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
| Solid (g/cm3) | Liquid (g/cm3) | Gas (g/cm3) | ||||
| Ar | 1.65 | 1.40 | 0.001784 | |||
| N2 | 1.026 | 0.8081 | 0.001251 | |||
| O2 | 1.426 | 1.149 | 0.001429 |
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. Prin urmare, acest model presupune că există găuri mici, de mărimea particulelor, distribuite aleatoriu prin lichid.
- Particulele care sunt aproape de una dintre aceste găuri se comportă în același mod ca și particulele dintr-un gaz, iar cele care sunt departe de o gaură se comportă mai mult ca particulele dintr-un solid.
Ce tipuri de materiale formează lichide la temperatura camerei?
Trei factori determină dacă o substanță este un gaz, un lichid sau un solid la temperatura camerei și la presiunea atmosferică:
(1) puterea legăturilor dintre particulele care formează substanța
(2) greutatea atomică sau moleculară a acestor particule
(3) forma acestor particule
Când forța de atracție dintre particule este relativ slabă, este probabil ca substanța să fie un gaz la temperatura camerei. Atunci când forța de atracție este puternică, este mai probabil ca aceasta să fie un solid. Așa cum era de așteptat, o substanță este un lichid la temperatura camerei atunci când forțele intermoleculare nu sunt nici prea puternice, nici prea slabe. Rolul greutății atomice sau moleculare în determinarea stării unei substanțe la temperatura camerei poate fi înțeles prin prisma teoriei cinetice moleculare, care include următoarea ipoteză: Energia cinetică medie a unei colecții de particule de gaz depinde de temperatura gazului și nimic altceva. Aceasta înseamnă că viteza medie cu care se deplasează diferite molecule la aceeași temperatură este invers proporțională cu rădăcina pătrată a greutății lor moleculare.
Moleculele relativ ușoare se mișcă atât de rapid la temperatura camerei încât pot rupe cu ușurință legăturile care le țin împreună într-un lichid sau solid. Moleculele mai grele trebuie să fie încălzite la o temperatură mai ridicată înainte de a se putea mișca suficient de repede pentru a scăpa din lichid. Prin urmare, ele tind să aibă puncte de fierbere mai ridicate și sunt mai susceptibile de a fi lichide la temperatura camerei.
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
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gases at room temperature | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| liquids at room temperature | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
|
Cei trei compuși din această figură sunt izomeri (literal, „părți egale”). Toți au aceeași formulă chimică, dar structuri diferite. Unul dintre acești izomeri 
neopentanul este o moleculă foarte simetrică, cu patru grupe CH3 identice dispuse într-un model tetraedric în jurul unui atom de carbon central. Această moleculă este sosimetrică încât se împachetează cu ușurință pentru a forma un solid. Prin urmare, neopentanul trebuie să fie răcit la numai -16,5oC înainte de a cristaliza.
Molculele de pentan și izopentan au structuri în zigzag, care diferă doar în ceea ce privește dacă lanțul de legături C-C este liniar sau ramificat. Aceste molecule mai puțin simetrice sunt mai greu de împachetat pentru a forma un solid, astfel încât acești compuși trebuie să fie răciți la temperaturi mult mai scăzute înainte de a deveni solide. Pentanul îngheață la -130oC. Isopentanultrebuie să fie răcit la aproape -160oC înainte de a forma un solid.
Forma moleculei influențează, de asemenea, punctul de fierbere. Neopentanemoleculele simetrice scapă din lichid așa cum bilele ar putea să iasă dintr-o cutie atunci când aceasta este agitatăviguros. Moleculele de pentan și izopentan tind să se încurce, ca niște umerașe,și trebuie încălzite la temperaturi mai ridicate înainte de a putea fierbe. Prin urmare, moleculele nesimetrice tind să fie lichide pe o gamă mai largă de temperaturi decât moleculele care sunt simetrice.
Presiunea de vaporizare
Un lichid nu trebuie să fie încălzit până la punctul de fierbere înainte de a deveni un gaz.Apa, de exemplu, se evaporă dintr-un recipient deschis la temperatura camerei (20oC),chiar dacă punctul de fierbere al apei este de 100oC. Putem explica acest lucru cu ajutorul diagramei din figura de mai jos. Temperatura unui sistem depinde de energia cinetică medie a particulelor sale. Termenul de medie se află în această afirmație deoarece există o gamă enormă de energii cinetice pentru aceste particule.
Chiar și la temperaturi mult sub punctul de fierbere al unui lichid, unele dintre particulese mișcă suficient de repede pentru a scăpa din lichid.
Când se întâmplă acest lucru, energia cinetică medie a lichidului scade. Ca urmare, lichidul devine mai rece. Prin urmare, acesta absoarbe energie din mediul înconjurător până când revine la echilibrul termic. Dar imediat ce se întâmplă acest lucru, unele dintre moleculele de apă au din nou suficientă energie pentru a scăpa din lichid. Într-un recipient deschis, acest proces continuă până când toată apa se evaporă.
Într-un recipient închis, unele dintre moleculele de apă scapă de pe suprafața lichidului pentru a forma un gaz, așa cum se arată în figura de mai jos. În cele din urmă, viteza cu care lichidul se evaporă pentru a forma un gaz devine egală cu viteza cu care gazul se condensează pentru a forma lichidul. În acest moment, se spune că sistemul se află în echilibru (din latină, „o stare de echilibru”). Spațiul de deasupra lichidului este saturat cu vapori de apă și nu se mai evaporă apă.
Presiunea de vapori a unui lichid este literalmente presiunea gazului (sau a vaporilor) care se adună deasupra lichidului într-un recipient închis, la o anumită temperatură.
Presiunea vaporilor de apă într-un recipient închis la echilibru se numește presiune de vapori. Teoria cinetică moleculară sugerează că presiunea de vapori a unui aliquid depinde de temperatura acestuia. După cum se poate observa în graficul energiei cinetice în funcție de numărul demolecule, fracțiunea de molecule care au suficientă energie pentru a scăpa dintr-un lichid crește odată cu temperatura lichidului. 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.
