Строение вещества. Модели строения газа, жидкости и твёрдого тела

Строение газов, жидкостей и твердых тел. Особенности структуры растворов. Понятие о «реактивном поле»
Теория строения жидкостей: сравнение со структурой газов и твердых тел Строение (структура) жидкостей. Структура жидкостей является в настоящее время предметом пристального изучения физико-химиков. Для исследований в этом направлении используются самые современные методы, включая спектральные (ИК, ЯМР, рассеивание света различных длин волн), рассеивание ренгеновских лучей, квантово-механических и статистических методов расчета и т.д. Теория жидкостей разработана гораздо хуже, чем газов, поскольку свойства жидкостей зависят от геометрии и полярности взаимно близко расположенных молекул. Кроме того, отсутствие определенной структуры жидкостей затрудняет их формализованное описание – в большинстве учебников жидкостям уделено гораздо меньше места, чем газам и твердым кристаллическим веществам. Каковы же особенности каждого из трех агрегатных состояний вещества: твердого тела, жидкости и газа. (таблица)
1) Твердое: тело сохраненяет объем и форму
2) Жидкость сохраняют объем, но легко меняют форму.
3) Газ не имеют ни формы ни объема.

Эти состояния одного и того же вещества различаются не сортностью молекул (она одинакова), а тем как молекулы расположены и движутся.
1) В газах расстояние между молекулами много больше размеров самих молекул
2) Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем.
3) Частицы твердых тел расположены в определенном порядке. Каждая из частиц движется около определенной точки в кристаллической решетке, подобно маятнику часов, т. е. колеблется.
При понижении температуры жидкости затвердевают, а при повышении выше температуры кипения переходят в газообразное состояние. Уже этот факт указывает на то, что жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами, отличаясь от того и другого. Однако жидкость имеет черты сходства с каждым из этих состояний.
Существует такая температура, при которой граница между газом и жидкостью полностью исчезает. Это, так называемая, критическая точка. Для каждого газа известна температура, выше которой он не может быть жидким ни при каком давлении; при этой критической температуре исчезает граница (мениск) между жидкостью и ее насыщенным паром. Существование критической температуры ("температуры абсолютного кипения") установил Д.И.Менделеев в 1860 г. Второе свойство, объединяющее жидкости и газы – это изотропность. Т.е., на первый взгляд можно предположить, что жидкости ближе к газам, чем к кристаллам. Так же как и газы, жидкости изотропны, т.е. их свойства во всех направлениях одинаковы. Кристаллы, напротив, анизотропны: показатель преломления, сжимаемость, прочность и многие другие свойства кристаллов в разных направлениях оказываются различными. Твердые кристаллические вещества обладают упорядоченной структурой с повторяющимися элементами, что позволяет исследовать их методом дифракции рентгеновских лучей (метод рентгеноструктурного анализа, используется с 1912 г.).

Что общего у жидкостей и газов?
А) Изотропность. Свойства жидкости, как и у газов, одинаковы во всех направлениях, т.е. изотропны, в отличие от кристаллов, которые анизотропны.
Б) Жидкости, подобно газам, не имеют определенной формы и принимают форму сосуда (низкая вязкость и высокая текучесть).
Молекулы и жидкости и газа совершают достаточно свободные перемещения, сталкиваясь друг с другом. Раньше считалось, что в пределах объема, занимаемого жидкостью, любое расстояние, превышающее сумму их радиусов, принималось равновероятным, т.е. тенденция к упорядоченному расположении молекул отрицалось. Тем самым, жидкости и газы в известной степени противопоставлялись кристаллам.
По мере развития исследований все большее число фактов указывало на наличие сходства между строением жидкостей и твердых тел. Например, значения теплоемкостей и коэффициентов сжимаемости, особенно вблизи температуры плавления, практически совпадают друг с другом, тогда как эти величины для жидкости и газа резко отличаются.
Уже из этого примера можно заключить, что картина теплового движения в жидкостях при температуре близкой к температуре затвердевания, напоминает собой тепловое движение в твердых телах, а не в газах. Наряду с этим, можно отметить и такие существенные различия между газообразным и жидким состоянием вещества. В газах молекулы распределены по пространству совершенно хаотично, т.е. последний считается примером бесструктурного образования. Жидкость все же имеет определенную структуру. Экспериментально это подтверждается дифракцией ренгеновских лучей, которая показывает, по крайней мере, один четкий максимум. Структура жидкости – это способ распределения ее молекул в пространстве. Таблица иллюстрирует сходства и различия газового и жидкого состояний.
Газовая фаза Жидкая фаза
1. Расстояние между молекулами l обычно (для невысоких давлений) много больше радиуса молекулы r: l  r ; практически весь объем V, занятый газом, есть свободный обьем. В жидкой фазе, наоборот, l 2. Средняя кинетическая энергия частиц, равная 3/2kT , больше потенциальной энергии U их межмолекулярного взаимодействия Потенциальная энергия взаимодействия молекул больше средней кинетической энергии их движения: U3/2 kT
3. Частицы сталкиваются при их поступательном движении, фактор частоты столкновений зависит от массы частиц, их размеров и температуры Каждая частица совершает колебательное движение в клетке, которую создают окружающие ее молекулы. Амплитуда колебания a зависит от свободного обьема, a  (Vf/ L)1/3
4. Диффузия частиц происходит в результате их поступательного движения, коэффициент диффузии D  0,1 - 1 см2/c (p  105 Па) и зависит от давления газа
(D  p-1) Диффузия происходит в результате перескока частицы из одной клетки в другую с энергией активации ED,
D  e-ED/RT в невязких жидкостях
D  0,3 - 3 см2/сут.
5. Частица свободно вращается, частота вращения r определяется только моментами инерции частицы и температурой, частота вращений r T1/2 Вращение заторможено стенками клетки, поворот частицы сопровождается преодолением потенциального барьера Er, который зависит от сил межмолекулярного взаимодействия, vr  e-Er /RT
Однако, жидкое состояние по ряду важных показателей близко к твердому (квазикристалличность). Накопление экспериментальных фактов указывало на то, что у жидкостей и кристаллов много общего. Физико-химические исследования индивидуальных жидкостей показали, что почти все они обладают некоторыми элементами кристаллической структуры.
Во-первых, межмолекулярные расстояния в жидкости близки к таковым в твердом теле. Это доказывается тем, что при плавлении последнего объем вещества изменяется незначительно (обычно он увеличивается не более чем на 10%). Во-вторых, энергия межмолекулярного взаимодействия в жидкости и в твердом теле отличается незначительно. Это следует из того факта, что теплота плавления много меньше теплоты испарения. Например, для воды Hпл= 6 кДж/моль, а Hисп= 45 кДж/моль; для бензола Hпл= 11 кДж/моль, а Hисп = 48 кДж/моль.
В-третьих, теплоемкость вещества при плавлении меняется очень слабо, т.е. она близка для этих обоих состояний. Отсюда следует, что характер движения частиц в жидкости близок к таковому в твердом теле. В-четвертых, жидкость, как и твердое тело, выдерживает без разрыва большие растягивающие усилия.
Различие между жидкостью и твердым телом заключается в текучести: твердое тело сохраняет свою форму, жидкость даже под влиянием небольшого усилия легко ее меняет. Эти свойства вытекают из таких особенностей строения жидкости, как сильное межмолекулярное взаимодействие, ближний порядок в расположении молекул и способность молекул сравнительно быстро менять свое положение. При нагревании жидкости от температуры замерзания до температуры кипения ее свойства плавно меняются, с нагреванием постепенно усиливаются ее черты сходства с газом.
Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так-то просто, поскольку жидкости обладают такими физическими свойствами, что в одних отношениях они напоминают твердые тела, а в других – газы. Наиболее ярко сходство между жидкостями и твердыми телами проявляется у стеклообразных материалов. Их переход от твердого состояния к жидкому при повышении температуры происходит постепенно, а не как ярко выраженная температура плавления, они просто становятся все более мягкими, так что нельзя указать, в каком температурном интервале их следует назвать твердыми телами, а в каком – жидкостями. Можно лишь сказать, что вязкость стеклообразного вещества в жидком состоянии меньше, чем в твердом. Твердые стекла поэтому часто называют переохлажденной жидкостью. По-видимому, наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость, т.е. высокая текучесть. Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении.
К сказанному можно подойти и иначе – с точки зрения представления о дальнем и ближнем порядке. Дальний порядок существует в кристаллических твердых телах, атомы которых расположены строго упорядоченно, образуя трехмерные структуры, которые можно получить многократным повторением элементарной ячейки. В жидкости и стекле дальний порядок отсутствует. Это, однако, не означает, что они вообще не упорядочены. Число ближайших соседей у всех атомов практически одинаково, но расположение атомов по мере их удаления от какой-либо выделенной позиции становится все более и более хаотичным. Таким образом, упорядоченность существует лишь на малых расстояниях, отсюда и название: ближний порядок. Адекватное математическое описание структуры жидкости может быть дано лишь с помощью статистической физики. Например, если жидкость состоит из одинаковых сферических молекул, то ее структуру можно описать радиальной функцией распределения g(r), которая дает вероятность обнаружения какой-либо молекулы на расстоянии r от данной, выбранной в качестве точки отсчета. Экспериментально эту функцию можно найти, исследуя дифракцию рентгеновских лучей или нейтронов, а с появлением быстродействующих компьютеров ее стали вычислять методом компьютерного моделирования, основываясь на имеющихся данных о природе сил, действующих между молекулами, или на предположениях об этих силах, а также на законах механики Ньютона. Сравнивая радиальные функции распределения, полученные теоретически и экспериментально, можно проверить правильность предположений о природе межмолекулярных сил.
В органических веществах, молекулы которых имеют удлиненную форму, в том или ином интервале температур иногда обнаруживаются области жидкой фазы с дальним ориентационным порядком, который проявляется в тенденции к параллельному выстраиванию длинных осей молекул. При этом ориентационная упорядоченность может сопровождаться координационной упорядоченностью центров молекул. Жидкие фазы такого типа обычно называют жидкими кристаллами. Жидкокристаллическое состояние – промежуточное между кристаллическим и жидким. Жидкие кристаллы обладают одновременно текучестью и анизотропией (оптической, электрической, магнитной). Иногда это состояние называют мезоморфным (мезофазой) – из-за отсутствия дальнего порядка. Верхний предел существования – температура просветления (изотропная жидкость). Термотропные (мезогенные) ЖК существуют выше определенной температуры. Типичные – цианобифенилы. Лиотропные – при растворении, например, водные растворы мыл, полипептидов, липидов, ДНК. Изучение жидких кристаллов (мезофаза – плавление в две стадии – мутный расплав, потом прозрачный, переход из кристаллической фазы в жидкую через промежуточную форму с анизотропными оптическими свойствами) важно для целей технологии – жидкокристаллическая индикация.
Молекулы в газе движутся хаотично (беспорядочно). В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы в газе движутся с большими скоростями (сотни м/с). Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга как абсолютно упругие шарики, изменяя величину и направление скоростей. При больших расстояниях между молекулами силы притяжения малы и не способны удержать молекулы газа друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются, среднее расстояние между молекулами при этом уменьшается, но все равно остается большим их размеров. Газы не сохраняют ни формы, ни объема, их объем и форма совпадают с объемом и формой сосуда, который они заполняют. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Атомы и молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и объем, и форму. Если мысленно соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится кристаллическая решетка.
Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Поэтому жидкости очень плохо сжимаются и сохраняют свой объем. Молекулы жидкости совершают колебания около положения равновесия. Время от времени молекула совершает переходы из одного оседлого состояния в другое, как правило, в направлении действия внешней силы. Время оседлого состояния молекулы мало и с ростом температуры уменьшается, а время перехода молекулы в новое оседлое состояние еще меньше. Поэтому жидкости текучи, не сохраняют своей формы и принимают форму сосуда, в который налиты.

Кинетическая теория жидкостей Разработанная Я. И. Френкелем кинетическая теория жидкости рассматривает жидкость как динамическую систему частиц, напоминающую отчасти кристаллическое состояние. При температурах, близких к температуре плавления, тепловое движение в жидкости сводится в основном к гармоническим колебаниям частиц около некоторых средних положений равновесия. В отличие от кристаллического состояния эти положения равновесия молекул в жидкости имеют для каждой молекулы временный характер. Поколебавшись около одного положения равновесия в течение некоторого времени t, молекула перескакивает в новое положение, расположенное по соседству. Такой перескок происходит с затратой энергии U, поэтому время “оседлой жизни“ t зависит от температуры следующим образом: t = t0 eU/RT, где t0 - период одного колебания около положения равновесия. Для воды при комнатной температуре t » 10-10с, t0 = 1.4 x 10-12с, т. е. одна молекула, совершив около 100 колебаний, перескакивает в новое положение, где продолжает совершать колебания. Из данных по рассеиванию рентгеновских лучей и нейтронов можно вычислить функцию плотности распределения частиц  в зависимости от расстояния r от одной частицы, выбранной за центр. При наличии дальнего порядка в кристаллическом твердом теле функция (r) имеет ряд четких максимумов и минимумов. В жидкости из-за высокой подвижности частиц сохраняется только ближний порядок. Это четко следует из рентгенограмм жидкостей: функция (r) для жидкости имеет четкий первый максимум, размытый второй и затем (r) = const. Плавление кинетическая теория описывает следующим образом. В кристаллической решетке твердого тела всегда существуют в небольшом количестве вакансии (дырки), медленно блуждающие по кристаллу. Чем ближе температура к температуре плавления, тем выше концентрация “дырок“, и тем быстрее они перемещаются по образцу. В точке плавления процесс образования “дырок“ приобретает лавинообразный кооперативный характер, система частиц становится динамичной, исчезает дальний порядок, появляется текучесть. Решающую роль в плавлении играет образование свободного объема в жидкости, который и делает систему текучей. Важнейшее отличие жидкости от твердого кристаллического тела заключается в том, что в жидкости существует свободный объем, значительная часть которого имеет вид флуктуаций (“дырок“), блуждание которых по жидкости и придает ей такое характерное для нее качество, как текучесть. Число таких “дырок“, их объем и подвижность зависят от температуры. При низкой температуре жидкость, если она не превратилась в кристаллическое тело, становится аморфным твердым телом с очень низкой текучестью из-за уменьшения объема и подвижности “дырок“. Наряду с кинетической теорией в последние десятилетия успешно развивается статистическая теория жидкости.

Структура льда и воды. Наиболее важной и распространенной жидкостью при нормальных условиях является вода. Эта самая распростарненная на Земле молекула! Она является прекрасным растворителем. Например, все биологические жидкости содержат воду. Вода растворяет как многие неорганические (соли, кислоты, основания) и органические вещества (спирты, сахара, карбоновые кислоты, амины). Какова структура этой жидкости? Нам опять придется вернуться к вопросу, который мы рассматривали в первой лекции, а именно, к такому специфическому межмолекулярному взаимодействию, как водородная связь. Вода, как в жидком, так и в кристаллическом виде проявляет аномальные свойства именно из-за наличия множества водородных связей. Какие это аномальные свойства: высокая температура кипения, высокая температура плавления и высокая энтальпия испарения. Посмотрим сначала на график, потом в таблицу, а затем на схему водородной связи между двумя молекулами воды. На самом деле, каждая молекула воды координирует вокруг себя 4 других молекулы воды: две за счет кислорода, как донора двух неподеленных электронных пар на два протонизированных водорода и и две за счет протонизированных водородов, координирующихся с кислородами других молекул воды. На предыдущей лекции я демонстрировал вам слайд с графиками зависимости температуры плавления, кипения и энтальпии испарения гидридов VI группы в зависимости от периода. Эти зависимости имеют явную аномалию для гидрида кислорода. Все эти параметры для воды заметно выше, чем предсказанные из практически линейной зависимости для следующих гидридов серы, селена и теллура. Мы объяснили это существованием водородной связи между протонизированным водородом и акцептором электронной плотности - кислордом. Наиболее успешно водородная связь исследуется с использованием колебательной инфракрасной спектроскопии. Свободная ОН-группа имеет характеристическую энергию колебаний, которая вызывает переменное удлинение и укорочение связи О-Н, давая характеристичную полосу в инфракрасном спектре поглощения молекулы. Однако, если ОН-группа участвует в водородной связи, атом водорода оказывается связанный атомами с обеих сторон и таким образом его колебание «демпфируется» и частота уменьшается. Из следующей таблицы видно, что увеличение силы и «концентрации» водородной связи приводит к уменьшению частоты поглощения. На приведенном рисунке кривая 1 соответствует максимуму инфракрасного спектра поглощения групп О-Н во льду (где все Н-связи завязаны); кривая 2 соответствует максимуму инфракрасного спектра поглощения групп О-Н отдельных молекул Н2О, растворенных в CCl4 (где Н-связей нет - раствор Н2О в CCl4 слишком разбавлен); а кривая 3 соответствует спектру поглощения жидкой воды. Если бы в жидкой воде было бы два сорта О-Н групп - образующие водородные связи и не образующие их - и одни О-Н группы в воде колебались бы так же (с той же частотой), как во льду (где они образуют Н-связи), а другие - как в окружении CCl4 (где они Н-связей не образуют). Тогда спектр воды имел бы два максимума, соответствующие двум состояниям О-Н групп, двум их характерным частотам колебаний: с какой частотой группа колеблется, с такой и поглощает свет. Но "двухмаксимумная" картина не наблюдается! Вместо нее на кривой 3 мы видим один, очень размытый максимум, простирающийся от максимума кривой 1 до максимума кривой 2. Это значит, что все О-Н группы в жидкой воде завязывают водородные связи - но все эти связи имеют иную энергию, «разболтаны» (имеют другую энергетику), причем по-разному. Это показывает, что картина, в которой часть водородных связей в воде разорвана, а часть сохранена, строго говоря, неверна. Однако она столь проста и удобна для описания термодинамических свойств воды, что ею широко пользуются - и мы тоже будем к ней обращаться. Но надо иметь в виду, что она не вполне точна.
Таким образом, ИК-спектроскопия является мощным методом исследования водородной связи и многие сведения о структуре ассоциированных за ее счет жидкостей и твердых тел добыты с помощью этого спектрального метода. В итоге, для жидкой воды льдоподобная модель (модель О.Я. Самойлова) является одной из наиболее общепризнанных. Согласно этой модели жидкая вода имеет нарушенный тепловым движением (свидетельство и следствие теплового движения - броуновское движение, которое впервые наблюдал английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. на пыльце под микроскопом) льдоподобный тетраэдрический каркас (каждая молекула воды в кристалле льда связана водородными связями с пониженной энергетикой по сравнению с таковой во льду -«разболтанные» водородные связи) с четырьмя окружающими ее молекулами воды), пустоты этого каркаса частично заполнены молекулами воды, причем молекулы воды, находящиеся в пустотах и в узлах льдоподобного каракаса, энергетически неравноценны.

В отличие от воды, в кристалле льда в узлах кристаллической решетки находятся молекулы воды равноценные по энергии и они могут совершать исключительно колебательные движения. В таком кристалле существует как ближний, так и дальний порядок. В жидкой воде (как для полярной жидкости) некоторые элементы кристаллической структуры сохраняются (причем, даже в газовой фазе молекулы жидкости упорядочивается в небольшие малоустойчивые кластеры), но отсутствует дальний порядок. Таким образом, структура жидкости отличается от структуры газа наличием ближнего порядка, но отличается от структуры кристалла отсутствием дальнего порядка. Наиболее убедительно об этом свидетельствует исследование рассеивания ренгенновских лучей. Три соседа каждой молекулы в жидкой воде расположены в одном слое и находятся на большем от нее расстоянии (0,294 нм), чем четвертая молекула из соседнего слоя (0,276 нм). Каждая молекула воды в составе льдоподобного каркаса образует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центральносимметричных (менее прочных) связи. Первая относится к связи между молекулами воды данного слоя и соседних слоев, остальные - к связям между молекулами воды одного слоя. Поэтому четвертая часть всех связей-зеркальносимметричные, а три четверти центральносимметричные. Представления о тетраэдрическом окружении молекул воды привели к выводу о высокой ажурности ее строения и наличии в ней пустот, размеры которых равны или превышают размеры молекул воды.

Элементы структуры жидкой воды. а - элементарный водный тетраэдр (светлые кружки - атомы кислорода, черные половинки - возможные положения протонов на водородной связи); б - зеркальносимметричное расположение тетраэдров; в - центральносимметричное расположение; г - расположение кислородных центров в структуре обычного льда. Вода характеризуется значительными силами межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, которые образуют пространственную сетку. Как мы говорили на предыдущей лекции, водородная связь обусловлена способностью атома водорода, соединенного с электроотрицательным элементом, образовывать дополнительную связь с электроотрицательным атомом другой молекулы. Водородная связь относительно прочна и составляет несколько 20-30 килоджоулей на моль. По прочности она занимает промежуточное место между энергией Ван-дер-Ваальса и энергией типично ионной связи. В молекуле воды энергия химической связи H-O составляет 456 кДж/моль, а энергия водородной связи H…O 21 кДж/моль.

Соединения водорода
Молекулярный вес Температура,  С
замерзания Кипения
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Структура льда. Нормальный лед. Пунктир - Н-связи. В ажурной структуре льда видны небольшие полости, окруженные молекулами Н2О.
Таким образом, структура льда - ажурная постройка из молекул воды, связанных между собой лишь водородными связями. Расположение молекул воды в структуре льда обуславливает наличие в структуре широких каналов. В процессе плавления льда молекулы воды "проваливаются" в эти каналы, что объясняет повышение плотности воды по сравнению с плотностью льда. Кристаллы льда встречаются в виде правильных шестиугольных пластинок, таблитчатых выделений и сложных по форме сростков. Структура нормального льда диктуется водородными Н-связями: она хороша для геометрии этих связей (О-Н смотрит прямо на О), но не очень хороша для плотного Вандерваальсового контакта молекул Н2О. Поэтому структура льда ажурна, в нем молекулы Н2О обволакивают микроскопические (размером меньше молекулы Н2О) поры. Ажурность структуры льда приводит к двум хорошо известным эффектам: (1) лед менее плотен, чем вода, он плавает в ней; и (2) под сильным давлением - например, лезвия конька лед подплавляется. Большинство из существующих во льду водородных связей сохраняется и в жидкой воде. Это следует из малости теплоты плавления льда (80 кал/г) по сравнению с теплотой кипения воды (600 кал/г при 0оС). Можно было бы сказать, что в жидкой воде рвется только 80/(600+80) = 12% из существующих во льду Н-связей. Однако эта картина - что часть водородных связей в воде разорвана, а часть сохранена - не совсем точна: скорее, все водородные связи в воде разбалтываются. Это хорошо иллюстрируется следующими экспериментальными данными.

Структура растворов. От конкретного примеров для воды перейдем к другим жидкостям. Разные жидкости отличаются друг от друга размерами молекул и характером межмолекулярных взаимодействий. Таким образом, в каждой конкретной жидкости существует определенная псевдокристаллическая структура, характеризующаяся ближним порядком и, в какой-то степени, напоминающая структуру, получающуюся при замерзании жидкости и превращения ее в твердое тело. При растворении другого вещества, т.е. при образовании раствора, характер межмолекулярных взаимодействий изменяется и появляется новая структура с иным расположением частиц, чем в чистом растворителе. Эта структура зависит от состава раствора и является специфичной для каждого конкретного раствора. Образование жидких растворов обычно сопровождается процессом сольватации, т.е. выстраивание молекул растворителя вокруг молекул растворенного вещества вследствие действия межмолекулярных сил. Различают ближнюю и дальнюю сольватацию, т.е. вокруг молекул (частиц) растворенного вещества образуется первичная и вторичная сольватные оболочки. В первичной сольватной оболочке в непосредственной близости находятся молекулы растворителя, которые движутся вместе с молекулами растворенного вещества. Число молекул растворителя находящихся в первичной сольватной оболочке называется координационным числом сольватации, которое зависит и от природы растворителя и от природы растворенного вещества. В состав вторичной сольватационной оболочки входят молекулы растворителя, которые находятся на значительно больших расстояниях и влияют на протекающие в растворе процессы за счет взаимодействия с первичной сольватной оболочкой.
При рассмотрении стабильности сольватов различают кинетическую и термодинамическую устойчивость.
В водных растворах количественными характеристиками кинетической гидратации (О.Я. Самойлов) служат величины i/ и Ei=Ei-E, где iи  - среднее время пребывания молекул воды в положении равновесия вблизи i-го иона и в чистой воде, а Ei и E – энергия активации обмена и энергия активации процесса самодиффузии в воде. Эти величины связаны между собой приближенным соотношенеим:
i/  exp(Ei/RT) При этом,
если EI  0, i/  1 (обмен ближайших к иону молекул воды происходит реже (медленее), чем обмен между молекулами в чистой воде) – положительная гидратация
если EI  0, i/  1 (обмен ближайших к иону молекул воды происходит чаще (быстрее), чем обмен между молекулами в чистой воде) – отрицательная гидратация

Так, для иона лития EI = 1.7 кдж/моль, а для иона цезия Ei= - 1.4 кдж/моль, т.е. маленький «жесткий» ион лития удерживает молекулы воды сильней, чем имеющий тот же заряд, но большой и «диффузный» ион цезия. Термодинамическая устойчивость образующихся сольватов определяется изменением энергии Гиббса при сольватации (solvG) = (solvH) - T(solvS). Чем эта величина более отрицательна, тем более устойчив сольват. В основном, это определяется отрицательными значениями энтальпии сольватации.
Понятие о растворах и теориях растворов. Истиные растворы получаются самопроизвольно при соприкосновении двух или более веществ, вследствие разрушения связей между частицами одного типа и образования связей другого типа и распределение вещества по всему объему вследствие диффузии. Растворы по свойствам разделяются на идеальные и реальные, растворы электролитов и неэлектролитов, разбавленные и концентрированные, ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные. Свойства расторов зависят от природы и величины ММВ. Эти взаимодействия могут иметь физическую природы (силы Ван-дер-Ваальса) и сложную физико-химическую природу (водородная связь, ион-молекулярная, комплексы с переносом заряда и т.д.). Процесс образования раствора характеризуется одновременным проявлением между взаимодействующими частицами сил притяжения и отталкивания. При отсутствии сил отталкивания частицы бы сливались (слипались) и жидкости могли бы быть неограничено сжаты, при отсутствии сил притяжения нельзя было бы получить жидкости или твердые тела. В предыдущей лекции мы рассматривали физическую и химическую теории растворов.
Однако, создание единой теории растворов наталкивается на значительные трудности и в настоящее время она все еще не создана, хотя проводятся исследования самыми современными методами квантовой механики, статистической термодинамики и физики, кристаллохимии, рентгеноструктурного анализа, оптическими методами, методами ЯМР. Реактивное поле. В продолжении расмотрения сил межмолекулярного взаимодействия, рассмотрим концепцию «реактивного поля», которая важна для понимания структуры и строения конденсированных сред и реальных газов, в частности, жидкого состояния, а значит и всей физической химии жидких растворов.
Реактивное поле возникает в смесях полярных и неполярных молекул, например, для смесей углеводородов и нафтеновых кислот. Полярные молекулы воздействуют полем определенной симметрии (симметрия поля определяется симметрией вакантных молекулярных орбиталей) и напряженности Н на неполярные молекулы. Последние поляризуются из-за разделения зарядов, что приводит к появлению (наведению) диполя. Молекула с индуцированным диполем в свою очередь воздействует на полярную молекулу, изменяя ее электромагнитное поле, т.е. возбуждает реактивное (ответное) поле. Возникновение реактивного поля приводит к повышению энергии взаимодействия частиц, что выражается в создании прочных сольватных оболочек у полярных молекул в смеси полярных и неполярных молекул.
Энергию реактивного поля расчитывают по следующей формуле: где:
знак «-» - определяет притяжение молекул
S – статическая электрическая проницаемость
беск. – диэлектрическая проницаемость, обусловленная электронной и атомной поляризуемостью молекул
NA - число Авогадро
VM – объем, занимаемый 1 молем полярного вещества в изотропной жидкости v = дипольный момент
ER - энергия 1 моля полярного вещества в растворе
Концепция «реактивного поля» позволит нам лучше понять структуру чистых жидкостей и растворов. Квантово-химический подход к исследованию реактивного поля развит работах М. В. Базилевского и его сотрудников в Научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л. Я. Карпова Таким образом, проблема жидкого состояния ждет своих молодых исследователей. Вам и карты в руки.

1. Модель строения жидкостей. Насыщенные и ненасыщенные пары; зависимость давления насыщен­ного пара от температуры; кипение. Влажность воз­духа; точка росы, гигрометр, психрометр.

Испарение - парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. При тепловом движении при любой температуре кинетическая энергия молекул жидкости не значительно превышает потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости.

Конденсация - процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества.

Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром . (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.

Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью . Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р).

Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е.

Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40-60%.

Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения.

Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.

Урок №2/5 2

Тема №26: «Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха.»

1 Модель строения жидкости

Жи́дкость — одно из агрегатных состояний вещества . Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Рис.1

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом : газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.

Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур , ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло ), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления .

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси . Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь , морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей .

Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу , то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести : достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа , между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля , справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C.

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью . Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей относительно другой — то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением . Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую — энергию хаотического движения молекул.

Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится. В паре, подобно газу, можно почти не учитывать сил сцепления и рассматривать движение как свободный полет молекул и соударение их друг с другом и с окружающими телами (стенками и жидкостью, покрывающей дно сосуда). В жидкости молекулы, как и в твердом теле, сильно взаимодействуют, удерживая друг друга. Однако, в то время как в твердом теле каждая молекула сохраняет неограниченно долго определенное положение равновесия внутри тела и движение ее сводится к колебанию около этого равновесного положения, характер движения в жидкости иной. Молекулы жидкости движутся гораздо свободнее, чем молекулы твердого тела, хотя и не так свободно, как молекулы газа. Каждая молекула в жидкости в течение некоторого времени движется то туда, то сюда, не удаляясь, однако, от своих соседей. Это движение напоминает колебание молекулы твердого тела около положения равновесия. Однако время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где опять в течение некоторого времени совершает движение, подобное колебанию.

Таким образом, движение молекул жидкости представляет собой нечто вроде смеси движений в твердом теле и в газе: «колебательное» движение на одном месте сменяется «свободным» переходом из одного места в другое. В соответствии с этим строение жидкости представляет что-то среднее между строением твердого тела и строением газа. Чем выше температура, т. е. чем больше кинетическая энергия молекул жидкости, тем большую роль играет «свободное» движение: тем короче промежутки «колебательного» состояния молекулы и чаще «свободные» переходы, т. е. тем больше жидкость уподобляется газу. При достаточно высокой температуре, характерной для каждой жидкости (так называемой критической температуре), свойства жидкости не отличаются от свойств сильно сжатого газа.

2 Насыщенные и ненасыщенные пары и их свойства

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости. Если сосуд с жидкостью не закрыт, то концентрация частиц пара при постоянной температуре может изменяться в широких пределах в сторону уменьшения и в сторону увеличения.

Процесс испарения в замкнутое пространство (закрытый сосуд с жидкостью) может при данной температуре происходить только до определенного предела . Это объясняется тем, что одновременно с испарением жидкости происходит конденсация пара. Сначала число молекул, вылетающих из жидкости за 1 с, больше числа молекул, возвращающихся обратно, и плотность, а значит, и давление пара растет. Это приводит к увеличению скорости конденсации. Через некоторое время наступает динамическое равновесие, при котором плотность пара над жидкостью становится постоянной.

Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Пар, который не находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Опыт показывает, что ненасыщенные пары подчиняются всем газовым законам , и тем точнее, чем дальше они от насыщения Для насыщенных паров характерны следующие свойства:

1. плотность и давление насыщенного пара при данной температуре — это максимальные плотность и давление, которые может иметь пар при данной температуре;
2. плотность и давление насыщенного пара зависят от рода вещества. Чем меньше удельная теплота парообразования жидкости, тем быстрее она испаряется и тем больше давление и плотность ее паров;
3. давление и плотность насыщенного пара однозначно определяются его температурой (не зависят от того, каким образом пар достиг этой температуры: при нагревании или при охлаждении);
4. давление и плотность пара быстро возрастают с увеличением температуры (рис. 1, а, б).

Опыт показывает, что при нагревании жидкости уровень жидкости в закрытом сосуде понижается. Следовательно, масса и плотность пара возрастают. Более сильное увеличение давления насыщенного пара по сравнению с идеальным газом (закон Гей-Люссака не применим к насыщенному пару) объясняется тем, что здесь происходит рост давления не только за счет роста средней кинетической энергии молекул (как у идеального газа), но и за счет увеличения концентрации молекул;

1. при постоянной температуре давление и плотность насыщенного пара не зависят от объема. На рисунке 2 для сравнения приведены изотермы идеального газа (а) и насыщенного пара (б).

Рис. 2

Опыт показывает, что при изотермическом расширении уровень жидкости в сосуде понижается, при сжатии — повышается, т.е. изменяется число молекул пара так, что плотность пара остается постоянной.

3 Влажность воздуха

Воздух, содержащий водяные пары, называют влажным . Для характеристики содержания водяного пара в воздухе вводят ряд величин: абсо лютную влажность, упругость водяного пара и относительную влажность.

Абсолютной влажностью ρ воздуха называют величину, численно равную массе водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха (т.е. плотность водяного пара в воздухе при данных условиях).

Упругость водяного пара p — это парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе. В СИ единицами абсолютной влажности и упругости являются соответственно килограмм на кубический метр (кг/м 3 ) и паскаль (Па).

Если известна только абсолютная влажность или упругость водяного пара, еще нельзя судить, насколько сух или влажен воздух. Для определения степени влажности воздуха необходимо знать, близок или далек водяной пар от насыщения.

Относительной влажностью воздуха φ называют выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к плотности ρ 0 насыщенного пара при данной температуре (или отношение упругости водяного пара к давлению p 0 насыщенного пара при данной температуре):

Чем меньше относительная влажность, тем дальше пар от насыщения, тем интенсивнее происходит испарение. Давление насыщенного пара p 0 при заданной температуре — величина табличная. Упругость водяного пара (а значит, и абсолютную влажность) определяют по точке росы.

При изобарном охлаждении до температуры t p пар становится насыщенным и его состояние изобразится точкой В . Температуру t p , при которой водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы . При охлаждении ниже точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса, запотевают окна.

4 Измерение влажности воздуха

Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический.

Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.

Принцип действия волосного гигрометра основан на свойстве обезжиренного волоса (человека или животного) изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха, в котором он находится.

Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. Волосной гигрометр в зимнее время являются основным прибором для измерения влажности воздуха вне помещения.

Более точным гигрометром является гигрометр психрометрический – психрометр
(по др. гречески "психрос" означает холодный).
Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения.
Чем меньше влажность воздуха, тем легче влаге испаряться.

В психрометре есть два термометра . Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания, следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров.

Точку росы определяют с помощью гигрометров. Конденсационный гигрометр представляет собой металлическую коробку А , передняя стенка К которой хорошо отполирована (рис. 2) Внутрь коробки наливают легко испаряющуюся жидкость — эфир — и вставляют термометр. Пропуская через коробку воздух с помощью резиновой груши Г , вызывают сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки К . Давление в области, прилегающей к стенке, можно считать постоянным, так как эта область сообщается с атмосферой и понижение давления за счет охлаждения компенсируется увеличением концентрации пара. Появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным. Зная температуру воздуха и точку росы, можно найти парциальное давление водяного пара и относительную влажность.

Рис. 2

5 Задачи для самостоятельного решения

Задача 1

На улице идет холодный осенний дождь. В каком случае быстрее высохнет белье, развешенное на кухне: когда форточка открыта, или когда закрыта? Почему?

Задача 2

Влажность воздуха равна 78%, а показание сухого термометра равно 12 °С. Какую температуру показывает влажный термометр? (Ответ: 10 °С.)

Задача 3

Разность в показаниях сухого и влажного термометров равна 4 °С. Относительная влажность воздуха 60%. Чему равны показания сухого и влажного термометра? (Ответ: t c -l9 °С, t m = 10 °С.)

1. Существует множество явлений природы, которые можно понять, лишь зная строение вещества. К таким явлениям относятся, например, процессы нагревания и охлаждения тел, превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое и газообразное, образования тумана и др.

Вопрос о том, какое строение имеют вещества, занимал людей ещё в древности. Так, в V в. до н.э. древнегреческий мыслитель Демокрит высказал мысль о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, невидимых глазом. Он считал, что существует предел деления вещества. Эту последнюю неделимую частичку, сохраняющую свойства вещества, он назвал «атомом». Демокрит также полагал, что атомы непрерывно движутся и что вещества различаются числом атомов, их размерами, формой, порядком расположения.

Догадка древних мыслителей не сразу превратилась в научную идею. У неё было много противников: Аристотель, в частности, считал, что тело можно делить до бесконечности. Справедливость той или иной гипотезы мог подтвердить только опыт; осуществить же его в то время было невозможно. Поэтому идеи Демокрита были на какое-то время забыты. К ним вернулись в эпоху Возрождения. В XVII-XVIII вв. были изучены свойства газов, а затем в XIX в. построена теория строения вещества в газообразном состоянии. Большой вклад в развитие теории строения вещества внёс русский учёный М.В. Ломоносов (1711 -1765 г.г.), который считал, что вещество состоит из атомов, и, используя эти представления, сумел объяснить такие явления, как испарение, теплопроводность и др.

2. В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения.

Положение 1. Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки. Такими частицами могут быть молекулы, атомы, ионы.

Доказательством этого положения служат факты, установленные в ходе наблюдений и экспериментов. К таким фактам относятся сжимаемость тел, растворимость веществ в воде и др. Так, если растворить немного краски в воде, то вода окрасится. Если каплю этой воды поместить в другой стакан с чистой водой, то эта вода также окрасится, только цвет её будет менее насыщенным. Можно повторить эту операцию ещё несколько раз. В каждом случае раствор будет окрашен, только более слабо, чем в предыдущем. Это значит, что капля краски делится на частицы. Приведённые факты и описанный опыт позволяют сделать вывод о том, что тела не сплошные, они состоят из маленьких частиц.

О том, что тела не сплошные, а между частицами, из которых они состоят, существуют промежутки, свидетельствует то, что газ в цилиндре можно сжать поршнем, можно сжать воздух в воздушном шаре, ластик или кусок резины, тела сжимаются при охлаждении и расширяются при нагревании. Так, ненагретый шарик свободно проходит через кольцо, диаметр которого чуть больше диаметра шарика. Если шарик нагреть в пламени спиртовки, то он в кольцо не пройдет.

3. Из опытов, которые были рассмотрены выше, следует, что вещество можно разделить на отдельные частицы, сохраняющие его свойства. Однако существует определённый предел деления вещества, т.е. существует самая маленькая частица вещества, которая сохраняет его свойства. Меньшей частицы, которая сохраняет свойства данного вещества, просто не существует.

Наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства, называется молекулой.

Слова «химические свойства» означают следующее. Поваренная соль - это вещество, представляющее собой соединение натрия и хлора (NaCl). Это соединение имеет определённые химические свойства, в частности, оно может вступать в реакцию с каким-либо другим веществом. При этом и кристалл соли, и молекула этого химического соединения будут вести себя в реакции одинаково. В этом смысле и говорят, что молекула сохраняет химические свойства данного вещества.

4. Опыты, которые были описаны, говорят о том, что молекулы имеют маленькие размеры. Увидеть их невооруженным глазом невозможно. Диаметр крупных молекул примерно 10 -8 см.

Поскольку молекулы так малы, то в телах их содержится очень много. Так, в 1 см 3 воздуха содержится 27·10 18 молекул.

Масса молекул, так же как и её размеры, очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна 3,3·10 -24 г или 3,3·10 -27 кг, а масса одной молекулы воды - 3·10 -26 кг. Масса молекул одного и того же вещества одинакова. В настоящее время масса и размеры молекул различных веществ определены достаточно точно.

5. Молекулы состоят из ещё более мелких частиц, которые называются атомами . Например, молекулу воды можно разделить на водород и кислород. Однако водород и кислород уже другие вещества, и они обладают свойствами, отличными от свойств воды. Разложить молекулу воды на такие вещества можно в процессе химической реакции.

Атом - наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли - из одного атома натрия и одного атома хлора. Молекула сахара более сложная: она состоит из б атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода, а молекула белков состоит из тысячи атомов.

Существуют вещества, молекулы которых содержат однородные атомы. Например, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода - из двух атомов кислорода.

В природе есть вещества, которые состоят не из молекул, а из атомов. Их называют простыми. Примерами таких веществ могут служить алюминий, железо, ртуть, олово и др.

Любое вещество, независимо от того, как оно получено, содержит одни и те же атомы. Например, молекула воды, полученная при таянии льда, или из сока ягод, или налитая из-под крана, содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекула кислорода, извлечённая из атмосферного воздуха или полученная в ходе какой-либо химической реакции, содержит два атома кислорода.

6. Положение 2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении . Поскольку молекулы малы, то непосредственно наблюдать и доказать их движение невозможно. Однако целый ряд экспериментальных фактов и наблюдаемых явлений является следствием движения молекул. К ним относятся прежде всего броуновское движение и диффузия.

7. Положение 3. Молекулы взаимодействуют между собой, между ними действуют силы и притяжения и отталкивания.

Наблюдения показывают, что тела не распадаются на отдельные молекулы. Твёрдые тела, например деревянную палку, металлический стержень, трудно растянуть или сломать. Их также трудно и сжать. Нелегко сжать и жидкость в сосуде. Газы сжать легче, но всё равно нужно приложить для этого некоторое усилие.

Если тела не распадаются на молекулы, то очевидно, что молекулы притягиваются друг к другу . Взаимное притяжение удерживает молекулы друг около друга.

Если взять два свинцовых цилиндра и прижать их друг к другу, а затем отпустить, то они разъединятся. Если поверхности цилиндров зачистить и вновь прижать их друг к другу, то цилиндры «слипнутся». Они не разъединятся даже в том случае, если к нижнему цилиндру подвесить груз массой несколько килограммов. Этот результат можно объяснить так: цилиндры удерживаются вместе, поскольку между молекулами действуют силы притяжения.

До того, как цилиндры зачистили, они разъединялись, поскольку поверхности цилиндров имели неровности, которые были устранены при зачистке. Поверхности стали гладкими, и это привело к уменьшению расстояний между молекулами, находящимися на поверхностях цилиндров, когда их прижали друг к другу. Следовательно, силы притяжения между молекулами действуют на малых расстояниях . Эти расстояния равны примерно размерам молекулы. Именно поэтому нельзя разбив чашку и соединив осколки, получить целую чашку. Нельзя, разломив палку на две части и соединив их, получить целую палку.

Наряду с силами притяжения, между молекулами действуют силы отталкивания, которые препятствуют сближению молекул. Это объясняет то, что тела трудно сжать, сжатая пружина принимает первоначальную форму после прекращения действия на неё внешней силы. Это происходит потому, что при сжатии молекулы сближаются и силы отталкивания, действующие между ними, возрастают. Они и приводят пружину в первоначальное состояние.

При растяжении тела сила отталкивания уменьшается в большей степени, чем сила притяжения. При сжатии тела сила отталкивания увеличивается в большей степени, чем сила притяжения.

8. Вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Свойства тел в разных агрегатных состояниях различны.

Так, твёрдое тело имеет определённую форму и определённый объём. Его трудно сжать или растянуть; если его сжать, а потом отпустить, то оно, как правило, восстанавливает свою форму и объём. Исключение составляют некоторые вещества, твёрдое состояние которых близко по своим свойствам к жидкостям (пластилин, воск, вар).

Жидкость принимает форму сосуда, в который она налита. Это говорит о том, что жидкость в условиях Земли не имеет своей формы. Только очень маленькие капли жидкости имеют свою форму - форму шара.

Объём жидкости изменить чрезвычайно трудно. Так, если набрать воду в насос, закрыть отверстие внизу и попытаться сжать воду, вряд ли это удастся. Это означает, что жидкость имеет собственный объём.

В отличие от жидкости объём газа изменить довольно легко. Это можно сделать, сжав руками мяч или воздушный шарик. Газ не имеет собственного объёма, он занимает полностью объём сосуда, в котором находится. То же можно сказать и о форме газа.

Таким образом, твёрдые тела имеют собственные форму и объём, жидкости имеют собственный объём, но не имеют собственной формы, газы не имеют ни собственного объёма, ни собственной формы . Твёрдые тела и жидкости трудно сжать, газы легко сжимаемы.

Объяснить эти свойства тел можно, используя знания о строении вещества.

Поскольку газы занимают весь предоставленный им объём, то очевидно, что силы притяжения между молекулами газа малы. А это значит, что молекулы находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. В среднем они в десятки раз больше расстояний между молекулами жидкости. Это подтверждается тем, что газы легко сжимаемы.

Малые силы притяжения влияют и на характер движения молекул газа. Молекула газа движется прямолинейно до столкновения с другой молекулой, в результате чего меняет направление своего движения и движется прямолинейно до следующего столкновения.

Твёрдые тела трудно сжать. Это связано с тем, что молекулы находятся близко друг от друга и при небольшом изменении расстояния между ними резко возрастают силы отталкивания. Сравнительно большое притяжение между молекулами твёрдых тел приводит к тому, что они сохраняют форму и объём.

Атомы или молекулы большинства твёрдых тел расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решетку . На рисунке 63 изображена кристаллическая решётка поваренной соли. В узлах кристаллической решётки находятся атомы натрия (Na) и хлора (Cl). Частицы твёрдого тела (атомы или молекулы) совершают колебательное движение относительно узла кристаллической решётки.

В жидкостях молекулы расположены также довольно близко друг к другу. Поэтому их трудно сжать, и они имеют свой объём. Однако силы притяжения между молекулами жидкости не настолько велики, чтобы жидкость сохраняла свою форму.

Характер движения молекул жидкости очень сложен. Они располагаются не так упорядоченно, как молекулы твёрдых тел, но в большем порядке, чем молекулы газов. Молекулы жидкости совершают колебательное движение относительно положений равновесия, однако с течением времени эти положения равновесия смещаются.

На рисунке 64 показано расположение молекул воды в разных агрегатных состояниях: в твёрдом (в), жидком (б), газообразном (а).

Часть 1

1. Молекула - это

1) мельчайшая частица вещества
2) частица вещества, сохраняющая его химические свойства
3) мельчайшая частица вещества, сохраняющая все его свойства
4) мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства

2. О том, что между частицами вещества существуют промежутки, свидетельствуют:

А. Сжимаемость газов
Б. Разделение вещества на части

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

3. При нагревании столбика воды в чайнике

1) уменьшается среднее расстояние между молекулами воды
2) увеличивается среднее расстояние между молекулами воды
3) увеличивается объём молекул воды
4) уменьшается объём молекул воды

4. При растяжении медной проволоки между молекулами

1) действуют только силы притяжения
2) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы притяжения больше сил отталкивания
3) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы отталкивания больше сил притяжения
4) действуют только силы отталкивания

5. Твёрдое упругое тело сжали, поставив на него груз. Как изменились силы взаимодействия между молекулами вещества этого тела?

1) увеличились только силы притяжения
2) увеличились только силы отталкивания
3) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы притяжения стали больше, чем силы отталкивания
4) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы отталкивания стали больше, чем силы притяжения

6. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет собственной формы, но имеет собственный объём?

1) только в жидком
2) только в газообразном
3) в жидком или газообразном
4) только в твёрдом

7. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет ни собственной формы, ни собственного объёма?

1) только в жидком
2) только в газообразном
3) в жидком или газообразном
4) только в твёрдом

8. Наименьшая упорядоченность в расположении частиц характерна для

1) газов
2) жидкостей
3) кристаллических тел
4) аморфных тел

9. В процессе перехода воды из жидкого состояния в кристаллическое

1) увеличивается расстояние между молекулами
2) молекулы начинают притягиваться друг к другу
3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул
4) уменьшается расстояние между молекулами

10. При превращении леденца из аморфного состояния в кристаллическое на его поверхности образуются кристаллики сахара. При этом

1) существенно увеличиваютcя расстояния между молекулами сахара
2) молекулы сахара перестают хаотически двигаться
3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул сахара
4) существенно уменьшаются расстояния между молекулами сахара

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Молекула - мельчайшая частица вещества.
2) Передача давления жидкостью и газом обусловлена подвижностью их молекул.
3) В не деформированном теле силы притяжения между молекулами равны силам отталкивания.
4) На малых расстояниях между молекулами действуют только силы отталкивания.
5) Взаимодействие между молекулами имеет гравитационную природу.

12. Из приведённых утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вода при переливании из одного сосуда в другой принимает форму сосуда.
2) Диффузия в жидкостях происходит быстрее, чем в газах.
3) Молекулы вещества находятся в непрерывном направленном движении.
4) При данной температуре все молекулы движутся с одинаковыми скоростями.
5) Вода растекается по деревянному столу, так как силы взаимодействия между молекулами воды меньше, чем силы взаимодействия между молекулами воды и дерева.

Ответы

Строение газов, жидкостей и твердых тел.

Основные положения молекулярно-кинетической теории :

все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов,

атомы и молекулы находятся в постоянном движении,

между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.

В газах молекулы двигаются хаотически, расстояния между молекулами большие, молекулярные силы малы, газ занимает весь предоставленный ему объем.

В жидкостях молекулы располагаются упорядочно только на малых расстояниях, а на больших расстояниях порядок (симметрия) расположения нарушается – “ближний порядок”. Силы молекулярного притяжения удерживают молекулы на близком расстоянии. Движение молекул – “перескоки ” из одного устойчивого положения в другое (как правило, в пределах одного слоя. Таким движением объясняется текучесть жидкости. Жидкость не имеет форму, но имеет объем.

Твердые тела – вещества, которые сохраняют форму, делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют кристаллическую решетку, в узлах которой могут находиться ионы, молекулы или атомы Они совершают колебания относительно устойчивых положений равновесия.. Кристаллические решетки имеют правильную структуру по всему объему – “дальний порядок” расположения.

Аморфные тела сохраняют форму, но не имеют кристаллической решетки и, как следствие, не имеют ярко выраженной температуры плавления. Их называют застывшими жидкостями, так как они, как жидкости имеют “ближний ” порядок расположения молекул.

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др. Причина взаимодействия молекул - это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе. Как это объяснить? Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна. Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул. Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать. На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет. Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения. При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания. Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия. Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна. В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул. Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией. Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул. Сильное взаимодействие частиц. Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел. Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц. Такие твердые тела называются кристаллическими.

Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул. Слабое взаимодействие частиц. Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями. Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости. В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы. По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул. Частицы вещества практически не взаимодействуют. Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы. Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.