Яка особливість молекулярної будови газів пояснює. Будова газів, рідин та твердих тіл

У завданнях даного розділу підкреслюють головним чином думка, що молекули в газах розташовані великих відстанях, ніж у рідинах і твердих тілах, сили тяжіння з-поміж них незначні і тому гази займають великий обсяг. (Аналогічне твердження щодо рідин та твердих тіл, взагалі кажучи, неправильне. Для твердих тіл величезне значення має також порядок розташування молекул.)

Друге поняття, яке формують у VI класі під час вирішення завдань у цьому розділі, - відмінність у характері руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах.

58(е). Пересуваючи за допомогою палички пробку в картопляному пістолеті (рис. 14), спостерігайте зменшення обсягу повітря. Виконайте аналогічний досвід, наповнюючи трубку водою. Поясніть різницю у стисливості води та повітря на основі молекулярної будови речовин.

59. Як пояснити, що пара, що вийшла під час кипіння води, займає приблизно в 1700 разів більший об'єм, ніж вода при температурі кипіння?

Відповідь. Молекули пари розташовані настільки великих відстанях друг від друга, що сили тяжіння з-поміж них незначні і тому що неспроможні викликати конденсацію пари за даної температурі (при даної швидкості руху молекул).

60(е). У метрову скляну трубку налийте до половини води, а зверху спирту і перемішайте їх. Як змінився обсяг рідини після цього? Поясніть, чому.

Відповідь. Загальний обсяг зменшився внаслідок більш щільної упаковки молекул.

61. Вчений Бріджмен з величезною силою стискав у сталевому циліндрі олію. Як пояснити, що частинки масла виступали на зовнішніх стінках циліндра, хоч у них не було тріщин?

62. Якщо притиснути одна до одної пластинки свинцю і золота, через деякий час у золоті можна знайти молекули свинцю, а свинці - молекули золота. Поясніть, чому.

Розв'язання задач 61 та 62. У твердих тілах та рідинах між молекулами, незважаючи на їх щільну упаковку, є невеликі проміжки. Молекули здійснюють рухи насамперед коливальні. Картина нагадує людей у ​​наповненому автобусі, які, незважаючи на тісноту, переміщаються, міняючись місцями один з одним або проходячи в проходи, що випадково утворилися.

63(е). Розгляньте платівку слюди і розщепите її на тонші листочки. Розбийте і розгляньте шматочки великої кухонної солі. Як на основі молекулярної будови речовини можна пояснити неоднакові властивості слюди та солі з різних напрямків?

64(е). Розбийте шматок вару і поясніть, чому на зламі завжди утворюється гладка поверхня.

Відповідь. Вар - густа рідина, тому його молекули не утворюють правильно чергуються шарів, як у кристалічному тілі.

Рідина займає за властивостями та будовою проміжне положення між газами та твердими кристалічними речовинами. Тому має властивості як газоподібних, так і твердих речовин. У молекулярно-кінетичній теорії різні агрегатні стани речовини пов'язують із різним ступенем упорядкованості молекул. Для твердих тіл спостерігається так званий далекий порядоку розташуванні частинок, тобто. їхнє впорядковане розташування, що повторюється на великих відстанях. У рідинах має місце так званий ближній порядоку розташуванні частинок, тобто. їх упорядковане розташування, що повторюється на відстанях, можна порівняти з міжатомними. При температурах, близьких до температури кристалізації, структура рідини близька до твердого тіла. За високих температур, близьких до температури кипіння, структура рідини відповідає газоподібному стану – практично всі молекули беруть участь у хаотичному тепловому русі.

Рідини, подібно до твердих тіл, мають певний об'єм, а подібно до газів, набувають форми судини, в якій вони знаходяться. Молекули газу практично не пов'язані між собою силами міжмолекулярної взаємодії, і в даному випадку середня енергія теплового руху молекул газу набагато більша за середню потенційну енергію, обумовлену силами тяжіння між ними, тому молекули газу розлітаються в різні боки і газ займає наданий йому обсяг. У твердих і рідких тілах сили тяжіння між молекулами вже суттєві та утримують молекули на певній відстані одна від одної. У цьому випадку середня енергія теплового руху молекул менша за середню потенційну енергію, обумовлену силами міжмолекулярної взаємодії, і її недостатньо для подолання сил тяжіння між молекулами, тому тверді тіла та рідини мають певний об'єм.

Тиск у рідинах зі збільшенням температури та зменшенням обсягу зростає дуже різко. Об'ємне розширення рідин набагато менше, ніж парів і газів, так як більші сили, що зв'язують молекули в рідині; те саме зауваження стосується теплового розширення.

Теплоємності рідин зазвичай ростуть із температурою (хоча й незначно). Відношення З р/З V практично одно одиниці.

Теорія рідини досі повністю не розвинена. Розробка низки проблем у вивченні складних властивостей рідини належить Я.І. Френкелю (1894-1952). Тепловий рух у рідині він пояснював тим, що кожна молекула протягом деякого часу коливається біля певного положення рівноваги, після чого стрибком переходить у нове положення, що віддаляється від вихідного на відстані міжатомного порядку. Таким чином, молекули рідини досить повільно переміщуються по всій масі рідини. З підвищенням температури рідини частота коливального руху різко збільшується, зростає рухливість молекул.

На основі моделі Френкеля можна пояснити деякі відмітні особливостівластивостей рідини. Так, рідини навіть поблизу критичної температури володіють набагато більшою. в'язкістю, Чим гази, і в'язкість зі зростанням температури зменшується (а не зростає, як у газів). Пояснюється це іншим характером процесу передачі імпульсу: він передається молекулами, що здійснюють перескок з одного рівноважного стану до іншого, а ці перескоки зі зростанням температури значно частішають. Дифузіяу рідинах відбувається лише за рахунок перескоків молекул, і вона відбувається набагато повільніше, ніж у газах. Теплопровідністьрідин обумовлена ​​обміном кінетичної енергії між частинками, що коливаються біля своїх положень рівноваги з різними амплітудами; різкі перескоки молекул помітної ролі не грають. Механізм теплопровідності схожий механізм її у газах. Характерною особливістю рідини є її здатність мати вільну поверхню(Не обмежену твердими стінками).

Було запропоновано кілька теорій молекулярної будови рідин.

1. Зонна модель.На даний час рідина можна розглядати як що складається з областей, де молекули розташовані в правильному порядку, утворюючи свого роду мікрокристал (зона). Ці області хіба що розділені речовиною, що у газоподібному стані. З часом ці області утворюються інших місцях тощо.

2. Теорія квазікристалічної будови.Розглянемо кристал, що знаходиться за абсолютного нуля температури (див. рис.9.9.)

У разі рідини (рис.9.9, в) поблизу кожної молекули її сусідки розташовані більш менш закономірно, але вдалині цей порядок порушується (ближній порядок). На графіку відстані виміряно у частках радіусу молекули (r/r 0).

3. Термодинамічна модель. У цій теорії вводять величину - радіальна функція розподілу- ймовірність виявити деяку пару атомів на відстані від R до R+dR

де можна розглядати як деяку «локальну концентрацію молекул з відривом r від «обраної»: отже, радіальна функція розподілу f(R) дорівнює відношенню концентрацій: «локальної» рідини.

Звичайні рідини ізотропні, структурно є аморфними тілами. Для внутрішньої будови рідин характерний ближній порядок розташування молекул (упорядковане розташування найближчих частинок). Відстані між молекулами невеликі, сили взаємодії значні, що призводить до малої стисливості рідин: невелике зменшення відстані між молекулами викликає появу великих сил міжмолекулярного відштовхування.

Подібно твердим тілам, рідини мало стисливі і мають велику щільність, подібно до газів, набувають форми судини, в якій знаходяться. Такий характер властивостей рідин пов'язані з особливостями теплового руху їх молекул. У газах молекули рухаються безладно, на малих відрізках шляху - поступально, у розташуванні частинок відсутня будь-який порядок. У кристалічних тілах частки коливаються у певних положень рівноваги - вузлів кристалічних ґрат. За теорією Я. І. Френкеля молекули рідини, подібно до частинок твердого тіла, коливаються біля положень рівноваги, проте ці положення рівноваги не є постійними. Після деякого часу, званого часом «осілого життя», молекула стрибком переходить у нове положення рівноваги на відстань, що дорівнює середній відстані між сусідніми молекулами.

Обчислимо середню відстань між молекулами рідини. Можна подумки уявити весь об'єм рідини розділеним на невеликі однакові кубики з ребром 8. Нехай середньому кожному кубику перебуває одна молекула. У цьому випадку можна розглядати як середню відстань між молекулами рідини. Об'єм рідини дорівнює V = δ 3 N, де N - загальна кількість молекул рідини. Якщо n - концентрація молекул (кількість молекул 1 м 3 ), то N = nV. З цих рівнянь отримуємо

Де τ 0 - середній період коливань молекули біля положення рівноваги.

Ця швидкість мала порівняно із середньою швидкістю руху молекул у газі. Так, наприклад, для молекул води вона у 20 разів менша, ніж для молекул пари при тій же температурі.

Поверхневий натяг

На поверхнях розділу рідини та її насиченої пари, двох незмішуваних рідин, рідини та твердого тіла виникають сили, обумовлені різною міжмолекулярною взаємодією середовищ, що межують.

Кожна молекула, розташована всередині об'єму рідини, рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними, але цих сил дорівнює нулю. На молекулу, що знаходиться поблизу кордону двох середовищ, внаслідок неоднорідності оточення діє сила, не компенсована іншими молекулами рідини. Тому для переміщення молекул з об'єму поверхневий шар необхідно зробити роботу.

Поверхневий натяг (коефіцієнт поверхневого натягу) визначається ставленням роботи, витраченої на створення деякої поверхні рідини при постійній температурі до площі цієї поверхні:

Умовою стійкої рівноваги рідин є мінімум енергії поверхневого шару, тому за відсутності зовнішніх сил або в стані невагомості рідина прагне мати Мінімальну площу поверхні при даному обсязі та набуває форми кулі.

Поверхневий натяг може бути визначений як енергетично. Прагнення поверхневого шару рідини скоротитися означає наявність у цьому шарі дотичних сил – сил поверхневого натягу. Якщо вибрати на поверхні рідини певний відрізок довжиною l (рис. 7.8), можна умовно зобразити ці сили стрілками, перпендикулярними відрізку.

Будова газів, рідин та твердих тіл. Особливості структури розчинів. Поняття про «реактивне поле»
Теорія будови рідин: порівняння зі структурою газів та твердих тіл Будова (структура) рідин. Структура рідин є нині предметом пильного вивчення фізико-хіміків. Для досліджень у цьому напрямі використовуються найсучасніші методи, включаючи спектральні (ІЧ, ЯМР, розсіювання світла різних довжин хвиль), розсіювання ренгенівських променів, квантово-механічних та статистичних методів розрахунку тощо. Теорія рідин розроблена набагато гірше, ніж газів, оскільки властивості рідин залежать від геометрії та полярності взаємно близько розташованих молекул. Крім того, відсутність певної структури рідин ускладнює їх формалізований опис – у більшості підручників рідинам приділено набагато менше місця, ніж газам та твердим кристалічним речовинам. Які ж особливості кожного із трьох агрегатних станів речовини: твердого тіла, рідини та газу. (Таблиця)
1) Тверде: тіло зберігає об'єм та форму
2) Рідина зберігають об'єм, але легко змінюють форму.
3) Газ немає ні форми ні обсягу.

Ці стани однієї й тієї ж речовини відрізняються не сортністю молекул (вона однакова), а тим, як молекули розташовані і рухаються.
1) У газах відстань між молекулами набагато більша за розміри самих молекул
2) Молекули рідини не розходяться великі відстані і рідина у звичайних умовах зберігає свій обсяг.
3) Частинки твердих тіл розташовані у порядку. Кожна з частинок рухається біля певної точки в кристалічній решітці, подібно до маятника годинника, тобто коливається.
При зниженні температури рідини тверднуть, а при підвищенні температури кипіння переходять в газоподібний стан. Вже цей факт вказує на те, що рідини займають проміжне положення між газами та твердими тілами, відрізняючись від того та іншого. Однак рідина має риси схожості з кожним із цих станів.
Існує така температура, за якої межа між газом і рідиною повністю зникає. Це так звана критична точка. Для кожного газу відома температура, вище якої він не може бути рідким за жодного тиску; при цій критичній температурі зникає межа (меніск) між рідиною та її насиченою парою. Існування критичної температури ("температури абсолютного кипіння") встановив Д. І. Менделєєв у 1860 р. Друга властивість, що поєднує рідини та гази - це ізотропність. Тобто, на перший погляд, можна припустити, що рідини ближче до газів, ніж до кристалів. Як і гази, рідини ізотропні, тобто. їх властивості у всіх напрямках однакові. Кристали, навпаки, анізотропні: показник заломлення, стисливість, міцність та багато інших властивостей кристалів у різних напрямках виявляються різними. Тверді кристалічні речовини мають упорядковану структуру з елементами, що повторюються, що дозволяє досліджувати їх методом дифракції рентгенівських променів (метод рентгеноструктурного аналізу, використовується з 1912 р.).

Що спільного у рідин та газів?
А) Ізотропність. Властивості рідини, як і газів, однакові в усіх напрямках, тобто. ізотропні, на відміну від кристалів, які є анізотропними.
Б) Рідини, подібно до газів, не мають певної форми і набувають форми судини (низька в'язкість і висока плинність).
Молекули та рідини та газу здійснюють досить вільні переміщення, стикаючись один з одним. Раніше вважалося, що у межах обсягу, займаного рідиною, будь-яка відстань, перевищує суму їх радіусів, приймалося рівноймовірним, тобто. тенденція до впорядкованого розташування молекул заперечувалося. Тим самим, рідини та гази певною мірою протиставлялися кристалам.
З розвитком досліджень дедалі більше фактів вказувало наявність подібності між будовою рідин і твердих тіл. Наприклад, значення теплоємностей та коефіцієнтів стисливості, особливо поблизу температури плавлення, практично збігаються один з одним, тоді як ці величини для рідини та газу різко відрізняються.
Вже з цього прикладу можна зробити висновок, що картина теплового руху в рідинах при температурі близької до температури затвердіння, нагадує собою тепловий рух у твердих тілах, а не в газах. Поряд з цим, можна відзначити і такі суттєві відмінності між газоподібним та рідким станом речовини. У газах молекули розподілені простором абсолютно хаотично, тобто. останній вважається прикладом безструктурної освіти. Рідина все ж таки має певну структуру. Експериментально це підтверджується дифракцією ренгенівських променів, яка показує принаймні один чіткий максимум. Структура рідини – це спосіб розподілу її молекул у просторі. Таблиця ілюструє подібності та відмінності газового та рідкого станів.
Газова фаза Рідка фаза
1. Відстань між молекулами l зазвичай (для невисоких тисків) набагато більша за радіус молекули r: l  r ; Майже весь обсяг V, зайнятий газом, є вільний обсяг. У рідкій фазі, навпаки, l 2. Середня кінетична енергія частинок, що дорівнює 3/2kT , більша за потенційну енергію U їхньої міжмолекулярної взаємодії Потенційна енергія взаємодії молекул більша за середню кінетичну енергію їхнього руху: U3/2 kT
3. Частинки стикаються при їх поступальному русі, фактор частоти зіткнень залежить від маси частинок, їх розмірів і температури Кожна частка здійснює коливальний рух у клітині, яку створюють навколишні молекули. Амплітуда коливання a залежить від вільного об'єму, a  (Vf/ L)1/3
4. Дифузія частинок відбувається в результаті їх поступального руху, коефіцієнт дифузії D 0,1 - 1 см2/c (p 105 Па) і залежить від тиску газу
(D  p-1) Дифузія відбувається в результаті перескоку частинки з однієї клітини до іншої з енергією активації ED,
D  e-ED/RT у нев'язких рідинах
D  0,3 - 3 см2/добу.
5. Частка вільно обертається, частота обертання r визначається лише моментами інерції частки та температурою, частота обертань r T1/2 Обертання загальмовано стінками клітини, поворот частинки супроводжується подоланням потенційного бар'єру Er, який залежить від сил міжмолекулярної взаємодії ,e- Er/RT
Однак, рідкий стан за рядом важливих показників близький до твердого (квазікристалічність). Накопичення експериментальних фактів вказувало те що, що з рідин і кристалів багато спільного. Фізико-хімічні дослідження індивідуальних рідин показали, що майже всі вони мають деякі елементи кристалічної структури.
По-перше, міжмолекулярні відстані рідини близькі до таких у твердому тілі. Це доводиться тим, що з плавленні останнього обсяг речовини змінюється незначно (зазвичай він збільшується лише на 10%). По-друге, енергія міжмолекулярної взаємодії у рідині та у твердому тілі відрізняється незначно. Це випливає з того факту, що теплота плавлення набагато менша від теплоти випаровування. Наприклад, для води Hпл= 6 кДж/моль, а Hісп= 45 кДж/моль; для бензолу Hпл = 11 кДж/моль, а Hісп = 48 кДж/моль.
По-третє, теплоємність речовини під час плавлення змінюється дуже слабко, тобто. вона близька цих обох станів. Звідси випливає, що характер руху частинок рідини близький до такого в твердому тілі. По-четверте, рідина, як і тверде тіло, витримує без розриву великі зусилля, що розтягують.
Відмінність між рідиною та твердим тілом полягає у плинності: тверде тіло зберігає свою форму, рідина навіть під впливом невеликого зусилля легко її змінює. Ці властивості випливають з таких особливостей будови рідини, як сильна міжмолекулярна взаємодія, ближній порядок розташування молекул і здатність молекул порівняно швидко змінювати своє положення. При нагріванні рідини від температури замерзання до температури кипіння її властивості плавно змінюються, з нагріванням поступово посилюються її риси схожості з газом.
Кожен з нас легко згадає чимало речовин, які він вважає рідинами. Однак дати точне визначення цього стану речовини не так просто, оскільки рідини мають такі фізичні властивості, що в одних відносинах вони нагадують тверді тіла, а в інших – гази. Найбільш яскраво схожість між рідинами та твердими тілами проявляється у склоподібних матеріалів. Їх перехід від твердого стану до рідкого при підвищенні температури відбувається поступово, а не як яскраво виражена температура плавлення, вони просто стають більш м'якими, так що не можна вказати, в якому температурному інтервалі їх слід назвати твердими тілами, а в якому рідинами. Можна лише сказати, що в'язкість склоподібної речовини в рідкому стані менша, ніж у твердому. Тверде скло тому часто називають переохолодженою рідиною. Очевидно, найбільш характерною властивістю рідин, що відрізняє їхню відмінність від твердих тіл, є низька в'язкість, тобто. висока плинність. Завдяки їй вони набувають форми судини, в яку налиті. На молекулярному рівні висока плинність означає відносно велику свободу частинок рідини. У цьому рідини нагадують гази, хоча сили міжмолекулярної взаємодії рідин більші, молекули розташовані вже й більш обмежені у своєму русі.
До сказаного можна підійти й інакше – з погляду ставлення до далекому і близькому порядку. Далекий порядок існує у кристалічних твердих тілах, атоми яких розташовані строго впорядковано, утворюючи тривимірні структури, які можна отримати багаторазовим повторенням елементарного осередку. У рідині та склі далекий порядок відсутній. Однак це не означає, що вони взагалі не впорядковані. Число найближчих сусідів у всіх атомів практично однаково, але розташування атомів у міру їх віддалення від будь-якої виділеної позиції стає дедалі більш хаотичним. Отже, упорядкованість існує лише з малих відстанях, звідси й назва: ближній порядок. Адекватний математичний опис структури рідини може бути лише за допомогою статистичної фізики. Наприклад, якщо рідина складається з однакових сферичних молекул, її структуру можна описати радіальною функцією розподілу g(r), яка дає ймовірність виявлення якої-небудь молекули на відстані r від даної, обраної в якості точки відліку. Експериментально цю функцію можна знайти, досліджуючи дифракцію рентгенівських променів або нейтронів, а з появою швидкодіючих комп'ютерів її стали обчислювати методом комп'ютерного моделювання, ґрунтуючись на наявних даних про природу сил, що діють між молекулами, або на припущеннях про ці сили, а також на законах механіки Ньюто . Порівнюючи радіальні функції розподілу, отримані теоретично та експериментально, можна перевірити правильність припущень про природу міжмолекулярних сил.
В органічних речовинах, молекули яких мають подовжену форму, у тому чи іншому інтервалі температур іноді виявляються області рідкої фази з далеким орієнтаційним порядком, який проявляється у тенденції до паралельного вибудовування довгих осей молекул. При цьому орієнтаційна впорядкованість може супроводжуватись координаційною впорядкованістю центрів молекул. Рідкі фази такого типу зазвичай називають рідкими кристалами. Рідкокристалічний стан – проміжний між кристалічним та рідким. Рідкі кристали мають одночасно плинність і анізотропію (оптичної, електричної, магнітної). Іноді цей стан називають мезоморфним (мезофазою) через відсутність далекого порядку. Верхня межа існування – температура просвітлення (ізотропна рідина). Термотропні (мезогенні) ЖК існують вище за певну температуру. Типові - ціанобіфеніли. Ліотропні – при розчиненні, наприклад водні розчини мил, поліпептидів, ліпідів, ДНК. Вивчення рідких кристалів (мезофаза – плавлення у дві стадії – каламутний розплав, потім прозорий, перехід із кристалічної фази в рідку через проміжну форму з анізотропними оптичними властивостями) важливо з метою технології – жидкокристаллическая індикація.
Молекули у газі рухаються хаотично (безладно). У газах відстань між атомами або молекулами в середньому набагато більше розмірів самих молекул. Молекули у газі рухаються з більшими швидкостями (сотні м/с). Зіткнувшись, вони відскакують один від одного як абсолютно пружні кульки, змінюючи величину та напрямок швидкостей. При великих відстанях між молекулами сили тяжіння малі і здатні утримати молекули газу друг біля друга. Тому гази можуть необмежено розширюватись. Гази легко стискаються, середня відстань між молекулами при цьому зменшується, але все одно залишається більшою від їх розмірів. Гази не зберігають ні форми, ні обсягу, їх обсяг і форма збігаються з обсягом та формою посудини, яку вони заповнюють. Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.
Атоми та молекули твердих тіл коливаються біля певних положень рівноваги. Тому тверді тіла зберігають і об'єм, і форму. Якщо подумки з'єднати центри положень рівноваги атомів або іонів твердого тіла, то вийде кристалічна решітка.
Молекули рідини розташовані майже впритул один до одного. Тому рідини дуже погано стискаються та зберігають свій об'єм. Молекули рідини роблять коливання біля положення рівноваги. Іноді молекула здійснює переходи з одного осілого стану до іншого, зазвичай, у напрямі впливу зовнішньої сили. Час осілого стану молекули мало і зі зростанням температури зменшується, а час переходу молекули в новий осілий стан ще менше. Тому рідини текучи, не зберігають своєї форми і набувають форми судини, в яку налиті.

Кінетична теорія рідин Розроблена Я. І. Френкелем кінетична теорія рідини розглядає рідину як динамічну систему частинок, що нагадує частково кристалічний стан. При температурах, близьких до температури плавлення, тепловий рух рідини зводиться в основному до гармонійних коливань частинок деяких середніх положень рівноваги. На відміну від кристалічного стану ці положення рівноваги молекул рідини мають для кожної молекули тимчасовий характер. Повагавшись біля одного положення рівноваги протягом деякого часу t, молекула перескакує в нове положення, розташоване по сусідству. Такий перескок відбувається з витратою енергії U, тому час осілого життя t залежить від температури наступним чином: t = t0 eU/RT, де t0 - період одного коливання біля положення рівноваги. Для води при кімнатній температурі t» 10-10с, t0 = 1.4 x 10-12с, тобто одна молекула, здійснивши близько 100 коливань, перескакує в нове положення, де продовжує коливання. З даних розсіювання рентгенівських променів і нейтронів можна обчислити функцію щільності розподілу частинок  залежно від відстані r від однієї частинки, обраної за центр. За наявності далекого порядку в кристалічному твердому тілі функція (r) має низку чітких максимумів та мінімумів. У рідині через високу рухливість частинок зберігається лише ближній порядок. Це чітко випливає з рентгенограм рідин: функція (r) для рідини має чіткий перший максимум, розмитий другий і потім (r) = const. Плавлення кінетична теорія описує так. У кристалічній решітці твердого тіла завжди існують у невеликій кількості вакансії (дірки), що повільно блукають кристалом. Чим ближче температура до температури плавлення, тим вище концентрація “дірок”, і тим швидше вони переміщуються за зразком. У точці плавлення процес утворення "дірок" набуває лавиноподібного кооперативного характеру, система частинок стає динамічною, зникає далекий порядок, з'являється плинність. Вирішальну роль плавленні грає освіту вільного обсягу рідини, що робить систему текучої. Найважливіша відмінність рідини від твердого кристалічного тіла полягає в тому, що в рідині існує вільний об'єм, значна частина якого має вигляд флуктуацій (“дірок”), блукання яких рідиною і надає їй таку характерну для неї якість, як плинність. Число таких "дірок", їх обсяг і рухливість залежать від температури. При низькій температурі рідина, якщо вона не перетворилася на кристалічне тіло, стає аморфним твердим тілом з дуже низькою плинністю через зменшення об'єму та рухливості дірок. Поруч із кінетичною теорією останні десятиліття успішно розвивається статистична теорія рідини.

Структура льоду та води. Найбільш важливою та поширеною рідиною за нормальних умов є вода. Ця найпоширеніша на Землі молекула! Вона є чудовим розчинником. Наприклад, усі біологічні рідини містять воду. Вода розчиняє як багато неорганічні (солі, кислоти, основи) та органічні речовини (спирти, цукру, карбонові кислоти, аміни). Яка структура цієї рідини? Нам знову доведеться повернутися до питання, яке ми розглядали в першій лекції, а саме, до такої специфічної міжмолекулярної взаємодії, як водневий зв'язок. Вода, як у рідкому, і у кристалічному вигляді виявляє аномальні властивості саме через наявність безлічі водневих зв'язків. Які це аномальні властивості: висока температура кипіння, висока температура плавлення та висока ентальпія випаровування. Подивімося спочатку на графік, потім у таблицю, а потім на схему водневого зв'язку між двома молекулами води. Насправді кожна молекула води координує навколо себе 4 інших молекули води: дві за рахунок кисню, як донора двох неподілених електронних пар на два протонізованих водню і дві за рахунок протонізованих водень, що координуються з киснями інших молекул води. На попередній лекції я демонстрував вам слайд із графіками залежності температури плавлення, кипіння та ентальпії випаровування гідридів VI групи залежно від періоду. Ці залежності мають очевидну аномалію для гідриду кисню. Всі ці параметри для води помітно вищі, ніж передбачені практично лінійною залежністю для наступних гідридів сірки, селену і телуру. Ми пояснили це існуванням водневого зв'язку між протонізованим воднем та акцептором електронної щільності – киснем. Найбільш успішно водневий зв'язок досліджується з використанням коливальної інфрачервоної спектроскопії. Вільна ОН-група має характеристичну енергію коливань, що викликає змінне подовження та укорочення зв'язку О-Н, даючи характерну смугу в інфрачервоному спектрі поглинання молекули. Однак, якщо ОН-група бере участь у водневому зв'язку, атом водню виявляється пов'язаний атомами з обох сторін і таким чином його коливання демпфується і частота зменшується. З наступної таблиці видно, збільшення сили і «концентрації» водневого зв'язку призводить до зменшення частоти поглинання. На наведеному малюнку крива 1 відповідає максимуму інфрачервоного спектра поглинання груп О-Н у льоду (де всі Н-зв'язки зав'язані); крива 2 відповідає максимуму інфрачервоного спектра поглинання груп О-Н окремих молекул Н2О, розчинених у CCl4 (де Н-зв'язків немає - розчин Н2О CCl4 занадто розведений); а крива 3 відповідає спектру поглинання рідкої води. Якби в рідкій воді було б два сорти О-Н груп - утворюють водневі зв'язки і не утворюють їх - і одні О-Н групи у воді коливалися так само (з тією ж частотою), як у льоду (де вони утворюють Н- зв'язку), а інші - як в оточенні CCl4 (де вони Н-зв'язків не утворюють). Тоді спектр води мав би два максимуми, що відповідають двом станам О-Н груп, двом їх характерним частотам коливань: з якою частотою група коливається, з такою і поглинає світло. Але "двомаксимумна" картина не спостерігається! Замість неї на кривій 3 ми бачимо один, дуже розмитий максимум, що тягнеться від максимуму кривої 1 до максимуму кривої 2. Це означає, що всі О-Н групи в рідкій воді зав'язують водневі зв'язки - але всі ці зв'язки мають іншу енергію, «розбовтані» (мають іншу енергетику), причому по-різному. Це показує, що картина, в якій частина водневих зв'язків у воді розірвана, а частина збережена, строго кажучи, неправильна. Однак вона така проста і зручна для опису термодинамічних властивостей води, що нею широко користуються - і ми теж будемо до неї звертатися. Але треба мати на увазі, що вона не зовсім точна.
Таким чином, ІЧ-спектроскопія є потужним методом дослідження водневого зв'язку та багато відомостей про структуру асоційованих за її рахунок рідин та твердих тіл здобуті за допомогою цього спектрального методу. У результаті для рідкої води льодоподібна модель (модель О.Я. Самойлова) є однією з найбільш загальновизнаних. Відповідно до цієї моделі рідка вода має порушений тепловим рухом (свідчення і наслідок теплового руху - броунівський рух, який вперше спостерігав англійський ботанік Роберт Броун у 1827 р. на пилку під мікроскопом) льодоподібний тетраедричний каркас (кожна молекула води в кристалі льоду пов'язана водневими зв'язками енергетикою в порівнянні з такою в льоду - «розбовтані» водневі зв'язки) з чотирма навколишніми молекулами води), порожнечі цього каркасу частково заповнені молекулами води, причому молекули води, що знаходяться в порожнинах і у вузлах льодоподібного каракасу, енергетично нерівноцінні.

На відміну від води, у кристалі льоду у вузлах кристалічної решітки знаходяться молекули води рівноцінні за енергією і вони можуть здійснювати виключно коливальні рухи. У такому кристалі існує як ближній, і далекий порядок. У рідкій воді (як для полярної рідини) деякі елементи кристалічної структури зберігаються (причому навіть у газовій фазі молекули рідини впорядковується в невеликі малостійкі кластери), але відсутній далекий порядок. Таким чином, структура рідини відрізняється від структури газу наявністю близького порядку, але відрізняється від структури кристала відсутністю далекого порядку. Найбільш переконливо про це свідчить дослідження розсіювання ренгенівських променів. Три сусіди кожної молекули в рідкій воді розташовані в одному шарі і знаходяться на більшій від неї відстані (0,294 нм), ніж четверта молекула із сусіднього шару (0,276 нм). Кожна молекула води у складі льодоподібного каркаса утворює одну дзеркально-симетричну (міцну) і три центральносиметричні (менш міцні) зв'язки. Перша відноситься до зв'язку між молекулами води даного шару та сусідніх шарів, решта - до зв'язків між молекулами води одного шару. Тому четверта частина всіх зв'язків-дзеркально-симетричні, а три чверті центральносиметричні. Уявлення про тетраедричного оточення молекул води привели до висновку про високу ажурність її будови та наявність у ній порожнин, розміри яких рівні або перевищують розміри молекул води.

Елементи структури рідкої води. а – елементарний водний тетраедр (світлі гуртки – атоми кисню, чорні половинки – можливі положення протонів на водневому зв'язку); б - дзеркально-симетричне розташування тетраедрів; в - центральносиметричне розташування; г - розташування кисневих центрів у структурі звичайного льоду. Вода характеризується значними силами міжмолекулярної взаємодії з допомогою водневих зв'язків, які утворюють просторову сітку. Як ми говорили на попередній лекції, водневий зв'язок зумовлений здатністю атома водню, сполученого з електронегативним елементом, утворювати додатковий зв'язок з електронегативним атомом іншої молекули. Водневий зв'язок відносно міцний і становить кілька 20-30 кілоджоулів на моль. За міцністю вона займає проміжне місце між енергією Ван-дер-Ваальса та енергією типово іонного зв'язку. У молекулі води енергія хімічного зв'язку H-O становить 456 кДж/моль, а енергія водневого зв'язку H…O 21 кДж/моль.

З'єднання водню
Молекулярна вага Температура,  С
замерзання Кипіння
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Структура льоду. Нормальний лід. Пунктир - Н-зв'язку. В ажурній структурі льоду видно невеликі порожнини, оточені молекулами Н2О.
Таким чином, структура льоду - ажурне будівництво з молекул води, пов'язаних між собою лише водневими зв'язками. Розташування молекул води у структурі льоду зумовлює наявність у структурі широких каналів. У процесі плавлення льоду молекули води "провалюються" у ці канали, що пояснює підвищення густини води порівняно із густиною льоду. Кристали льоду зустрічаються у вигляді правильних шестикутних пластинок, таблитчатих виділень і складних формою зростків. Структура нормального льоду диктується водневими Н-зв'язками: вона хороша для геометрії цих зв'язків (О-Н дивиться прямо на О), але не дуже хороша для щільного контакту Вандерваальсового молекул Н2О. Тому структура льоду ажурна, у ньому молекули Н2О обволікають мікроскопічні (розміром менше молекули Н2О) пори. Ажурність структури льоду призводить до двох добре відомих ефектів: (1) крига менш щільна, ніж вода, він плаває в ній; і (2) під сильним тиском - наприклад, леза ковзана лід підплавляється. Більшість з водневих зв'язків, що існують у льоду, зберігається і в рідкій воді. Це випливає з небагато теплоти плавлення льоду (80 кал/г) проти теплотою кипіння води (600 кал/г при 0оС). Можна було б сказати, що в рідкій воді рветься лише 80/(600+80) = 12% із існуючих у льоду Н-зв'язків. Однак ця картина - частина водневих зв'язків у воді розірвана, а частина збережена - не зовсім точна: швидше, всі водневі зв'язки у воді розбовтуються. Це добре ілюструється такими експериментальними даними.

Структура розчинів. Від конкретного прикладу для води перейдемо до інших рідин. Різні рідини відрізняються одна від одної розмірами молекул та характером міжмолекулярних взаємодій. Таким чином, у кожній конкретній рідині існує певна псевдокристалічна структура, що характеризується ближнім порядком і певною мірою нагадує структуру, що виходить при замерзанні рідини і перетворення її на тверде тіло. При розчиненні іншої речовини, тобто. при утворенні розчину, характер міжмолекулярних взаємодій змінюється і утворюється нова структура з іншим розташуванням частинок, ніж у чистому розчиннику. Ця структура залежить від складу розчину та є специфічною для кожного конкретного розчину. Утворення рідких розчинів зазвичай супроводжується процесом сольватації, тобто. вибудовування молекул розчинника навколо молекул розчиненої речовини внаслідок дії міжмолекулярних сил. Розрізняють ближню та дальню сольватацію, тобто. навколо молекул (часток) розчиненої речовини утворюється первинна та вторинна сольватні оболонки. У первинній сольватній оболонці в безпосередній близькості знаходяться молекули розчинника, які рухаються разом із молекулами розчиненої речовини. Число молекул розчинника, що знаходяться в первинній сольватній оболонці, називається координаційним числом сольватації, яке залежить і від природи розчинника і від природи розчиненої речовини. До складу вторинної сольватаційної оболонки входять молекули розчинника, які знаходяться на значно більших відстанях і впливають на процеси, що протікають в розчині за рахунок взаємодії з первинною сольватною оболонкою.
При розгляді стабільності сольватів розрізняють кінетичну та термодинамічну стійкість.
У водних розчинах кількісними характеристиками кінетичної гідратації (О.Я. Самойлов) служать величини i/ та Ei=Ei-E, де iі  - середній час перебування молекул води в положенні рівноваги поблизу i-го іона та в чистій воді , а Ei та E – енергія активації обміну та енергія активації процесу самодифузії у воді. Ці величини пов'язані між собою наближеним співвідношенням:
i/  exp(Ei/RT) При цьому,
якщо EI  0, i/  1 (обмін найближчих до іону молекул води відбувається рідше (повільніше), ніж обмін між молекулами у чистій воді) – позитивна гідратація
якщо EI  0, i/  1 (обмін найближчих до іону молекул води відбувається частіше (швидше), ніж обмін між молекулами у чистій воді) – негативна гідратація

Так, для іона літію EI = 1.7 кДж/моль, а для іону цезію Ei= - 1.4 кДж/моль, тобто. Невеликий «жорсткий» іон літію утримує молекули води сильніше, ніж той самий заряд, але великий і «дифузний» іон цезію. Термодинамічна стійкість сольватів, що утворюються, визначається зміною енергії Гіббса при сольватації (solvG) = (solvH) - T(solvS). Чим ця величина більш негативна, тим стійкіший сольват. В основному це визначається негативними значеннями ентальпії сольватації.
Поняття про розчини та теорії розчинів. Істинні розчини виходять мимовільно при дотику двох або більше речовин, внаслідок руйнування зв'язків між частинками одного типу та утворення зв'язків іншого типу та розподіл речовини по всьому об'єму внаслідок дифузії. Розчини за властивостями поділяються на ідеальні та реальні, розчини електролітів та неелектролітів, розбавлені та концентровані, ненасичені, насичені та пересичені. Властивості расторов залежать від природи та величини ММВ. Ці взаємодії можуть мати фізичну природу (сили Ван-дер-Ваальса) і складну фізико-хімічну природу (водневий зв'язок, іон-молекулярна, комплекси з переносом заряду і т.д.). Процес утворення розчину характеризується одночасним проявом між частинками сил тяжіння і відштовхування, що взаємодіють. За відсутності сил відштовхування частки б зливалися (злипалися) і рідини могли б бути необмежено стиснуті, за відсутності сил тяжіння не можна було б отримати рідини або тверді тіла. У попередній лекції ми розглядали фізичну та хімічну теорії розчинів.
Однак, створення єдиної теорії розчинів наштовхується на значні труднощі і в даний час вона все ще не створена, хоча проводяться дослідження найсучаснішими методами квантової механіки, статистичної термодинаміки та фізики, кристалохімії, рентгеноструктурного аналізу, оптичними методами, методами ЯМР. Реактивне поле. У продовженні розгляду сил міжмолекулярної взаємодії розглянемо концепцію «реактивного поля», яка важлива для розуміння структури та будови конденсованих середовищ і реальних газів, зокрема рідкого стану, а отже, і всієї фізичної хімії рідких розчинів.
Реактивне поле виникає у сумішах полярних і неполярних молекул, наприклад, для сумішей вуглеводнів та нафтенових кислот. Полярні молекули впливають полем певної симетрії (симетрія поля визначається симетрією вакантних молекулярних орбіталей) та напруженості Н на неполярні молекули. Останні поляризуються через поділ зарядів, що призводить до появи (наведення) диполя. Молекула з індукованим диполем своєю чергою впливає полярну молекулу, змінюючи її електромагнітне полі, тобто. збуджує реактивне (повітряне) поле. Виникнення реактивного поля призводить до підвищення енергії взаємодії частинок, що виражається у створенні міцних сольватних оболонок у полярних молекул суміші полярних і неполярних молекул.
Енергію реактивного поля розраховують за такою формулою: де:
знак «-» - визначає тяжіння молекул
S – статична електрична проникність
беск. – діелектрична проникність, обумовлена ​​електронною та атомною поляризацією молекул
NA - число Авогадро
VM – об'єм, який займає 1 молем полярної речовини в ізотропній рідині v = дипольний момент
ER - енергія 1 молячи полярної речовини в розчині
Концепція «реактивного поля» дозволить нам краще зрозуміти структуру чистих рідин та розчинів. Квантово-хімічний підхід до дослідження реактивного поля розвинений на роботах М. В. Базилевського та його співробітників у Науково-дослідному фізико-хімічному інституті ім. Л. Я. Карпова Таким чином, проблема рідкого стану чекає на своїх молодих дослідників. Вам і карти до рук.

РОЗПОДІЛ МОЛЕКУЛ У ПОТЕНЦІЙНОМУ ПОЛІ

СИЛ ТЯЖКОСТІ (ПОЗНАЧЕННЯ БІЛЬЦМАНА)

При виведенні основного рівняння МКТ газів і розподілу Максвелла передбачалося, що у молекули газу зовнішні сили діють, отже, молекули розподіляються за обсягом рівномірно. Однак молекули будь-якого газу завжди знаходяться у потенційному полі сил тяжіння Землі. Тяжіння з одного боку, і тепловий рух молекул - з іншого призводять до деякого стаціонарного стану, при якому тиск газу зі зростанням висоти зменшується.

Отримаємо закон зміни тиску з висотою, припускаючи, що по всій висоті: поле тяжіння однорідне (g = const); температура однакова (Т = const); маси всіх молекул однакові.

Нехай на висоті h тиск р. Тоді на висоті h+dh тиск – р+dp. Причому якщо dh >0, то dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Тепер або .

Інтегруємо праву та ліву частину:

; .

Звідки, . (26)

Це так звана барометрична формула. Вона дозволяє визначати тиск атмосфери як функцію висоти над рівнем моря:

. (27)

Т.к. тиск прямо пропорційно концентрації молекул, можна отримати закон зміни концентрації молекул з висотою за умови, що температура з висотою не змінюється (Т = const):

. (28)

Враховуючи, що М = m∙N A , а R = k∙N A з (27) отримаємо:

Т.к. mgh = U(h) – потенційна енергія однієї молекули на висоті h, то

(30)

- Розподіл Больцмана.

КІЛЬКІСТЬ СПОЛУКІВ І СЕРЕДНЯ ДОВжина ВІЛЬНОГО ПРОБІГУ МОЛЕКУЛ ІДЕАЛЬНОГО ГАЗУ.

Молекули газу внаслідок хаотичного руху безперервно стикаються одна з одною. Між двома послідовними зіткненнями молекула проходить деякий шлях λ, який називається довжиною вільного пробігу . У випадку довжина цього шляху різна, але т.к. Число зіткнень дуже велике, а рух безладний, то при постійних зовнішніх умовах можна говорити про середню довжину вільного пробігу - . Якщо молекули цього газу відчувають за 1 секунду в середньому зіткнень, то

де - Середня арифметична швидкість молекул.

Молекули ідеального газу ми розглядаємо як кульки. Очевидно, що зіткнення відбудеться, якщо дві молекули зблизяться до відстані, що дорівнює двом радіусам, тобто діаметру молекул d. Мінімальна відстань, на яку зближуються при зіткненні центри двох молекул, називається ефективним діаметром молекул. Цей параметр залежить від , отже, і від температури газу.

Для визначення уявімо молекулу з ефективним діаметром d, яка рухається зі швидкістю серед інших молекул, які при цьому залишаються нерухомими. Ця молекула зіткнеться з усіма молекулами, центри яких лежать усередині "ламаного" циліндра радіусом d. Це означає, що дорівнює числу молекул в обсязі цього циліндра

де n – концентрація молекул, а V–об'єм циліндра: . З урахуванням цього -

. (32)

Облік руху інших молекул підвищує кількість зіткнень у раз. Остаточно для z отримаємо:

. (33)

Тоді (34)

Т.к. p ~ n, то для різних зовнішніх умов маємо:

Для повітря за н.у. (р = 760мм.рт.ст.; t 0 = 0 0 С): z = 109 c -1, а = 5∙10 -8 м.

ЯВИ ПЕРЕНОСУ

У термодинамічно нерівноважних системах, тобто. у системах, для яких значення макропараметрів (Т, р, ) у різних її точках різні, виникають незворотні процеси, що отримали назву явищ перенесення . Внаслідок таких процесів з однієї локальної області системи в іншу відбувається перенесення енергії (явище теплопровідності), маси (явище дифузії), імпульсу (внутрішнє тертя), заряду тощо. Це веде до вирівнювання значень макропараметрів за обсягом системи. Зрозуміло, що перенесення будь-якої величини пояснюється переходом з місця на місце деякої кількості частинок (молекул та атомів) внаслідок їх хаотичного руху.

Отримаємо загальне рівняння перенесення вздовж довільного спрямування. Направимо вздовж нього вісь х(Рис 3). Виділимо подумки елемент площини площею ∆S, перпендикулярний х. В силу хаотичності руху за час ∆t через ∆S у напрямку хпереміститься N частинок:

(1)

Тут n – концентрація молекул (атомів), а – їхня середня арифметична швидкість. Переходячи через ∆S, кожна молекула переносить властиві їй масу, заряд, імпульс, енергію чи інші свої характеристики. Позначимо значення величини, яке переноситься однією молекулою буквою φ. Тоді за час ∆t через майданчик ∆S у напрямку осі О хбуде перенесено кількість фізичної величини

(2).

Очевидно, якщо концентрація справа теж n, то справа наліво перейде стільки ж частинок. Тобто. результуючий перенесення в цьому випадку дорівнює нулю: N = 0 і N N = 0.

Якщо середовище неоднорідна, тобто. або концентрація частинок, або значення φ для частинок зліва і справа неоднакові, то ймовірнішими будуть переходи з областей, де значення (nφ) більше області, де воно менше. Якщо припустити, що (nφ) 1 > (nφ) 2 то результуючий перенесення величини φ буде визначатися співвідношенням: . (3)

Знак «мінус» (3) відображає факт зменшення величини (nφ) у напрямку перенесення.

З'ясуємо, на якій відстані від ∆S ліворуч і праворуч слід взяти значення (nφ). Т.к. зміна фізичних характеристик молекул відбувається тільки при зіткненнях, а до зіткнення кожна з молекул пройшла відстань рівну довжині вільного пробігу, то можна вважати, що (nφ) молекул зберігаються незмінними на відстані, що дорівнює довжині вільного пробігу вліво і вправо від ∆S. Розділимо і помножимо праву частину (3) на 2:

Розподіл величин уздовж якогось напряму визначається характеристикою, яка називається – градієнт. Градієнт це зміна величини з відривом рівному одиниці довжини .

В даному випадку, у точці з координатою х 2 значення перенасімої величини - (nφ) 2 , а в точці х 1 – (nφ) 1 тоді під градієнтом величини nφ, що переноситься вздовж осі О х, слід розуміти ставлення:

.

Тоді градієнт величини n в області ∆S.

. (5)

(5) – загальне рівняння перенесення.

Дифузія – це перенесення маси речовини . За умови, що маси молекул однакові (m 0 = const), температура газу за обсягом однакова (T = const) і однорідного за обсягом розподілу швидкостей ( = const), підставляючи замість φ масу молекули (5), отримаємо:

Або . (6)

Це закон Фіка. D = - Коефіцієнт дифузії. [D] = м2/с.

Теплопровідність – це перенесення енергії . За умови, що по всьому об'єму газу концентрація молекул (n = const), маси молекул однакові (m 0 = const), розподіл швидкостей за обсягом однорідно ( = const), а середня кінетична енергія поступального руху однієї молекули отримаємо закон Фур'є:

, або . (7)

- коефіцієнт теплопровідності. [χ] = Вт/(м·К) = кг·м/(з 3·К).

В'язкість – це перенесення імпульсу між паралельними шарами, які впорядковано рухаються із швидкостями u 1 і u 2. За умови, що по всьому об'єму газу концентрація молекул n = const, маси молекул однакова (m 0 = const), розподіл швидкостей за об'ємом однорідний ( = const), а модуль імпульсу однієї молекули, пов'язаний зі швидкістю впорядкованого руху шарів φ = р = m 0 u, для імпульсу сили взаємодії шарів маємо:

Або . ()

Це рівняння Ньютона, що визначає величину сили внутрішнього тертя (в'язкості). – поперечний градієнт швидкості, що характеризує швидкість зміни швидкості у напрямку хперпендикулярному руху тертьових шарів. η – динамічний коефіцієнт в'язкості . [η] = Па · с.

МОЛЕКУЛЯРНІ СИЛИ

Сили взаємодії між молекулами, чи, як їх називають, Ван-дер-Ваальсовские сили мають електричну природу. Це кулонівські сили взаємодії заряджених частинок, з яких складаються атоми та молекули. Вони проявляються на відстанях, порівнянних з розмірами самих молекул і дуже швидко зменшуються зі збільшенням відстані. При цьому одночасно діють сили тяжіння (взаємодія різноїменних зарядів) та сили відштовхування (взаємодія однойменних зарядів). Т.к. реальні частки є точковими, то величина цих сил залежить від відстані між ними по-різному.

Розрізняють три типи сил Ван-дер-Ваальса:

a) орієнтаційні – діють між полярними молекулами:

,

де р - Електричний дипольний момент частинок, r - відстань між ними, k - Постійна Больцмана, Т - Термодинамічна температура.

б) індукційні – описують взаємодію молекул, поляризацію

зарядів у яких виникає під впливом електричних полів сусідніх частинок:

.

Тут: р інд = ε 0 αЕ - придбаний електричний дипольний момент частинок; α – поляризуемість молекул.

в) дисперсійні - Визначають взаємодію молекул, несиметричний розподіл зарядів в яких виникає випадково, в процесі руху електронів по орбітах, що і призводить до утворення миттєвих диполів:

.

У загальному випадку всі три типи сил можуть діяти одночасно:

F м = F про + F і + F буд.

Розглянемо залежність сил міжмолекулярної взаємодії відстані. Сили тяжіння F пр вважаються негативними, а сили відштовхування F від – позитивними. Сума цих сил дає результуючу – F рез = f(r). На певній відстані r 0 між молекулами | F пр | = | F від | і результуюча сила F = F пр + F від = 0. Якщо r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 то переважають сили тяжіння. Проте з відривом r > 10 -9 м сили Ван-дер-Ваальса швидко прагнуть нулю.

Система взаємодіючих молекул характеризується деяким запасом потенційної енергії, що складно залежить від r, Е п = f(r):

r → ∞ – Е п → 0;

r > r 0 і r → r 0 – Е п → Е п min, Е п< 0 ;

r = r 0 - Е п = Е п min, Е п< 0;

r< r 0 и уменьшается – Е п → ∞, Е п > 0.

Найменша потенційна енергія взаємодії називається енергією зв'язку молекул. Вона дорівнює роботі, яку необхідно здійснити проти сил тяжіння, щоб роз'єднати молекули, що у рівновазі.

Співвідношення мінімальної потенційної енергії (Е п min) і величини подвоєної середньої енергії теплового руху, що припадає на один ступінь свободи є критерієм агрегатного стану речовини. Якщо:

а) Е п min<< kT – газ;

б) Е п min »kT - рідина;

в) Е п min >> kT - Тверде тіло.

Таким чином, будь-яка речовина, залежно від температури, може перебувати в газоподібному, рідкому або твердому агрегатному стані.

ОСОБЛИВОСТІ БУДОВА ГАЗІВ, РІДИНЬ І ТВЕРДИХ ТІЛ

Р. Н. Грабовський. Курс фізики 1980, стор.168-174.

РЕАЛЬНІ ГАЗИ

Рівняння молекулярно-кінетичної теорії досить добре описують поведінку реальних газів за досить високої температури і низького тиску. Це і зрозуміло, адже такий стан реального газу найближчий до моделі ідеального газу, на основі якої отримано всі висновки МКТ. Однак із зростанням тиску та зниженням температури середня відстань між молекулами зменшується і сили молекулярної взаємодії зростають. Наприклад, за н.у. обсяг молекул становить 1/10000 від зайнятого газом обсягу, а за тиску 500 атм (500 МПа) він становитиме вже половину всього обсягу газу. Цілком очевидно, що за цих умов закони МКТ перестає працювати, наприклад, PV const при Т = const.

Таким чином, завдання полягає в тому, щоб отримати таке рівняння стану реального газу, яке б враховувало обсяг молекул та їхню взаємодію.

©2015-2019 сайт
Усі права належати їх авторам. Цей сайт не претендує на авторства, а надає безкоштовне використання.
Дата створення сторінки: 2016-02-13