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. I denna modell antas därför att det finns små hål av partikelstorlek som är slumpmässigt fördelade i vätskan.
• Partiklar som befinner sig nära ett av dessa hål beter sig ungefär som partiklar i en gas, de som befinner sig långt från ett hål beter sig mer som partiklar i ett fast ämne.

Vilka typer av material bildar vätskor vid rumstemperatur?

Tre faktorer avgör om ett ämne är en gas, en vätska eller ett fast ämne vid rumstemperatur och atmosfäriskt tryck:

(1) styrkan i bindningarna mellan de partiklar som bildar ämnet

(2) atom- eller molekylvikten hos dessa partiklar

(3) partiklarnas form

Om attraktionskraften mellan partiklarna är relativt svag är ämnet sannolikt en gas vid rumstemperatur. När attraktionskraften är stark är det mer sannolikt att det är ett fast ämne. Som man kan förvänta sig är ett ämne en vätska vid rumstemperatur när de intermolekylära krafterna varken är för starka eller för svaga. Den roll som atom- eller molekylvikten spelar när det gäller att bestämma ett ämnes tillstånd vid rumstemperatur kan förstås med hjälp av den kinetiska molekylteorin, som bygger på följande antagande: Den genomsnittliga kinetiska energin hos en samling gaspartiklar beror på gasens temperatur och ingenting annat. Detta innebär att den genomsnittliga hastighet med vilken olika molekyler rör sig vid samma temperatur är omvänt proportionell mot kvadratroten av deras molekylvikter.

Relativt lätta molekyler rör sig så snabbt vid rumstemperatur att de lätt kan bryta de bindningar som håller ihop dem i en vätska eller ett fast ämne. Tyngre molekyler måste värmas upp till en högre temperatur innan de kan röra sig tillräckligt snabbt för att kunna fly från vätskan. De tenderar därför att ha högre kokpunkter och är mer benägna att vara vätskor vid rumstemperatur.

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.

De tre föreningarna i figuren är isomerer (bokstavligen ”lika delar”). De har alla samma kemiska formel, men olika strukturer. En av dessa isomerer neopentan är en mycket symmetrisk molekyl med fyra identiska CH3-grupper som är arrangerade i ett tetraedriskt mönster runt en central kolatom. Molekylen är så symmetrisk att den lätt kan packas ihop till ett fast ämne. Neopentan måste därför kylas ned till endast -16,5oC innan den kristalliserar.

Pentan och isopentanmolekyler har zigzagstrukturer, som endast skiljer sig åt i fråga om huruvida kedjan av C-C-bindningar är linjär eller förgrenad. Dessa mindre symmetriska molekyler är svårare att packa för att bilda ett fast ämne, så dessa föreningar måste kylas till mycket lägre temperaturer innan de blir fasta. Pentan fryser vid -130oC. Isopentan måste kylas ned till nästan -160oC innan det bildar ett fast ämne.

Molekylens form påverkar också kokpunkten. De symmetriska neopentanmolekylerna flyr ur vätskan på samma sätt som kulor kan hoppa ut ur en låda när den skakas kraftigt. Pentan- och isopentanmolekylerna tenderar att trassla ihop sig, som klädhängare, och måste värmas upp till högre temperaturer innan de kan koka. Osymmetriska molekyler tenderar därför att vara flytande över ett större temperaturintervall än molekyler som är symmetriska.

Damptryck

En vätska behöver inte upphettas till sin kokpunkt innan den kan bli en gas.Vatten, till exempel, avdunstar från en öppen behållare vid rumstemperatur (20oC),trots att vattnets kokpunkt är 100oC. Vi kan förklara detta med hjälp av diagrammet i figuren nedan. Temperaturen i ett system beror på den genomsnittliga kinetiska energin hos dess partiklar. Termen genomsnittlig finns med i detta uttalande eftersom det finns ett enormt spann av kinetiska energier för dessa partiklar.

Även vid temperaturer långt under en vätskas kokpunkt rör sig en del av partiklarna tillräckligt snabbt för att fly från vätskan.

När detta sker minskar vätskans genomsnittliga rörelseenergi. Som ett resultat av detta blir vätskan kallare. Den absorberar därför energi från sin omgivning tills den återgår till termisk jämvikt. Men så snart detta sker har en del av vattenmolekylerna återigen tillräckligt med energi för att fly från vätskan. I en öppen behållare fortsätter denna process tills allt vatten avdunstar.

I en sluten behållare flyr en del av molekylerna från vätskans yta för att bilda en gas, vilket visas i figuren nedan. Så småningom blir hastigheten med vilken vätskan avdunstar för att bilda en gas lika stor som hastigheten med vilken gasen kondenserar för att bilda vätskan. Vid denna tidpunkt sägs systemet vara i jämvikt (från latin, ”ett tillstånd av balans”). Utrymmet ovanför vätskan är mättat med vattenånga och inget mer vatten avdunstar.

Vattenångens tryck i en sluten behållare vid jämvikt kallas ångtryck. Enligt den kinetiska molekylteorin beror ångtrycket för en vätska på dess temperatur. Som framgår av grafen över den kinetiska energin i förhållande till antalet molekyler ökar fraktionen av de molekyler som har tillräckligt med energi för att fly från en vätska med vätskans temperatur. 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.