistema è in equilibrio (dal latino, “uno stato di equilibrio”). Lo spazio sopra il liquido è saturo di vapore acqueo, e non evapora più acqua.