Gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade struktuur. Vedeliku ja gaasi struktuur Vedeliku molekulaarstruktuur

Molekulaarkineetiline teooria võimaldab mõista, miks aine võib olla gaasilises, vedelas ja tahkes olekus.

Gaas. Gaasides on aatomite või molekulide vaheline kaugus keskmiselt mitu korda suurem kui molekulide endi suurus (joonis 10). Näiteks atmosfäärirõhul on anuma maht kümneid tuhandeid kordi suurem anumas olevate gaasimolekulide mahust.

Gaasid on kergesti kokku surutavad, kuna gaasi kokkusurumisel väheneb ainult molekulide keskmine kaugus, kuid molekulid ei "pigista" üksteist (joonis 11).


Kosmoses liiguvad tohutu kiirusega molekulid – sadu meetreid sekundis. Põrkudes põrkuvad nad üksteiselt erinevatesse suundadesse nagu piljardipallid.
Gaasimolekulide nõrgad tõmbejõud ei suuda neid üksteise lähedal hoida. Seetõttu võivad gaasid lõpmatuseni paisuda. Nad ei säilita ei kuju ega mahtu.
Molekulide arvukad mõjud anuma seintele tekitavad gaasirõhu.

Vedelikud. Vedelikes paiknevad molekulid peaaegu üksteise lähedal (joon. 12). Seetõttu käitub vedelikus olev molekul teisiti kui gaasis. Nagu rakus, teiste molekulide külge kinnitatud, sooritab see "paigaljooksu" (võngub ümber tasakaaluasendi, põrkudes kokku naabermolekulidega). Ainult aeg-ajalt teeb ta "hüppe", murdes läbi "puuri trellide", kuid siis kukub uude "puuri", mille moodustavad uued naabrid. Veemolekuli “istuv elu” ehk võnkumiste aeg ühe kindla tasakaaluasendi ümber toatemperatuuril on keskmiselt 10–11 s. Ühe võnkumise aeg on palju lühem (10–12 – 10–13 s). Temperatuuri tõustes molekulide "istuv eluiga" väheneb. Molekulaarse liikumise olemus vedelikes, mille tegi esmakordselt kindlaks nõukogude füüsik Ya. I. Frenkel, võimaldab mõista vedelike põhiomadusi.

Frenkel Jakov Iljitš (1894 - 1952) - silmapaistev Nõukogude teoreetiline füüsik, kes andis olulise panuse erinevatesse füüsikavaldkondadesse. Ya. I. Frenkel on aine vedela oleku kaasaegse teooria autor. Ta pani aluse ferromagnetismi teooriale. Ya. I. Frenkeli tööd atmosfääri elektri ja Maa magnetvälja tekke kohta on laialt tuntud. Esimese uraani tuumade lõhustumise kvantitatiivse teooria lõi Ya. I. Frenkel.

Vedelad molekulid asuvad vahetult üksteise kõrval. Seetõttu, kui proovite vedeliku mahtu isegi vähesel määral muuta, algab molekulide endi deformatsioon (joonis 13). Ja see nõuab palju jõudu. See seletab vedelike madalat kokkusurutavust.

Vedelikud, nagu teate, on vedelad, see tähendab, et nad ei säilita oma kuju. Seda selgitatakse järgmiselt. Kui vedelik ei voola, siis toimuvad molekulide hüpped ühest "istuvast" asendist teise sama sagedusega, kuid igas suunas (joon. 12). Välisjõud ei muuda märgatavalt molekulaarsete hüpete arvu sekundis, kuid molekulide hüpped ühest "istuvast" asendist teise toimuvad valdavalt välisjõu suunas (joon. 14). Sellepärast vedelik voolab ja võtab anuma kuju.
Tahked ained. Tahkete ainete aatomid või molekulid võnguvad erinevalt vedelikest teatud tasakaaluasendites. Tõsi, mõnikord muudavad molekulid oma tasakaaluasendit, kuid seda juhtub äärmiselt harva. Seetõttu säilitavad tahked ained mitte ainult mahu, vaid ka kuju.


Vedelate ja tahkete ainete vahel on veel üks oluline erinevus. Vedelikku võib võrrelda rahvahulgaga, mille üksikud liikmed tõmblevad rahutult paigal, ja tahke keha on nagu proportsionaalne kohort, mille liikmed, kuigi nad ei seisa tähelepanu all (soojusliikumise tõttu) , hoiavad omavahel keskmiselt teatud intervalle. Kui ühendada tahke keha aatomite või ioonide tasakaalukeskmed, siis saame õige ruumivõre, nn. kristalne. Joonistel 15 ja 16 on kujutatud lauasoola ja teemandi kristallvõred. Sisemine kord kristallide aatomite paigutuses viib geomeetriliselt õigete väliste vormideni. Joonisel 17 on kujutatud jakuudi teemante.

Aine põhiomaduste kvalitatiivne selgitamine molekulaarkineetilise teooria alusel, nagu olete näinud, ei ole eriti keeruline. Teooria, mis loob kvantitatiivsed seosed eksperimentaalselt mõõdetud suuruste (rõhk, temperatuur jne) ja molekulide endi omaduste, nende arvu ja liikumiskiiruse vahel, on aga väga keeruline. Me piirdume gaasiteooria käsitlemisega.

1. Esitage tõendid molekulide soojusliikumise olemasolu kohta. 2. Miks on Browni liikumine märgatav ainult väikese massiga osakeste puhul? 3. Mis on molekulaarjõudude olemus? 4. Kuidas sõltuvad molekulide vastasmõju jõud nendevahelisest kaugusest? 5. Miks kleepuvad kaks siledate ja puhaste lõigetega juhtlatti üksteise vastu surudes kokku? 6. Mille poolest erinevad gaaside, vedelike ja tahkete ainete molekulide soojusliikumine?

Vedelike ja gaaside füüsikalised põhiomadused.

LOENG 3

Vedeliku- ja gaasimehaanika uurimisobjektiks on füüsiline keha, milles piisavalt väikeste vastavasuunaliste jõudude rakendamisel muutub selle elementide suhteline asend olulisel määral. Seega on vedela keha (või lihtsalt vedela) peamine omadus voolavus. Voolavuse omadus on nii tilkvedelikel (tegelikult vedelikud, nagu näiteks vesi, bensiin, tööstuslikud õlid) kui ka gaasidel (õhk, lämmastik, vesinik, süsinikdioksiid). Vedelike ja gaaside käitumise olulise erinevuse, mida selgitatakse molekulaarstruktuuri seisukohast, määrab vaba pinna olemasolu gaasiga külgnevas tilkuvas vedelikus, pindpinevus, võimalik faasisiire jne.

Kõigil materiaalsetel kehadel, olenemata nende agregatsiooni olekust: tahked, vedelad või gaasilised, on sisemine molekulaarne (aatom) struktuur, millel on iseloomulik sisemine termiline, mikroskoopilised molekulide liikumine. Sõltuvalt molekulide liikumise kineetilise energia ja molekulidevahelise jõu interaktsiooni potentsiaalse energia vahelisest kvantitatiivsest seosest tekivad erinevad molekulaarsed struktuurid ja molekulide sisemise liikumise variatsioonid.

AT tahked ained on esmatähtis molekulaarse interaktsiooni energia molekulid, mille tulemusena on adhesioonijõudude toimel molekulid paigutatud korrapärastesse kristallvõredesse, mille sõlmedes on stabiilne tasakaal. Soojusliikumised tahkis on molekulide vibratsioonid võre sõlmede suhtes sagedusega umbes 10 12 Hz ja amplituud, mis on võrdeline võre sõlmede vahelise kaugusega.

Vastupidiselt tugevale kehale, gaasid molekulide vahel ei ole sidusjõude. Gaasi molekulid teevad juhuslikke liikumisi ja nende koostoime taandub ainult kokkupõrgeteks. Kokkupõrgete vaheaegadel võib tähelepanuta jätta molekulide omavahelise vastasmõju, mis vastab molekulide jõu interaktsiooni potentsiaalse energia väiksusele võrreldes nende kaootilise liikumise kineetilise energiaga. Keskmine kaugus kahe järjestikuse molekulide kokkupõrke vahel määrab vaba tee pikkus. Molekulide soojusliikumise keskmine kiirus on võrreldav väikeste häiringute levimiskiirusega (helikiirusega) antud gaasi olekus.

vedelad kehad oma molekulaarstruktuuri ja soojusliikumise poolest on molekulid tahkete ja gaasiliste kehade vahepealses olekus. Mõnede ümber olemasolevate vaadete kohaselt keskne, molekulid on rühmitatud naabermolekulide kaupa, mis teostavad väikeseid vibratsioone sagedusega, mis on lähedane tahke keha võres olevate molekulide vibratsioonisagedusele ja mille amplituud on molekulidevahelise keskmise kauguse suurusjärgus. Keskmolekul kas (kui vedelik on puhkeasendis) jääb liikumatuks või migreerub kiirusega, mis kattub väärtuselt ja suunast vedeliku makroskoopilise liikumise keskmise kiirusega. Vedelikus molekulide interaktsiooni potentsiaalne energia järjekorras võrreldav nende soojusliikumise kineetilise energiaga. Vedelikes molekulide vibratsiooni olemasolu tõendiks on vedelikku sisestatud väikseimate tahkete osakeste "Browni liikumine". Nende osakeste võnkumised on mikroskoobis kergesti jälgitavad ja neid võib pidada tahkete osakeste kokkupõrke tulemuseks vedelate molekulidega. Molekulidevahelise interaktsiooni olemasolu vedelikes määrab vedeliku pindpinevuse olemasolu selle piiril mis tahes muu keskkonnaga, mis sunnib seda võtma vormi, milles selle pind on minimaalne. Väikesed vedelikumahud on tavaliselt kerakujulise tilga kujul. Seetõttu nimetatakse hüdraulika vedelikke tilguti.

Tuleb märkida, et tahkete ja vedelate kehade vaheline piir ei ole alati selgelt määratletud. Seega, kui tilkuvale vedelikule (näiteks vedelikujoale) rakendatakse suuri jõude, omandab viimane lühikese interaktsiooniajaga omadused, mis on lähedased rabeda tahke aine omadustele. Kõrge rõhu all oleva vedelikujoa augu ees on omadused, mis on lähedased tahke keha omadustele. Niisiis, rõhul, mis on suurem kui 10 8 Pa, lõikab veejuga terasplaadi; rõhul umbes 5 10 7 Pa - lõikab graniiti, rõhul 1,5 10 7 - 2 10 7 Pa - hävitab kivisütt. Rõhk (1,5 - 2)·10 6 Pa on piisav erinevate muldade hävitamiseks.

Teatud tingimustel võib puududa ka piir vedelate ja gaasiliste kehade vahel. Gaasid täidavad kogu neile antud mahu, nende tihedus võib sõltuvalt rakendatavatest jõududest varieeruda laias vahemikus. Vedelikud, täites vedeliku mahust suurema mahuga anuma, moodustavad vaba pinna - vedeliku ja gaasi vahelise liidese. Tavatingimustes sõltub vedeliku maht vähe sellele mõjutavatest jõududest. Kriitilise oleku lähedal muutub vedeliku ja gaasi erinevus vaevumärgatavaks. Viimasel ajal on ilmunud vedela oleku mõiste, kui mitme nanomeetri suurused vedelikuosakesed on nende auruga piisavalt ühtlaselt segunenud. Sel juhul ei ole vedeliku ja auru vahel visuaalselt vahet.

Aur erineb gaasist selle poolest, et selle olek liikumisel on küllastumise lähedal. Seetõttu võib see teatud tingimustel osaliselt kondenseeruda ja moodustada kahefaasilise keskkonna. Kiire paisumise korral kondenseerumisprotsess viibib ja teatud ülejahutuse saavutamisel kulgeb see laviinina. Sel juhul võivad auruvoolu seadused oluliselt erineda vedelike ja gaaside voolu seadustest.

Tahkete ainete, vedelike ja gaaside omadused tulenevad nende erinevast molekulaarstruktuurist . Vedeliku- ja gaasimehaanika põhihüpotees on aga kontiinumihüpotees, mille kohaselt vedelikku kujutatakse pideva jaotusainena (kontiinumina), mis täidab ruumi ilma tühimiketa.

Vedelike ja gaaside molekulide nõrkade sidemete tõttu (sellepärast nad on vedelad) ei saa nende pindadele rakendada kontsentreeritud jõudu, vaid ainult jaotatud koormust. Vedeliku suunatud liikumine koosneb suure hulga molekulide liikumisest, mis liiguvad üksteise suhtes juhuslikult kõigis suundades. Vedeliku- ja gaasimehaanikas, mis uurib nende suunalist liikumist, eeldatakse kõigi vedeliku omaduste jaotumist vaadeldavas ruumis pidevaks. Molekulaarstruktuuri võetakse arvesse ainult vedeliku või gaasi füüsikaliste omaduste matemaatilises kirjeldamises, mida tehti gaaside transpordiprotsesside käsitlemisel.

Pideva kandja mudel on selle liikumise uurimisel väga kasulik, kuna võimaldab kasutada hästi arenenud pidevate funktsioonide matemaatilist aparaati.

Kvantitatiivselt seab kontiinummehaanika matemaatilise aparaadi gaasile rakendatavuse piirid Knudseni kriteeriumi väärtus - gaasimolekulide keskmise vaba tee suhe. l voolu iseloomulikule suurusele L

Kui a Kn< 0,01, siis võib gaasivoolu pidada pidevaks keskkonnavooluks. Kui pidev keskkond voolab ümber tahke pinna, kleepuvad selle molekulid selle külge (Prandtli kleepumise hüpotees) ja seetõttu on vedeliku kiirus tahkete ainete pinnal alati võrdne selle pinna kiirusega ja vedeliku temperatuur seinal on võrdne seina temperatuuriga.

Kui a Kn> 0,01, siis vaadeldakse harvendatud gaasi liikumist molekulaarkineetilise teooria matemaatilist aparaadi kasutades.

Masinaehituses ei pruugi pidevuse hüpotees paika pidada vedeliku või gaasi voolu arvutamisel kitsastes piludes. Molekulide mõõtmed on suurusjärgus 10-10 m; nanotehnoloogiale tüüpiliste vahede puhul suurusjärgus 10–9 m võib täheldada tavaliste vedelikudünaamika võrrandite abil saadud arvutusandmete olulisi kõrvalekaldeid

Vedel olek, mis asub gaaside ja kristallide vahel, ühendab endas mõlema oleku mõningaid omadusi. Eelkõige vedelike, aga ka kristalsete kehade jaoks on iseloomulik teatud ruumala olemasolu ja samal ajal on vedelik, nagu gaas, anuma kujul, milles see asub. Lisaks iseloomustab kristallilist olekut osakeste (aatomite või molekulide) järjestatud paigutus, gaasides valitseb selles mõttes täielik kaos. Radiograafiliste uuringute kohaselt on neil vedeliku osakeste paigutuse olemuse suhtes ka vahepealne positsioon. Vedelike osakeste paigutuses täheldatakse nn lühiajalist järjestust. See tähendab, et iga osakese suhtes on järjestatud selle lähimate naabrite asukoht. Ent antud osakesest eemaldudes muutub teiste osakeste paigutus selle suhtes järjest vähem järjestatuks ja üsna kiiresti kaob osakeste paigutuses järjestus täielikult. Kristallides on pikamaa järjestus: osakeste järjestatud paigutust mis tahes osakese suhtes täheldatakse märkimisväärse mahu piires.

Lühiajalise järjestuse olemasolu vedelikes on põhjus, miks vedelike struktuuri nimetatakse kvaasikristalliliseks (kristallitaoliseks).

Pikamaakorra puudumise tõttu ei ilmne vedelikel, välja arvatud üksikud erandid, anisotroopsust, mis on omane kristallidele nende korrapärase osakeste paigutusega. Pikliku molekuliga vedelikes täheldatakse olulises mahus molekulide sama orientatsiooni, mis määrab optiliste ja mõnede muude omaduste anisotroopia. Selliseid vedelikke nimetatakse vedelkristallideks. Nad on järjestanud ainult molekulide orientatsiooni, samas kui molekulide omavaheline paigutus, nagu tavalistes vedelikes, ei näita pikamaa järjestust.

Vedelike vahepealne asend tuleneb sellest, et vedel olek on oma omadustelt eriti keeruline. Seetõttu on tema teooria palju vähem arenenud kui kristalsete ja gaasiliste olekute teooria. Seni puudub täiesti täielik ja üldtunnustatud vedelike teooria. Märkimisväärne panus paljude vedela oleku teooria probleemide arendamisse kuulub Nõukogude teadlasele Ya. I. Frenkelile.

Vastavalt. Frenkel, termilisel liikumisel vedelikes on järgmine iseloom. Iga molekul võngub mõnda aega teatud tasakaaluasendi ümber. Aeg-ajalt muudab molekul oma tasakaalukohta, hüpates uude asendisse, mida eraldab eelmisest molekulide endi suurusjärgu kaugus. Seega liiguvad molekulid vedeliku sees ainult aeglaselt, viibides osa ajast teatud kohtade läheduses. Ya. I. Frenkeli kujundliku väljendi kohaselt rändavad molekulid kogu vedeliku mahus, viies kaasa nomaadliku elustiili, mille puhul lühiajalised reisid asendatakse suhteliselt pikkade väljakujunenud eluperioodidega. Nende peatuste kestused on väga erinevad ja vahelduvad juhuslikult, kuid sama tasakaaluasendi ümber toimuvate võnkumiste keskmine kestus osutub iga vedeliku puhul teatud väärtuseks, mis temperatuuri tõustes järsult väheneb. Sellega seoses suureneb temperatuuri tõustes oluliselt molekulide liikuvus, mis omakorda toob kaasa vedelike viskoossuse vähenemise.

On tahkeid aineid, mis on paljuski lähedasemad vedelikele kui kristallidele. Sellised kehad, mida nimetatakse amorfseteks, ei avalda anisotroopiat. Nende osakeste paigutuses, nagu vedelikes, on ainult lühiajaline järjekord. Üleminek amorfsest tahkest ainest vedelikuks kuumutamisel toimub pidevalt, kristallist vedelikuks üleminek aga järsult (sellest tuleb pikemalt juttu §-s 125). Kõik see annab aluse käsitleda amorfseid tahkeid aineid ülejahutatud vedelikena, mille osakesed on tugevalt suurenenud viskoossuse tõttu piiratud liikuvusega.

Klaas on tüüpiline näide amorfsest tahkest ainest. Amorfsete kehade hulka kuuluvad ka vaigud, bituumen jne.

Artikli sisu

VEDELIKUTEOORIA. Igaüks meist võib kergesti meelde tuletada paljusid aineid, mida ta peab vedelikuks. Selle aine oleku täpset määratlust pole aga nii lihtne anda, kuna vedelikel on sellised füüsikalised omadused, et mõnes mõttes meenutavad nad tahkeid aineid, mõnes osas aga gaase. Vedelike ja tahkete ainete sarnasus ilmneb kõige enam klaasjas materjalides. Nende üleminek tahkest ainest vedelaks toimub temperatuuri tõusuga järk-järgult, need muutuvad lihtsalt pehmemaks ja pehmemaks, mistõttu on võimatu täpsustada, millises temperatuurivahemikus tuleks neid nimetada tahketeks aineteks ja millises vedelikeks. Võime vaid öelda, et klaasjas aine viskoossus vedelas olekus on väiksem kui tahkes olekus. Tahket klaasi nimetatakse seetõttu sageli ülejahutatud vedelikuks.

Ilmselt on vedelike kõige iseloomulikum omadus, mis neid tahketest ainetest eristab, nende madal viskoossus (kõrge voolavus). Tänu temale võtavad nad selle anuma kuju, kuhu need valatakse. Molekulaarsel tasandil tähendab kõrge voolavus suhteliselt suurt vedelikuosakeste vabadust. Selles meenutavad vedelikud gaase, kuigi vedelike molekulidevahelise vastasmõju jõud on suuremad, molekulid on lähemal ja nende liikumine on piiratum.

Öeldule võib läheneda ka teistmoodi – kaug- ja lähikorralduse idee seisukohalt. Kaugkord eksisteerib kristalsetes tahketes ainetes, mille aatomid on paigutatud rangelt järjestatud viisil, moodustades kolmemõõtmelisi struktuure, mida on võimalik saada ühikraku korduval kordamisel. Kahemõõtmelise kaugjärjestuse näide on näidatud joonisel fig. üks, a. Vedelikul ja klaasil pole kaugtellimust. See aga ei tähenda, et neid üldse ei tellitaks. Vedelikku iseloomustab joonisel fig. üks, b. Lähimate naabrite arv on kõigi aatomite jaoks peaaegu sama, kuid aatomite paigutus mis tahes valitud positsioonist eemaldudes muutub üha kaootilisemaks. Seega on kord olemas vaid väikestel vahemaadel, sellest ka nimi: lühimaakord. Vedeliku struktuuri adekvaatse matemaatilise kirjelduse saab anda vaid statistilise füüsika abil. Näiteks kui vedelik koosneb identsetest sfäärilistest molekulidest, saab selle struktuuri kirjeldada radiaalse jaotusfunktsiooniga g(r), mis annab tõenäosuse tuvastada mis tahes molekuli kaugusel r võrdluspunktiks valitud antud punktist. Eksperimentaalselt saab seda funktsiooni leida röntgenkiirte või neutronite difraktsiooni uurides ning kiirete arvutite tulekuga hakati seda arvutama arvutisimulatsiooni teel, tuginedes olemasolevatele andmetele ajavahemikul mõjuvate jõudude iseloomu kohta. molekulide või eelduste kohta nende jõudude kohta, samuti Newtoni mehaanika seaduste kohta. Võrreldes teoreetiliselt ja eksperimentaalselt saadud radiaaljaotusfunktsioone, saab kontrollida molekulidevaheliste jõudude olemust puudutavate eelduste õigsust.

Orgaanilistes ainetes, mille molekulid on pikliku kujuga, leidub ühes või teises temperatuurivahemikus vedela faasi piirkondi, millel on pikamaa orientatsiooni järjestus, mis väljendub kalduvuses pikkade telgede paralleelseks joondamiseks. molekulid. Sel juhul võib orientatsioonilise järjestamisega kaasneda molekulaarsete keskuste koordineeriv järjestamine. Seda tüüpi vedelaid faase nimetatakse tavaliselt vedelkristallideks; arvutisimulatsioon on väga kasulik ka nende struktuuriomaduste mõistmiseks.

Gaasides pole molekulide paigutuses järjekorda. Seega on vedelikud kristalsete tahkete ainete ja gaaside vahepealne asend, s.o. täiesti korrastatud ja täiesti korrastamata molekulaarsüsteemide vahel. Seetõttu on vedelike teooria nii keeruline. Allpool vaatleme lihtsate molekulaarmudelite abil tahkete ainete, vedelike ja gaaside vahelisi seoseid ning vedelike erinevate omaduste vahelisi seoseid.

Vedelikud, gaasilised ja molekulidevahelised jõud.

1 cm 3 gaasi temperatuuril 0 °C ja normaalrõhul sisaldab ligikaudu 2,7 × 10 19 molekuli, nii et nende keskmine kaugus on umbes 30 × 10 -8 cm ehk 30 Å. Kuna molekulide endi läbimõõt on vaid mõni angström, siis on loogiline eeldada, et gaasimolekulide omavaheline interaktsioon on alati tühiselt väike, välja arvatud nende kokkupõrkehetked. Nii jõuame gaasi mudelini, milles molekulid on kujutatud üksteisest sõltumatult liikuvate kuulidena, mis põrkuvad üksteisega ja anuma seintega, millesse gaas on suletud. Temperatuuril 0 ° C on molekulide kiirus mitusada meetrit sekundis ja nende kokkupõrked anuma seintega tekitavad märgatava rõhu. Selle mudeli üksikasjalikum käsitlemine annab seose surve vahel P, maht V ja termodünaamiline temperatuur T (T= °C + 273)

(1)PV/T= const (antud gaasikoguse jaoks).

See seos – nn ideaalse gaasi olekuvõrrand – on Boyle’i – Mariotte’i, Gay-Lussaci ja Charlesi – seaduste üldistatud ülestähend ning enamiku gaaside käitumist kirjeldab ta hea täpsusega. Võrrand (1) kehtiks alati, kui gaas jääks gaasiks, olenemata temperatuuri langusest või rõhu tõusust. Siiski on hästi teada, et kõik gaasid võivad piisavalt kokkusurumisel või jahutamisel vedeldada. Iga gaasi jaoks on nn kriitiline temperatuur T c, millest allapoole saab seda survet suurendades alati veeldada; eespool T c gaasi ei saa mingil juhul veeldada. See tähendab, et iseseisvalt liikuvate molekulide mudel tingimustes, kus temperatuur on kõrgem T c, on ainult ligikaudne ja allpool T c kõrge rõhu ja tiheduse korral on see üldiselt vale. Allpool vedela oleku olemasolu T c viitab sellele, et molekulide vahel toimivad tõmbejõud, kuna muidu on üldiselt võimatu aru saada, miks nad üksteise lähedale jäävad. Kuid lisaks külgetõmbejõule kogevad molekulid ka vastastikust tõrjumist – selles veendume, kui proovime vedeliku (või tahke aine) mahtu vähendada. Tõmbejõud toimivad suuremal kaugusel kui tõukejõud, kuid mõlemad on oma olemuselt elektrostaatilised.

Kui viia ideaalse gaasi mudelisse sisse parandused molekulide kohesiooni ja nende ruumala kohta, siis saame üldiselt (1)-st erineva võrrandi. Ühel neist võrranditest, mille on tuletanud J. van der Waals, on vorm

(2)(P + a/V 2) (V - b)/T= konst.

Siin a ja b on antud gaasile iseloomulikud konstandid. See võrrand ennustab ka kriitilise temperatuuri olemasolu T c ja kirjeldab kvalitatiivselt täheldatud üleminekut gaasilise ja vedela faasi vahel.

Vaatleme võrrandi (2) mõningaid praktilisi tagajärgi. Joonisel fig. 2 on gaasi rõhu ja ruumala graafik. Laske teatud kogusel gaasil ruumala hõivata V 1 temperatuuril T 1 ja surve Püks . Mahu vähenedes rõhk suureneb ja gaasi olek muutub: punktist A ta läheb asja juurde B. Siin hakkab gaas kondenseeruma ja ruumala edasine vähenemine ei too enam kaasa rõhu muutust. Sirget mööda liikudes eKr vedeliku kogus suureneb kuni punktini C gaas ei ole täielikult veeldatud. Sellele protsessile vastavat konstantset rõhku nimetatakse küllastusauru rõhuks antud temperatuuril. Tüks . Segmendi kõigis punktides eKr vedeliku ja gaasi vahel on tasakaal (termodünaamiline). See tähendab, et vedeliku pinnalt 1 sekundi jooksul aurustuvate molekulide arv on täpselt võrdne aurust vedelikuks kondenseeruvate molekulide arvuga. Mahu edasiseks vähendamiseks on vaja tekitada väga kõrge rõhk, et ületada vedelikumolekulide vastastikuse tõrjumise jõud. See olukord vastab vertikaalsele joonele CD. Kõver ABCD nimetatakse isotermiks, kuna selle kõigi punktide temperatuur on sama. Kui sama katse sooritada kõrgemal temperatuuril, siis vastavalt van der Waalsi võrrandile saame sama käiguga isotermi, ainult lõigu eKr muutub lühemaks. Lõpuks kriitilisel temperatuuril T c see lõik on üldiselt kokku tõmmatud koordinaatidega punktini T c ja Pc. Sel hetkel on vedelik ja gaas eristamatud. Kõrgematel temperatuuridel T c, teiseneb van der Waalsi võrrand (2) võrrandiks (1) (temperatuurile vastav kõver T 2 joonisel fig. 2). Kriitiliste temperatuuride väärtused ja neile vastavad rõhud on toodud järgmises tabelis:

Pind pinevus.

Nagu nägime, võimaldab molekulidevaheliste jõudude arvestamine gaasi kondenseerumisprotsessi õigesti selgitada. Proovime nüüd kirjeldada mõningaid vedelike füüsikalisi omadusi, võttes neid jõude arvesse.

Kujutage ette tilka elavhõbedat. Võime seda sõrmega veidi lamendada, kuid niipea, kui sõrme eemaldame, koguneb piisk jälle palliks. Ta käitub nagu oleks elastse kilesse mässitud. See on pindpinevusefekti ilming. Selle olemus saab selgeks, kui pöördume joonise fig. 3. Siin A ja B- kaks vedeliku molekuli, esimene mahus, teine ​​pinnal. Mõlemal juhul mõjutavad neid teiste molekulide külgetõmbejõud, kuid ainult need, mis asuvad mitme angströmi läbimõõduga sfääri sees, kuna need jõud vähenevad kaugusega kiiresti. Molekuli jaoks A selline kera asub täielikult vedeliku sees, nii et kõigi jõudude resultant on null. Molekul B, mis asub pinnal, tõmmatakse vedelikku, kuna sellele mõjuvad ainult atraktiivsed jõud alumises poolkeras asuvatest molekulidest. Samad jõud, mis on pinnaga risti ja on suunatud vedeliku sisse, mõjuvad kõigile pinna lähedal asuvatele molekulidele; need tekitavad pindpinevust.

Pind pinevus S kvantitatiivselt defineeritud kui jõud, mis mõjub vedeliku pinnal oleva joone pikkuse ühiku kohta. Mõelge kahe õhukese traadi vertikaalse raami kohale venitatud seebikile TUV ja PQ(joonis 4). traat PQ ei ole fikseeritud ja võib vabalt liikuda. See liigub gravitatsiooni mõjul allapoole, kuni viimast tasakaalustab pindpinevusest tingitud jõud. Kuna kilel on kaks pinda, on juhtmele mõjuv jõud 2 SL, kus L- traadiosa pikkus PQ kokkupuutes filmiga.

Pindpinevuse olemasolu tõttu on vedeliku pindala suurenemine seotud energiakuludega. Seetõttu omandavad väikesed vedelikutilgad sfäärilise kuju: nende pindala ja mahu suhe muutub minimaalseks ning pärast seda minimeeritakse ka potentsiaalne energia. Suured tilgad deformeeruvad gravitatsiooni mõjul.

kapillaarnähtused.

Veetilk puhtal klaasplaadil kaotab oma sfäärilise kuju ja levib laiali, moodustades õhukese kile. See juhtub seetõttu, et vee ja klaasimolekulide vahelised kohesioonijõud ületavad sarnaseid jõude veemolekulide vahel – vesi niisutab klaasi. Elavhõbedatilk samal plaadil jääb sfääriliseks: elavhõbedamolekulide vahelised kohesioonijõud on suuremad kui elavhõbeda ja klaasimolekulide vahelised kohesioonijõud – elavhõbe ei niisuta klaasi. See seletab nn kapillaarnähtusi, mida täheldatakse õhukeses klaaskapillaartorus (joon. 5). Kui langetada kapillaar veega anumasse, tõuseb vesi läbi selle anumas olevast tasemest kõrgemale ja selle pind (menisk) on nõgusa kujuga. Elavhõbeda tase samas kapillaaris, vastupidi, on madalam kui anumas endas ja menisk on kumer. Kuna adhesioon vee ja klaasi molekulide vahel on tugevam kui veemolekulide endi vahel, siis vesi justkui "ronib" mööda kapillaari seinu, kuni selle samba rõhk kapillaaris on tasakaalustatud tuleneva rõhuga. molekulidevahelistele jõududele. Nõgus menisk moodustub seetõttu, et kapillaari seinte lähedal asuvatele veemolekulidele mõjub seina poole suunatud nullist erinev jõud. Elavhõbeda puhul on pilt vastupidine.

Vedelike keetmine.

Kui vedelik keeb lahtises anumas, peab rõhk vedelikus tekkivate aurumullide sees olema vähemalt võrdne atmosfäärirõhuga – vastasel juhul kukuvad mullid lihtsalt kokku. Seetõttu on vedeliku aururõhk keemistemperatuuril võrdne atmosfäärirõhuga. Piisavalt suurel kõrgusel on vedeliku keemistemperatuur madalam kui merepinnal, kuna õhurõhk väheneb kõrgusega. Seega on vee keemistemperatuur 4000 m kõrgusel ainult umbes 85 ° C, samas kui merepinnal on see 100 ° C.

Keemine on vedeliku intensiivne aurustumine, mis ei toimu mitte ainult pinnalt, vaid kogu selle mahu ulatuses tekkivate aurumullide sees. Vedelikust auruks muutumiseks peavad molekulid omandama energiat, mis on vajalik neid vedelikus hoidvate külgetõmbejõudude ületamiseks. Näiteks 1 g vee aurustamiseks temperatuuril 100 ° C ja rõhul, mis vastab atmosfäärirõhule merepinnal, on vaja kulutada 2258 J, millest 1880 läheb molekulide eraldamiseks vedelikust ja ülejäänu läheb. töötada, et suurendada süsteemi hõivatud mahtu atmosfäärirõhu jõudude vastu (1 g veeauru 100 ° C juures ja normaalrõhul võtab ruumala 1,673 cm 3, samas kui 1 g vett on samadel tingimustel ainult 1,04 cm 3 ).

Mittelenduva aine lahuse keemistemperatuur on tavaliselt kõrgem kui puhtal lahustil. Kuna vedelik keeb, kui selle aururõhk muutub võrdseks atmosfäärirõhuga, tähendab see muster, et mittelenduva aine lahuse aururõhk antud temperatuuril on madalam kui puhta lahusti rõhk.

Vedelike tahkumine.

Tavaliselt väheneb vedelike tahkumisel nende maht mõnevõrra (umbes 10%), kuigi sellest reeglist on ka erandeid. Näiteks vesi gallium ja vismut paisub tahkumisel, nii et tahkunud aine hõljub vedeliku pinnal. Vedelike käitumine tahkumistemperatuuri lähedal võib näidata muid kõrvalekaldeid, näiteks kui temperatuur tõuseb vahemikus 0 kuni 4 ° C, tõmbub vesi kokku. Nende eksperimentaalsete faktide selgitamiseks vaatleme kõigepealt "tavaliste" ainete, näiteks alumiiniumi üleminekut vedelast olekust tahkesse olekusse. Nagu röntgendifraktsioonianalüüs näitab, kristalliseerub alumiinium, moodustades näokeskse kuupvõre (joonis 6), milles iga aatomit ümbritseb kaksteist lähimat naabrit, mis asuvad 2,86 Å (2,86 × 10–8 cm) kaugusel. ) sellest. Kui aatomeid käsitleda sfääridena, vastab see paigutus nende kõige tihedamale pakkimisele ("tihedalt pakitud" struktuur). Vedelalumiiniumil pikamaa järjekorda ei ole, aga mingi lühiajaline järjekord siiski jääb. Röntgendifraktsiooni andmetel ümbritseb iga aatomit selles 10–11 lähimat naabrit, mis asuvad temast 2,96 Å kaugusel, s.o. vedela alumiiniumi struktuur tahkestamistemperatuuri lähedal on sarnane tahke alumiiniumi struktuuriga, kuid mõnevõrra "lahtisem". Vee, galliumi ja vismuti puhul on täheldatud vastupidist pilti: tahkestustemperatuuri lähedal on nende struktuur "lahtisem" mitte vedelas, vaid tahkes olekus. Vastust küsimusele sellise anomaalia põhjuste kohta tuleks otsida nende molekulide struktuurilistest iseärasustest ja nendevahelistest sidemetest erinevates agregaatides. Mõelge näiteks veele ja jääle. Mõlemad on üles ehitatud samadest molekulidest, mis koosnevad kahekordselt ioniseeritud negatiivsetest hapnikuioonidest (O 2–) ja kahest üksikult ioniseeritud positiivsest vesinikioonist (H +). Veemolekulis moodustavad need kolm iooni kolmnurga, mille põhjas on kaks prootonit ja ülaosas hapnik (vastavalt kaks väikest ringi ja üks suur ring joonisel 7); O-H sidemete vaheline nurk on 104°. Jää struktuuris on H 2 O molekulid paigutatud nii, et iga hapnikuaatomit ümbritseb neli vesinikuaatomit, mis paiknevad tetraeedri tippudes. See tagab positiivsete ja negatiivsete ioonide vahelise tõmbejõu tõttu maksimaalse energiakasvu, kuid struktuur muutub palju lõdvemaks. Kui jää sulab, asendub see üsna ebaökonoomne H 2 O molekulide pakkimine järk-järgult tihedamaga ja vahemikus 0 kuni 4 ° C aine maht väheneb järk-järgult. Tahke galliumi ja vismuti lahtine struktuur on tingitud ka aatomite vastastikmõju iseärasustest, kuid nende sidemete olemus on palju keerulisem kui jääl.

Vedelike lahustamine.

On hästi teada, et vesi lahustab alkoholi igas koguses, samas ei segune see üldse elavhõbeda ja õliga. Samamoodi lahustab benseen süsivesinikke, kuid ei lahusta vett. Mis on selle nähtuse põhjus? Siin võib anda üldise vastuse: vedelikud segunevad, kui nende elektronstruktuurid on sarnased, ja erinevused elektroonilistes struktuurides muudavad segamise keeruliseks. Et selgitada, mida me mõtleme "elektroonilise struktuuri" all, vaatame uuesti vett. Veemolekuli moodustumisel jaotub laeng ümber selle koostisosade aatomite vahel: vesinikuaatomid loovutavad oma valentselektronid ja hapnikuaatom võtab need vastu. Seega on veemolekulil nullist erinev elektriline dipoolmoment, st. on polaarne. See seletab eelkõige asjaolu, et vee dielektriline konstant on väga kõrge ja soolad lahustuvad selles hästi, dissotsieerudes ioonideks. Dipool-dipool vastastikmõju hoiab veemolekule koos, mille tulemusena selle keemistemperatuur tõuseb. Teine polaarse vedeliku näide on alkohol C2H5OH; see seguneb kergesti veega, kuna selle molekulide dipoolmoment on sarnane veemolekulide dipoolmomendiga.

Polaarsete vedelike kõrval, mille molekulid on suures osas omavahel seotud, leidub ka mittepolaarseid vedelikke, millel on nõrgemad molekulidevahelised sidemed. Selliste vedelike näiteks on süsivesinikud – benseen, naftaleen jne. Nende vedelike molekulid on üles ehitatud süsiniku- ja vesinikuaatomitest, mis sotsialiseerivad oma valentselektronid, selle asemel, et neid anda või lisada. Süsivesinike molekulide vaheliste sidemete suhtelist nõrkust tõendab nende madal keemistemperatuur. Selgelt määratletud polaarsete omadustega vedelike (vesi) ja absoluutselt mittepolaarsete (süsivesinikud) vahel on terve rida vedelike klasse, mistõttu ei ole alati võimalik ette öelda, kas kaks antud vedelikku segunevad või mitte. Kuid enamikul juhtudel järgitakse jaotise alguses sõnastatud reeglit.

Lisaks elektroonilisele struktuurile võib vedelike segunevus oluliselt sõltuda molekulide suurusest, aga ka temperatuurist. Näiteks nikotiin seguneb veega mis tahes vahekorras temperatuuril alla 60 °C ja üle 208 °C; vahepealsetel temperatuuridel on nikotiini ja vee vastastikune lahustuvus väga piiratud.

Osmoos.

1748. aastal avastas J. Nollet, et mõned taimerakud tõmbuvad kokku kontsentreeritud soolalahuses – vesi lahkub neist läbi rakumembraani. Kui samad rakud seejärel vette üle kanda, paisuvad nad ja taastavad oma suuruse. Sellist aine liikumist (difusiooni) läbi poolläbilaskva vaheseina, mis eraldab lahust ja puhast lahustit või kahte erineva kontsentratsiooniga lahust, nimetatakse osmoosiks. Seda nähtust saab seletada asjaoluga, et lahusti molekulid on reeglina väiksemad kui lahustunud aine molekulid ja läbivad seetõttu kergemini vaheseina poore. Kuna lahusti molekulide arv lahjendatud lahuses (või puhtas lahustis) on suurem kui kontsentreeritud lahuses, toimub nende molekulide difusiooniülekanne viimase suunas.

Vedelikud ja tahked ained.

Varem rääkisime vedelike ja nende aurude vahekorrast kriitilise temperatuuri lähedal T c. Sarnased suhted eksisteerivad vedelike ja tahkete ainete vahel – vähemalt sulamistemperatuuri lähedal Tm.

Tavaliselt suureneb tahke aine sulamisel selle maht umbes 10%, s.o. keskmine kaugus naabermolekulide vahel tahkes ja vedelas olekus on peaaegu sama. Tahkes ja vedelas olekus aatomite või molekulide sidusus ei erine väga palju ning tahkete ainete plastilisust võib pidada analoogseks vedelike voolavusega. Seega ei erine tahked ained ja vedelikud oma füüsikaliste omaduste poolest nii radikaalselt, kui pealtnäha paistab. Sellest lähtuvalt on vedela oleku teooriaid kahte tüüpi: ühed põhinevad kaasaegse tahke oleku teooria ideedel ja teised põhinevad ideedel, mis on laenatud gaasiteooriast. Esimest tüüpi teooriad on sobivamad sulamistemperatuuri lähedal Tm, ja teine ​​- kriitilise punkti lähedal T c.

vedelad metallid.

Paljud tahkete metallide füüsikalised omadused muutuvad sulamisel vähe. Sellega seoses töötatakse välja üldisemaid teooriaid, milles vaadeldakse vedelate ja tahkete metallide omadusi ühtsest vaatepunktist. Nendes teooriates mängib olulist rolli struktuurne tegur, mille määrab aatomite vastastikune paigutus. Selgub, et tahke aine aatomite küllalt tugeva vibratsiooni tõttu kõrgendatud temperatuuridel ei erine tahke aine struktuuritegur sulamistemperatuuri lähedal vedeliku omast kuigi palju. Madala sulamistemperatuuriga metalle, näiteks naatriumi, kasutatakse tuumaelektrijaamade tuumareaktorites jahutusvedelikuna.

Osakeste külgetõmme ja tõrjumine määravad nende vastastikuse paigutuse aines. Ja ainete omadused sõltuvad oluliselt osakeste asukohast. Niisiis, vaadates läbipaistvat väga kõva teemanti (briljant) (joonis 111, a) ja pehmet musta grafiiti (joonis 111, b) (sellest on valmistatud pliiatsivardad), siis me ei arva, et mõlemad ained koosnevad täpselt samad süsinikuaatomid. Lihtsalt need aatomid paiknevad grafiidis teistmoodi kui teemandis.

Riis. 111

Pange tähele, et kujunditel ei ole kujutatud aatomeid endid, vaid nende mudeleid - kuule ja tegelikkuses pole nende vahel ühendusvardaid ega juhtmeid. See on aine aatomite paigutuse tavapärane esitus.

Aine osakeste vastastikmõju toob kaasa asjaolu, et see võib olla kolmes olekus: tahke, vedel ja gaasiline. Näiteks jää, vesi, aur (joonis 112). Iga aine võib olla kolmes olekus, kuid selleks on vaja teatud tingimusi: rõhk, temperatuur. Näiteks õhus olev hapnik on gaas, kuid jahutatuna alla -193°C muutub see vedelikuks ja temperatuuril -219°C on hapnik tahke aine. Raud normaalrõhul ja toatemperatuuril on tahkes olekus. Temperatuuril üle 1539°C muutub raud vedelaks ja üle 3050°C gaasiliseks. Meditsiinilistes termomeetrites kasutatav vedel elavhõbe muutub tahkeks, kui see jahutatakse temperatuurini alla -39 °C. Temperatuuril üle 357 ° C muutub elavhõbe auruks (gaasiks).

Riis. 112

Metallist hõbedast gaasiks muutes pihustatakse see klaasile ja saadakse "peegel" klaasid.

Millised on ainete omadused erinevates olekutes?

Alustame gaasidest, milles molekulide käitumine (joonis 113) meenutab mesilaste liikumist sülemis. Sülemis olevad mesilased muudavad aga iseseisvalt liikumissuunda ega põrka omavahel praktiliselt kokku. Samal ajal on gaasis olevate molekulide puhul sellised kokkupõrked mitte ainult vältimatud, vaid toimuvad peaaegu pidevalt. Kokkupõrgete tagajärjel muutuvad molekulide kiiruste suunad ja väärtused.

Riis. 113

Selle liikumise ja osakeste vastasmõju puudumise tulemus liikumises on see gaas ei säilita mahtu ega kuju, kuid hõivab kogu talle antud mahu. Igaüks teist peab väiteid "Õhk hõivab poole ruumist" ja "Ma pumpasin õhku kaks kolmandikku kummikuuli mahust" puhtaks absurdsuseks. Õhk, nagu iga gaas, hõivab kogu ruumi mahu ja kogu palli mahu.

Millised on vedelike omadused? Teeme katse.

Riis. 114

Valage keeduklaasist 1 vesi keeduklaasi 2. Vedeliku kuju on muutunud, aga maht vesi jäi samaks(joonis 114). Molekulid ei hajunud kogu ruumala ulatuses, nagu gaasi puhul juhtuks. See tähendab, et vedelate molekulide vastastikune külgetõmme on olemas, kuid see ei hoia naabermolekule jäigalt kinni. Nad võnguvad ja hüppavad ühest kohast teise (joonis 115), mis seletab vedelike voolavust.

Joon.115

Tugevaim on osakeste vastastikmõju tahkes aines. See ei lase osakestel hajuda. Osakesed sooritavad ainult teatud positsioonide ümber kaootilisi võnkuvaid liikumisi (joonis 116). Sellepärast tahked ained säilitavad nii mahu kui ka kuju. Kummist pall säilitab oma palli kuju ja mahu kõikjal, kus see asetatakse: purki, lauale jne.

Riis. 116

Mõtle ja vasta

1. Millised on gaasi peamised omadused?
2. Miks vedelik ei säilita oma kuju?
3. Mis vahe on aine tahkel olekul ning vedelal ja gaasilisel olekul?
4. Kas veemolekulid erinevad jäämolekulidest?
5. Millised järgmistest ainetest on tavatingimustes (toatemperatuuril ja normaalrõhul) gaasilises olekus ning millised vedelas või tahkes olekus: tina, bensiin, hapnik, raud, elavhõbe, õhk, klaas, plast?
6. Kas elavhõbe võib olla tahkes olekus ja õhk vedelas olekus? Millistel tingimustel?

Kodutöö

1. Täida plastpudel (0,5 l) lõpuni veega ja sulge kaas tihedalt. Proovige pudelisse vett pigistada. Seejärel valage vesi välja ja sulgege pudel uuesti. Nüüd pigistage selles õhku. Avaldage katse tulemuste põhjal hüpotees gaaside ja vedelike struktuuri kohta.
2. Ülesanne-võistlus: koosta tabel, milles võrdled liikumise olemust, osakeste vastasmõju, aga ka aine omadusi gaasilises, tahkes ja vedelas olekus. Konkursi võidab see, kelle tabelis on kõige täielikum ja õigem info.

Kordame uuritud peamist

• Kõik ained koosnevad üksikutest osakestest (aatomitest, molekulidest), mille vahel on vahemaad.
• Aineosakesed liiguvad pidevalt ja juhuslikult.
• Osakeste liikumiskiirus on seda suurem, mida kõrgem on keha temperatuur.
• Difusioon on ainete vastastikune tungimine üksteisesse. Difusioon toimub eriti kiiresti gaasides, aeglasemalt vedelikes ja väga aeglaselt tahkes. Temperatuuri tõustes toimub difusioon kiiremini.
• Osakeste endi suurusest suurematel kaugustel domineerib osakeste külgetõmme. Osakeste endi suurusest väiksematel kaugustel tekib tõrjumine. Osakeste külgetõmbejõud nõrgeneb üksteisest eemaldudes väga kiiresti.
• Keha suuruse muutumist kuumutamisel nimetatakse soojuspaisumiseks.
• Erinevate tahkete ja vedelate ainete soojuspaisumine on erinev ning kõik gaasid on ühesugused.