Pourquoi loxygène et lhydrogène sont-ils compressibles, mais leau est à peine compressible

Le la force entre deux atomes (non réactifs) est approximativement donnée par le potentiel de Lennard-Jones , et cela varie avec la séparation des atomes quelque chose comme ceci:

(cette image est tirée de larticle Wikipédia que jai lié ci-dessus). Dans le diagramme, le paramètre $ \ sigma $ peut être considéré comme la taille de latome, donc la valeur sur laxe $ x $ de $ r / \ sigma = 1 $ est le point où les atomes entrent en contact. Lorsque les atomes sont éloignés, il y a une très légère attraction, mais dès que les atomes entrent en contact, il y a une forte répulsion et il est très difficile de rapprocher les atomes.

Soyez prudent à propos de prendre cela de manière trop itérative car les atomes sont des objets quelque peu flous et nont pas de taille exacte. il nen reste pas moins quil y a une distance entre les atomes à laquelle ils commencent soudainement à se repousser fortement.

Revenons maintenant à votre question. Pour des gaz presque parfaits comme loxygène et lhydrogène à température et pression standard, une mole (soit 6,023 $ \ fois 10 ^ {23} $ molécules) occupe environ 22,4 litres. Cela signifie que lespacement moyen entre les molécules est denviron 3 nm. La taille dune molécule doxygène est très approximativement (elles ne sont pas sphériques) 0,3 nm, donc lespacement entre les molécules est environ 10 fois leur taille. Cest loin à droite sur le graphique ci-dessus, et cela signifie les forces entre eux sont faibles et il est très facile de les pousser ensemble. Cest pourquoi les gaz peuvent être facilement comprimés.

Considérez maintenant de leau. Une mole deau (0,018 kg) occupe environ 18 ml, donc lespacement entre les molécules de l’eau est d’environ 0,3 nm – en d’autres termes, elles sont en contact les unes avec les autres. C’est le point où les molécules commencent à se repousser les unes les autres, ce qui rend difficile leur rapprochement. C’est pourquoi leau nest pas facilement compressée.

Vous demandez comment compresser un mélange doxygène (nayant pas réagi) et dhydrogène. Eh bien, si vous compressez suffisamment loxygène, il se liquéfie, et la densité de oxygène liquide est denviron 1140 kg / m $ ^ 3 $. Cela rend lespacement entre les molécules doxygène denviron 0,35 nm. Cet espacement est à peu près identique à la taille des molécules O $ _2 $, il est donc difficile de compresser loxygène liquide. Vous pouvez répéter ce calcul pour hydrogène liquide (densité denviron 71 kg / m $ ^ 3 $) et vous obtenez un résultat très similaire. En fait, je mattendrais à ce que lhydrogène liquide soit plus compressible que loxygène liquide et leau, car la molécule H $ _2 $ est nettement plus petite. Cependant, un rapide Google na pas réussi à trouver les valeurs du module de masse de lhydrogène liquide.

La densité moyenne de leau liquide est denviron 1000 $ kg / m ^ 3 $. La densité moyenne de lair est denviron 1 $ kg / m ^ 3 $. Leau liquide est donc environ 1000 fois plus dense que le gaz. Lorsque vous compressez leau liquide ensemble, les forces moléculaires deviennent très fortes, ce qui lempêche dêtre comprimé Cependant, pour un gaz, les molécules sont si éloignées que les forces sont beaucoup plus petites (la principale raison pour laquelle un gaz ne peut pas être comprimé est due à l’énergie cinétique des molécules en le gaz).

Commentaires

• La densité moyenne dhydrogène et doxygène comprimés est-elle quelque chose comme 1000 $ kg / m ^ 3 $?
• Je pense que vous voulez dire si cest quelque chose comme $ 1kg / m ^ 3 $ et oui.Lair est composé de ces particules et correspond à la même phase. Les densités d’air et d’air comprimé ne devraient ' pas être décalées de plus d’un ordre de grandeur.
• En fait, je voulais dire que si vous mélangez de l’oxygène et de l’hydrogène et le compresser, cela aurait-il la même densité que leau?
• @QuoraFea: Pourquoi vous attendriez-vous à ce que ce soit le même?
• Seulement si vous pouviez le compresser suffisamment pour le forcer à subir un changement de phase.

Le modèle de base dun gaz contenant des particules de gaz individuelles Ninteragissez pas. Comme dans: il y a suffisamment despace entre les molécules, pour quelles passent la plupart de leur temps à voyager en ligne droite, sans se cogner, cest-à-dire quil y a beaucoup despace entre les particules. Dans cet esprit, il « Ce nest pas surprenant quun gaz soit compressible.

Si vous comprenez suffisamment votre gaz (et abaissez la température), les particules finiront par se rapprocher suffisamment pour commencer à sattirer les unes les autres, puis votre gaz se transforme dans un liquide. Vous ne pouvez pas compresser un liquide autant simplement parce quil ny a pas autant despace entre les particules.

En résumé

Gaz: beaucoup despace entre les particules -> compressibles

Liquides: très peu despace entre les particules -> non compressible