Varför är syre och väte komprimerbara, men vatten är knappt komprimerbart

kraft mellan två (icke-reagerande) atomer ges ungefär av Lennard-Jones potential , och detta varierar med separationen av atomer ungefär så här:

(den här bilden är från Wikipedia-artikeln jag länkade ovan). I diagrammet kan parametern $ \ sigma $ betraktas som storleken på atomen, så värdet på $ x $ axeln $ r / \ sigma = 1 $ är den punkt där atomerna kommer i kontakt. När atomerna är långt ifrån varandra finns det en mycket liten attraktion, men så snart atomerna kommer i kontakt finns det en kraftig avstötning och det är väldigt svårt att skjuta atomerna närmare varandra.

Var försiktig om att ta detta alltför iteralt eftersom atomer är lite otydliga föremål och inte har en exakt storlek. ändå kvarstår poängen att det finns ett avstånd mellan atomerna där de plötsligt börjar stöta varandra kraftigt.

Nu tillbaka till din fråga. För nästan ideala gaser som syre och väte vid standardtemperatur och tryck upptar en mol (det vill säga $ 6,023 \ gånger 10 ^ {23} $ molekyler) cirka 22,4 liter. Detta betyder att det genomsnittliga avståndet mellan molekyler är cirka 3 nm. Storleken på en syremolekyl är väldigt ungefär (de är inte sfäriska) 0,3 nm, så avståndet mellan molekylerna är ungefär tio gånger deras storlek. Det är vägen till höger i diagrammet ovan, och det betyder krafterna mellan dem är låga och det är väldigt enkelt att skjuta ihop dem. Det är därför som gaser lätt kan komprimeras.

Tänk nu på vatten. En mol vatten (0,018 kg) upptar cirka 18 ml, så avståndet mellan molekylerna i vatten är ungefär 0,3 nm – med andra ord de är i kontakt med varandra. Detta är den punkt där molekylerna börjar stöta på varandra strängt, och det gör det svårt att driva dem närmare varandra. Det är därför vatten komprimeras inte lätt.

Du frågar om att komprimera en blandning av (oreagerat) syre och väte. Tja, om du komprimerar tillräckligt med syre så flyter det och densiteten för flytande syre är ungefär 1140 kg / m $ ^ 3 $. Detta gör avståndet mellan syremolekyler cirka 0,35 nm. Detta avstånd är ungefär lika stort som O $ _2 $ -molekylerna så det är svårt att komprimera flytande syre. Du kan upprepa denna beräkning för flytande väte (densitet ca 71 kg / m $ ^ 3 $) och du får ett mycket liknande resultat. Egentligen skulle jag förvänta mig att flytande väte skulle vara mer komprimerbart än flytande syre och vatten eftersom H $ _2 $ -molekylen är betydligt mindre. Men en snabb Google misslyckades med att hitta värden för bulkmodulen av flytande väte.

Medeltätheten för flytande vatten är cirka 1000 $ kg / m ^ 3 $. Den genomsnittliga lufttätheten är cirka $ 1 kg / m ^ 3 $. Så flytande vatten är ungefär 1000 gånger tätare än gas. När du komprimerar flytande vatten ihop blir molekylkrafterna mycket starka och hindrar det från att komprimeras För en gas är emellertid molekylerna så långt ifrån varandra att krafterna är mycket mindre (den främsta anledningen till att en gas inte kan komprimeras beror på molekylernas kinetiska energi i gasen. >

Grundmodellen för en gas som enskilda gaspartiklar interagerar inte. Som i: det finns tillräckligt med utrymme mellan molekyler, så att de tillbringar större delen av sin tid på att resa i raka linjer utan att stöta på varandra, dvs. det finns mycket utrymme mellan partiklar. ”Det är inte förvånande att en gas är komprimerbar.

Om du komprimerar din gas tillräckligt (och sänker temperaturen) kommer så småningom partiklarna att komma så nära att de börjar attrahera varandra, och sedan blir din gas i en vätska. Du kan inte komprimera en vätska så mycket helt enkelt för att det inte finns så mycket utrymme mellan partiklar.

Sammanfattningsvis

Gaser: mycket utrymme mellan partiklar -> komprimerbara

Vätskor: mycket litet utrymme mellan partiklar -> ej komprimerbara