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. Dlatego model ten zakłada, że istnieją małe, wielkości cząstek otwory losowo rozmieszczone w cieczy.
• Cząstki, które są blisko jednego z tych otworów zachowują się w taki sam sposób jak cząstki w gazie, te które są daleko od otworu zachowują się bardziej jak cząstki w ciele stałym.

Jakie materiały tworzą ciecze w temperaturze pokojowej?

Trzy czynniki określają, czy substancja jest gazem, cieczą, czy ciałem stałym w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym:

(1) siła wiązań między cząsteczkami tworzącymi substancję

(2) masa atomowa lub cząsteczkowa tych cząsteczek

(3) kształt tych cząsteczek

Gdy siła przyciągania między cząsteczkami jest stosunkowo słaba, substancja prawdopodobnie będzie gazem w temperaturze pokojowej. Kiedy siła przyciągania jest silna, jest bardziej prawdopodobne, że jest to ciało stałe. Jak można się spodziewać, substancja jest cieczą w temperaturze pokojowej, gdy siły międzycząsteczkowe nie są ani zbyt silne, ani zbyt słabe. Rola masy atomowej lub molekularnej w określaniu stanu substancji w temperaturze pokojowej może być zrozumiana w kategoriach kinetycznej teorii molekularnej, która zawiera następujące założenie: Średnia energia kinetyczna zbioru cząsteczek gazu zależy od temperatury gazu, i nic więcej. Oznacza to, że średnia prędkość, z jaką poruszają się różne cząsteczki w tej samej temperaturze, jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ich masy cząsteczkowej.

Relatywnie lekkie cząsteczki poruszają się tak szybko w temperaturze pokojowej, że mogą łatwo zerwać wiązania, które trzymają je razem w cieczy lub ciele stałym. Cięższe cząsteczki muszą być podgrzane do wyższej temperatury, zanim będą mogły poruszać się wystarczająco szybko, aby uciec z cieczy. Theytherefore mają tendencję do wyższych punktów wrzenia i są bardziej prawdopodobne, aby być cieczami w temperaturze pokojowej.

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.

Trzy związki na tym rysunku to izomery (dosłownie „równe części”). Wszystkie one mają ten sam wzór chemiczny, ale różne struktury. Jeden z tych izomerów neopentan jest bardzo symetryczną cząsteczką z czterema identycznymi grupami CH3 ułożonymi w tetraedryczny wzór wokół centralnego atomu węgla. Cząsteczka ta jest tak symetryczna, że łatwo ją upakować w ciało stałe. Neopentan dlatego musi być schłodzony do temperatury -16.5oC zanim się skrystalizuje.

Cząsteczki pentanu i izopentanu mają strukturę zygzakowatą, która różni się tylko tym, czy łańcuch wiązań C-C jest liniowy czy rozgałęziony. Te mniej symetryczne cząsteczki są trudniejsze do upakowania w ciało stałe, więc związki te muszą być schłodzone do znacznie niższych temperatur, zanim staną się ciałami stałymi. Pentan zamarza w temperaturze -130oC. Izopentan musi być schłodzony do prawie -160oC zanim stanie się ciałem stałym.

Kształt cząsteczki również wpływa na temperaturę wrzenia. Symetryczne cząsteczki neopentanem uciec z cieczy sposób kulek może wyskoczyć z pudełka, gdy jest wstrząśniętyvigorously. Cząsteczki pentanu i izopentanu mają tendencję do splątania, jak wieszaki, i muszą być ogrzewane do wyższych temperatur, zanim będą w stanie wrzenia. Niesymetryczne molekuły mają zatem tendencję do bycia cieczami w większym zakresie temperatur niż molekuły, które są niesymetryczne.

Ciśnienie pary

Ciecz nie musi być ogrzewana do temperatury wrzenia, zanim może stać się gazem.Woda, na przykład, paruje z otwartego pojemnika w temperaturze pokojowej (20oC), mimo że temperatura wrzenia wody wynosi 100oC. Możemy to wyjaśnić za pomocą schematu na rysunku poniżej. Temperatura układu zależy od średniej energii kinetycznej jego cząsteczek. Termin średnia występuje w tym stwierdzeniu, ponieważ istnieje ogromny zakres energii kinetycznych dla tych cząsteczek.

Nawet w temperaturach znacznie poniżej punktu wrzenia cieczy, niektóre z cząsteczek poruszają się wystarczająco szybko, aby uciec z cieczy.

Gdy to się dzieje, średnia energia kinetyczna cieczy zmniejsza się. W rezultacie, ciecz staje się chłodniejszy. Dlatego absorbuje energię z otoczenia, dopóki nie wróci do równowagi termicznej. Ale jak tylko to nastąpi, niektóre z cząsteczek wody ponownie mają wystarczająco dużo energii, aby uciec z cieczy. W otwartym pojemniku proces ten trwa do momentu, gdy cała woda wyparuje.

W zamkniętym pojemniku niektóre z cząsteczek uciekają z powierzchni cieczy, tworząc gaz, jak pokazano na rysunku poniżej. Ostatecznie szybkość, przy której ciecz odparowuje do postaci gazu staje się równa szybkości, przy której gaz skrapla się do postaci cieczy. W tym momencie, system mówi się, że jest w równowadze (z łaciny, „stan równowagi”). Przestrzeń nad cieczą jest nasycona parą wodną i woda już nie wyparowuje.

Ciśnienie pary wodnej w zamkniętym pojemniku w stanie równowagi nazywane jest ciśnieniem pary. Kinetyczna teoria molekularna sugeruje, że ciśnienie pary cieczy zależy od jej temperatury. Jak widać na wykresie energii kinetycznej w stosunku do liczby cząsteczek, ułamek cząsteczek, które mają wystarczająco dużo energii, aby uciec z cieczy wzrasta wraz z temperaturą cieczy. 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.