2013年7月20日 星期六

液態 The Liquid State

化學原理啟迪403
1.     液體和溶液對維繫我們的生命至關重要。水是最重要的液體,水除了對生命十分重要外,水也是烹調食物的媒介,水是運輸的工具,水在許多機械與工業製造流程負責冷卻,水也可用於娛樂(游泳、衝浪、打水槍、水球……),水還有清洗等其他用途。
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2.     液體有許多特質,這些特質能幫助我們瞭解液體的天性。我們已經提過的液體特徵有低壓縮性、柔軟,液體與氣體相比是高密度的。關於液體許多性質的資訊,證明液體分子間存在一股力量。
3.     舉例來說,當液體傾倒到固體表面,液體會在固體表面凝結成許多小水滴,這是分子間的作用力造成的現象。
4.     液體裡面的分子,是完全被周遭的其他分子包圍的;液體表面的水分子,則只有被旁邊與下面的水分子吸引。
5.     表面水分子受到的不平均的拉力,將表面的水分子往水體內拉,使水體的表面積縮到最小,變成圓球型的水滴。
6.     如果水滴要增加表面積,水分子必須從液體裡面轉移到表面,這需要額外灌注能量,因為分子需要跨越分子間的引力才能移動位置。
7.     液體抗阻表面積增加的力量,稱為表面張力surface tension。我們合理地預期,分子間引力較強的液體,表面張力也較大(比較會保持水滴的圓球形狀)。
8.     極性液體會展現出毛細現象capillary action的性質,毛細現象是指液體沿著狹窄的管道自然往上爬升的特質。
9.     極性液體的毛細現象與二種力量有關:1.內聚力cohesive forces,液態分子間的作用力;2.附著力adhesive forces,液態分子與容器間的作用力。
10. 當容器的表面是由帶極性鍵的物質做成,極性液態分子與容器表面的附著力最強,舉例來說,玻璃含有很多氧原子,氧原子身上帶有負電荷,能夠吸引極性分子帶正電的一端,舉例來說,就是這種極性分子。
11. 水能夠與玻璃上的氧互相吸引,讓水可以沿著玻璃管壁往上爬;然而,水與玻璃互動的「附著力」增加表面積的傾向,與水的「內聚力」減少表面積的的傾向,二者是相反的。
12. 因為水一方面有強大的內聚力,另一方面與玻璃之間又有強大的附著力,因此水能沿著玻璃毛細管,自己拉自己往上爬,爬上去的水位重量(地心引力),剛好等於水被玻璃表面吸引的力量(附著力)。
13. 玻璃管中的水,水面是凹下去的,顯示出水對玻璃的附著力,比水分子間的內聚力更強。玻璃管中裝的若是非極性液體,例如水銀,液體表面是凸起的,這是因為非極性液體的內聚力,強於它們與玻璃管的吸附力。
14. 液體的另一個特質與分子間強烈作用力有關,稱為黏度viscosity,這是液體凝滯難以流動的指標。液體分子間的引力愈強,黏稠度愈高。
15. 舉例來說,甘油的黏度異常地高,主要是因為甘油分子之間能形成許多氫鍵。

16. 大型分子也會有比較高的黏度,因為大型分子會互相糾纏。舉例來說,無黏性的汽油,裡面的分子是CH3(CH2)nCH3n數值從38。而油脂這種非常黏稠的液體,裡面的分子CH3(CH2)nCH3大非常多,n的數值從2025
17. 從許多方面來看,要建立「液體」模型的難度高於其他相「固體」、「氣體」。氣態分子彼此的距離很遠,而且分子移動速度非常快,因此多數情況下,分子間的引力可以忽略,這代表我們可以用比較簡單的模型描述氣體。
18. 固態物質,雖然分子間的作用力很強,分子們的運動卻很小(只在固定的位置微幅振動),因此同樣可用簡單的模型描述。
19. 液態下的分子,分子間的作用力強,而且分子的運動也相當激烈,這讓液體無法用簡單的模型描述。光譜技術的進步,讓我們可藉由光譜技術捕捉到液態物質的迅速變化,也因此讓液體模型變得更為精確。
20. 發展液體模型的一開始,先將液體看成類似固體那樣的物質,在某個大區塊內排列許多組成分子,分子間的排列沒有固體那麼整齊,比較凌亂一些。液體的小區塊內,許多分子間有小空隙。
21. 無論是液體的大區塊或小區塊,裡面的分子都是高度動態的、會迅速變化的。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/2012books.lardbucket.orgGlencoe.mcgraw-hill.com

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