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. そこでこのモデルでは、液体中に粒子サイズの小さな穴がランダムに分布していることを仮定している。
• これらの穴の 1 つに近い粒子は気体中の粒子とほぼ同じように振る舞い、穴から遠い粒子は固体中の粒子と同じように振る舞います。

室温で液体になるのはどんな物質か

室温と大気圧で物質が気体、液体、固体になるかは、3つの要素で決まります。

(1) 物質を形成する粒子間の結合の強さ

(2) 粒子の原子量または分子量

(3) 粒子の形

粒子間の引力が比較的弱い場合、室温で物質は気体となる可能性が高いと考えられます。 また、引き合う力が強い場合は、固体である可能性が高い。 分子間力が強すぎも弱すぎもしない場合、室温で液体であることは予想されることである。 室温での物質の状態を決定する原子量や分子量の役割は、次のような仮定を含む運動論的分子論で理解することができる。 気体粒子の集まりの平均運動エネルギーは気体の温度に依存し、それ以外には依存しない。 つまり、同じ温度で異なる分子が動く平均速度は、分子の重さの平方根に反比例する。

比較的軽い分子は室温で非常に速く動き、液体や固体の中でそれらを結合している結合を簡単に壊すことができます。 しかし、重い分子は、液体から脱出するのに十分な速さで移動する前に、より高い温度まで加熱されなければならない。 そのため、沸点が高くなり、室温で液体となりやすい。

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.

この図の三つの化合物がアイソマー（文字通り「等分」）であります。 これらはすべて同じ化学式ですが、異なる構造を持っています。 これらの異性体の 1 つ neopentane は非常に対称的な分子で、4 つの同じ CH3 グループが中心の炭素原子の周りに四面体パターンで配列しています。 この分子は正対称であるため、容易にパッキングして固体を形成する。 そのため、ネオペンタンは結晶化するまでに-16.5℃まで冷やさなければならない。

ペンタンとイソペンタンはジグザグ構造で、C-C結合の鎖が直線か枝分かれかの違いだけである。 これらの対称性の低い分子は、固体を形成するためにパッキングするのが難しいので、これらの化合物は固体になる前にかなり低い温度まで冷却されなければならない。 ペンタンは-130℃で凍る。 イソペンタンは-160℃近くまで冷やさないと固体にならない。

分子の形も沸点に影響する。 対称的なネオペンタン分子は、箱からビー玉が飛び出すように、激しく揺さぶられて液体から逃げ出す。 ペンタン分子とイソペンタン分子はコートハンガーのように絡まりやすいので、沸騰させるためには高温にしなければならない。 このため、非対称な分子は、対称な分子よりも大きな温度範囲で液体になる傾向があります。

蒸気圧

液体は沸点まで加熱しなくても気体になることができます。例えば水は沸点が100℃でも室温（20℃）で開放容器から気化してしまいます。 このことを下図のように説明することができます。 系の温度は、その粒子の平均運動エネルギーに依存します。 平均という言葉はこのstatementbecauseにあり、これらの粒子の運動エネルギーには非常に大きな幅があります。

液体の沸点よりかなり低い温度でさえ、粒子のいくつかは液体から逃げるのに十分速く動いているのです。

このとき、液体の平均運動エネルギーは減少します。 その結果、液体は冷たくなる。 そのため、熱平衡に戻るまで、周囲からエネルギーを吸収します。 しかし、その途端、水分子の一部は再び十分なエネルギーを得て、液体から逃げ出します。 開放容器では、このプロセスは水がすべて蒸発するまで続きます。

密閉容器では、下の図に示すように、分子の一部が液面から逃げて気体になります。 やがて、液体が蒸発して気体になる速度と、気体が凝縮して液体になる速度が等しくなります。 このとき、系は平衡状態（ラテン語で「均衡のとれた状態」）にあると言われる。 液体の上の空間は水蒸気で飽和しており、それ以上水は蒸発しない。

平衡状態における密閉容器内の水蒸気の圧力を蒸気圧と呼びます。 運動論的分子論によれば、液体の蒸気圧は温度に依存することが示唆されている。 運動エネルギーと分子数のグラフからわかるように、液体から脱出するのに十分なエネルギーを持つ分子の割合は、液体の温度とともに増加します。 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.