Confronto molecolare di gas, liquidi e solidi

Le particelle in un solido sono strettamente imballate insieme (forma fissa) e spesso disposte in un modello regolare; in un liquido, sono vicini insieme senza disposizione regolare (nessuna forma fissa); in un gas, sono molto distanti senza disposizione regolare (nessuna forma fissa). Le particelle in un solido vibrano su posizioni fisse (non possono fluire) e generalmente non si muovono l’una rispetto all’altra; in un liquido, si muovono l’uno oltre l’altro (possono fluire) ma rimangono in contatto essenzialmente costante; in un gas, si muovono indipendentemente l’uno dall’altro (possono fluire ed espandersi) tranne quando si scontrano.

Le differenze nelle proprietà di un solido, liquido o gas riflettono i punti di forza delle forze attrattive tra atomi, molecole o ioni che compongono ogni fase. La fase in cui esiste una sostanza dipende dalle estensioni relative delle sue forze intermolecolari (IMF) – forze elettrostatiche di attrazione esistenti tra gli atomi e le molecole di una sostanza – e dalle energie cinetiche (KE) delle sue molecole. Mentre gli IMF servono a tenere le particelle vicine tra loro, la KE delle particelle fornisce l’energia necessaria per superare l’attrazione e quindi aumentare la distanza tra le particelle. Ad esempio, in un liquido, forze intermolecolari attraenti tengono le molecole a contatto, anche se hanno ancora abbastanza KE per spostarsi l’una oltre l’altra. A causa di ciò, i liquidi scorrono e prendono la forma del loro contenitore.

Secondo la teoria cinetico-molecolare (KMT), la temperatura di una sostanza è proporzionale alla KE media delle sue particelle. Cambiare l’energia cinetica media (temperatura) induce cambiamenti nello stato fisico insieme ai cambiamenti associati nelle forze intermolecolari. Ad esempio, quando l’acqua gassosa viene raffreddata a sufficienza, o l’energia cinetica media delle molecole è ridotta, l’aumento dell’attrazione tra_{le molecole}di H 2 O sarà in grado di tenerle insieme quando entrano in contatto tra loro; il gas si condensa, formando liquido H₂O.  Quando il liquido H₂O viene ulteriormente raffreddato, le forze attraenti diventano più forti e l’acqua si congela per formare ghiaccio solido.

Nei casi in cui le temperature non sono troppo elevate, i gas possono essere liquefatti per compressione (alta pressione). I gas mostrano forze attrattive molto deboli a causa delle quali le particelle sono distribuite a grandi distanze. L’aumento della pressione avvicina le molecole di un gas, in modo che le attrazioni tra le molecole diventino forti rispetto alla loro KE. Di conseguenza, formano liquidi. Butano, C 4 H₁₀, è il_combustibileutilizzato negli accendini usa e getta ed è un gas a temperatura e pressione standard. All’interno del vano carburante dell’accendino, il butano viene compresso a una pressione che si traduce nella sua condensa allo stato liquido. Inoltre, se la temperatura di un liquido diventa sufficientemente bassa o la pressione sul liquido diventa sufficientemente alta, le molecole del liquido non hanno più abbastanza KE per superare il FMI tra loro e una forma solida.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Capitolo 10: Liquidi e Solidi.