Молекулярное сравнение газов, жидкостей и твердых тел

Частицы в твердом состоянии плотно упаковываны вместе (в фиксированную форму) и часто упорядочены по общему шаблону; в жидкости они находятся близко друг к другу без регулярного расположения (без фиксированной формы); в газе они находятся далеко друг от друга без регулярного расположения (без фиксированной формы). Частицы в твердой вибрации в фиксированных положениях (не могут протекать) и обычно не перемещаются относительно друг друга; в жидкости они перемещаются друг за другом (могут протекать), но остаются в практически постоянном контакте; в газе они перемещаются независимо друг от друга (могут протекать и расширяться), за исключением случаев столкновения.

Различия в свойствах твердого тела, жидкости или газа отражают сильные стороны силы притяжения между атомами, молекулами или ионами, образующими каждую фазу. Фаза, в которой существует вещество, зависит от относительных границ его межмолекулярных сил (ММС) — электростатических сил притяжения, существующих между атомами и молекулами вещества, — и кинетических энергий (КЕ) его молекул. В то время как ММС служат для удержания частиц близко друг к другу, KE частиц обеспечивает энергию, необходимую для преодоления притяжения и, таким образом, увеличения расстояния между частицами. Например, в жидкости, привлекательные межмолекулярные силы удерживают молекулы в контакте, хотя у них все еще достаточно KE, чтобы пройти друг за другом. Из-за этого жидкости текуют и принимают форму контейнера.

Согласно молекулярно-кинетической теории (KMT), температура вещества пропорциональна среднему KE его частиц. Изменение средней кинетической энергии (температуры) вызывает изменения в физическом состоянии наряду с соответствующими изменениями межмолекулярных сил. Например, когда газообразная вода достаточно охлаждается, или средняя кинетическая энергия молекул уменьшается, повышенное притяжение между молекулами H2O будет способно удерживать их вместе, когда они соприкасаются друг с другом; газ конденсируется, образуя жидкость H2O.  При дальнейшем охлаждении жидкости H2O силы притяжения становится сильнее, и вода замерзает, образуя твердый лед.

В случаях, когда температура не слишком высока, газы могут сжижаться путем сжатия (высокого давления). Газы обладают очень слабыми силами притяжения, из-за которых частицы разлетаются на большие расстояния. Повышенное давление сближает молекулы газа, так что притяжение между молекулами становится более сильным по сравнению с их KE. Следовательно, они образуют жидкости. Бутан, C ₄ H ₁₀ , является топливом, используемым в одноразовых зажигалках, и представляет собой газ при стандартной температуре и давлении. Внутри топливного отсека зажигалки бутан сжимается до давления, которое приводит к его конденсации в жидкое состояние. Более того, если температура жидкости становится достаточно низкой или давление на жидкость становится достаточно высоким, молекулы жидкости больше не имеют достаточного KE, чтобы преодолеть IMF между ними и твердое тело.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Глава 10: Жидкости и твердые вещества.