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. Este modelo assume, portanto, que existem pequenos orifícios do tamanho de partículas distribuídos aleatoriamente através do líquido.
• As partículas que estão próximas a um destes furos comportam-se de forma muito semelhante às partículas de um gás, aquelas que estão longe de um furo agem mais como as partículas de um sólido.

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Que tipos de materiais formam líquidos em temperatura ambiente?

Três fatores determinam se uma substância é um gás, um líquido ou um sólido em temperatura ambiente e pressão atmosférica:

(1) a força das ligações entre as partículas que formam a substância

(2) o peso atômico ou molecular dessas partículas

(3) a forma dessas partículas

Quando a força de atração entre as partículas é relativamente fraca, é provável que a substância seja um gás à temperatura ambiente. Quando a força de atração é forte, é mais provável que seja um sólido. Como seria de esperar, uma substância é um líquido à temperatura ambiente quando as forças intermoleculares não são nem demasiado fortes nem demasiado fracas. O papel dos pesos atómicos ou moleculares na determinação do estado de uma substância à temperatura ambiente pode ser entendido em termos da teoria cinética molecular, que inclui o seguinte pressuposto: A energia cinética média de um conjunto de partículas de gás depende da temperatura do gás, e nada mais. Isto significa que a média da mobilidade de diferentes moléculas à mesma temperatura é inversamente proporcional à raiz quadrada dos seus pesos moleculares.

As moléculas relativamente leves movem-se tão rapidamente à temperatura ambiente que podem facilmente quebrar as ligações que as mantêm unidas num líquido ou sólido. As moléculas mais pesadas devem ser aquecidas a uma temperatura mais elevada antes de se poderem mover suficientemente rápido para escapar do líquido. Portanto, elas tendem a ter pontos de ebulição mais altos e são mais propensas a serem líquidas à 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.

Os três compostos desta figura são isómeros (literalmente, “partes iguais”). Todos eles têm a mesma fórmula química, mas estruturas diferentes. Um destes isómeros neopentano é uma molécula muito simétrica com quatro grupos CH3 idênticos dispostos num padrão tetraédrico em torno de um átomo central de carbono. Esta molécula é sosimétrica que se embala facilmente para formar um sólido. Portanto, o neopentano tem que ser resfriado somente a -16,5oC antes de se cristalizar.

As moléculas de pentano e isopentano têm estruturas em ziguezague, que diferem apenas em termos de se a cadeia de ligações C-C é linear ou ramificada. Estas moléculas menos simétricas são mais difíceis de embalar para formar um sólido, portanto estes compostos devem ser resfriados a temperaturas muito mais baixas antes de se tornarem sólidos. O pentano congela a -130oC. O isopentano deve ser resfriado a quase -160oC antes de formar um sólido.

A forma da molécula também influencia o ponto de ebulição. As neopentanemoléculas simétricas escapam do líquido da forma como os mármores podem saltar de uma caixa quando ela é sacudida vigorosamente. As moléculas de pentano e isopentano tendem a ficar emaranhadas, como cabides, e devem ser aquecidas a temperaturas mais elevadas antes de poderem ferver. As moléculas não simétricas, portanto, tendem a ser líquidas numa gama maior de temperaturas do que as moléculas que são assimétricas.

Pressão de vapor

Um líquido não precisa ser aquecido até seu ponto de ebulição antes que possa se tornar um gás. A água, por exemplo, evapora de um recipiente aberto à temperatura ambiente (20oC), embora o ponto de ebulição da água seja 100oC. Podemos explicar isto com o diagrama da figura abaixo. A temperatura de um sistema depende da energia média cinética de suas partículas. O termo média está nesta afirmação porque existe uma enorme gama de energias cinéticas para estas partículas.

Even em temperaturas bem abaixo do ponto de ebulição de um líquido, algumas das partículas estão se movendo suficientemente rápido para escapar do líquido.

Quando isto acontece, a energia cinética média do líquido diminui. Como resultado, o líquido se torna mais frio. Assim, ele absorve a energia do seu ambiente até retornar ao equilíbrio térmico. Mas assim que isto acontece, algumas das moléculas de água, uma vez mais, têm energia suficiente para escapar do líquido. Em um recipiente aberto, este processo continua até que toda a água evapore.

Num recipiente fechado, algumas das moléculas escapam da superfície do líquido toformando um gás, como mostra a figura abaixo. Eventualmente a taxa na qual o líquido se vaporiza para formar um gás torna-se igual à taxa na qual o gás se condensa para formar o líquido. Neste ponto, diz-se que o sistema está em equilíbrio (do Latino, “um estado de equilíbrio”). O espaço acima do líquido é saturado com watervapor, e não evapora mais água.

A pressão do vapor de água em um recipiente fechado em equilíbrio é chamada de pressão de vapor. A teoria molecular cinética sugere que a pressão de vapor do aliquido depende da sua temperatura. Como pode ser visto no gráfico de energia cinética versus número de moléculas, a fração das moléculas que têm energia suficiente para escapar do líquido aumenta com a temperatura do líquido. 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.