Cấu trúc của thể khí, thể lỏng và thể rắn. Cấu trúc của chất lỏng và chất khí Cấu trúc phân tử của chất lỏng

Lý thuyết động học phân tử giúp chúng ta có thể hiểu được tại sao một chất có thể ở trạng thái khí, lỏng và rắn.

Khí ga. Trong chất khí, khoảng cách giữa các nguyên tử hoặc phân tử trung bình lớn hơn nhiều lần so với kích thước của chính các phân tử đó (Hình 10). Ví dụ, ở áp suất khí quyển, thể tích của một bình lớn hơn thể tích phân tử khí trong bình hàng vạn lần.

Các chất khí dễ dàng bị nén lại, vì khi một chất khí bị nén, chỉ có khoảng cách trung bình giữa các phân tử giảm đi, nhưng các phân tử không "ép" nhau (Hình 11).

Các phân tử với tốc độ khổng lồ - hàng trăm mét / giây - di chuyển trong không gian. Khi va chạm, chúng bật ra theo nhiều hướng khác nhau giống như những quả bóng bi-a.
Lực hút yếu của các phân tử khí không có khả năng giữ chúng ở gần nhau. Do đó, các chất khí có thể giãn nở vô hạn. Chúng không giữ lại hình dạng cũng như khối lượng.
Nhiều tác động của các phân tử lên thành bình tạo ra áp suất khí.

Chất lỏng. Trong chất lỏng, các phân tử nằm gần nhau (Hình 12). Do đó, một phân tử trong chất lỏng hoạt động khác với trong chất khí. Như trong một ô, bởi các phân tử khác, nó thực hiện “chạy tại chỗ” (dao động xung quanh vị trí cân bằng, va chạm với các phân tử lân cận). Chỉ thỉnh thoảng nó mới “nhảy”, bứt phá khỏi “song sắt”, rồi lại rơi vào “lồng” mới do những người hàng xóm mới hình thành. Thời gian "sống tĩnh tại" của một phân tử nước, tức là thời gian dao động xung quanh một vị trí cân bằng cụ thể, ở nhiệt độ phòng trung bình là 10-11 s. Thời gian của một dao động ngắn hơn nhiều (10–12 - 10–13 s). Khi nhiệt độ tăng, "cuộc sống ít vận động" của các phân tử giảm. Bản chất của chuyển động phân tử trong chất lỏng, được thiết lập lần đầu tiên bởi nhà vật lý Liên Xô Ya I. Frenkel, giúp chúng ta có thể hiểu được các tính chất cơ bản của chất lỏng.

Frenkel Yakov Ilyich (1894 - 1952) - nhà vật lý lý thuyết xuất sắc của Liên Xô, người có đóng góp đáng kể trong nhiều lĩnh vực vật lý. Ya. I. Frenkel là tác giả của lý thuyết hiện đại về trạng thái lỏng của vật chất. Ông là người đặt nền móng cho lý thuyết sắt từ. Các công trình của Ya I. Frenkel về điện khí quyển và nguồn gốc của từ trường Trái đất đã được biết đến rộng rãi. Lý thuyết định lượng đầu tiên về sự phân hạch của hạt nhân uranium được tạo ra bởi Ya I. Frenkel.

Các phân tử chất lỏng nằm ngay cạnh nhau. Do đó, khi bạn cố gắng thay đổi thể tích của chất lỏng dù chỉ một lượng nhỏ, thì bản thân các phân tử sẽ bắt đầu biến dạng (Hình 13). Và điều này đòi hỏi rất nhiều sức mạnh. Điều này giải thích khả năng nén thấp của chất lỏng.

Chất lỏng, như bạn biết, là chất lỏng, tức là chúng không giữ được hình dạng. Điều này được giải thích như sau. Nếu chất lỏng không chảy, thì chuyển động của các phân tử từ vị trí "ít vận động" này sang vị trí khác xảy ra với cùng tần số nhưng theo mọi hướng (Hình 12). Ngoại lực không làm thay đổi đáng kể số bước nhảy của phân tử trong một giây, nhưng bước nhảy của các phân tử từ vị trí "ít vận động" này sang vị trí khác xảy ra chủ yếu theo hướng của ngoại lực (Hình 14). Đó là lý do tại sao chất lỏng chảy và có dạng một chiếc bình.
Chất rắn. Các nguyên tử hoặc phân tử của chất rắn, không giống như chất lỏng, dao động quanh những vị trí cân bằng nhất định. Đúng, đôi khi các phân tử thay đổi vị trí cân bằng của chúng, nhưng điều này cực kỳ hiếm khi xảy ra. Đó là lý do tại sao chất rắn không chỉ giữ được thể tích mà còn giữ được hình dạng.

Có một sự khác biệt quan trọng khác giữa chất lỏng và chất rắn. Một chất lỏng có thể được so sánh với một đám đông, các thành viên riêng lẻ trong đó cố gắng đẩy tại chỗ, và một cơ thể rắn giống như một đoàn hệ mảnh mai, các thành viên trong đó, mặc dù họ không đứng trước sự chú ý (do chuyển động nhiệt), duy trì khoảng thời gian nhất định trung bình giữa chúng. Nếu chúng ta nối các tâm vị trí cân bằng của các nguyên tử hoặc ion của một chất rắn, thì chúng ta nhận được một mạng tinh thể không gian đều, được gọi là kết tinh. Hình 15 và 16 cho thấy mạng tinh thể của muối ăn và kim cương. Thứ tự bên trong trong sự sắp xếp các nguyên tử của tinh thể dẫn đến các dạng bên ngoài đúng về mặt hình học. Hình 17 cho thấy kim cương Yakut.

Như bạn đã thấy, việc giải thích định tính các tính chất cơ bản của vật chất trên cơ sở lý thuyết động học phân tử, không đặc biệt khó. Tuy nhiên, lý thuyết thiết lập các mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng đo được bằng thực nghiệm (áp suất, nhiệt độ, v.v.) và các đặc tính của bản thân các phân tử, số lượng và tốc độ chuyển động của chúng, là rất phức tạp. Chúng ta tự giới hạn mình trong việc xem xét lý thuyết về chất khí.

1. Cung cấp bằng chứng về sự tồn tại của chuyển động nhiệt của các phân tử. 2. Tại sao chuyển động Brown chỉ được chú ý đối với các hạt có khối lượng nhỏ? 3. Bản chất của lực phân tử là gì? 4. Lực tương tác giữa các phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng như thế nào? 5. Tại sao khi ấn vào nhau hai thanh chì có vết cắt nhẵn, sạch lại dính vào nhau? 6. Sự khác nhau giữa chuyển động nhiệt của các phân tử chất khí, chất lỏng và chất rắn?

Các đặc trưng vật lý cơ bản của chất lỏng và chất khí.

KIẾN TRÚC 3

Đối tượng nghiên cứu của cơ học chất lưu và chất khí là một vật thể, trong đó vị trí tương đối của các phần tử của nó thay đổi một lượng đáng kể khi tác dụng một lực đủ nhỏ có hướng tương ứng. Do đó, thuộc tính chính của thể lỏng (hay đơn giản là chất lỏng) là tính lưu động.Đặc tính của tính lưu động được sở hữu bởi cả chất lỏng rơi (thực sự là chất lỏng, chẳng hạn như nước, xăng, dầu công nghiệp) và khí (không khí, nitơ, hydro, carbon dioxide). Một sự khác biệt đáng kể trong hành vi của chất lỏng và chất khí, được giải thích từ quan điểm của cấu trúc phân tử, sẽ được xác định bởi sự hiện diện của bề mặt tự do trong chất lỏng rơi tiếp giáp với chất khí, sự hiện diện của sức căng bề mặt, khả năng xảy ra chuyển pha, v.v.

Tất cả các thể vật chất, bất kể trạng thái tập hợp của chúng: rắn, lỏng hay khí, đều có cấu trúc phân tử bên trong (nguyên tử) với nhiệt bên trong đặc trưng, vi mô sự chuyển động của các phân tử. Tùy thuộc vào mối quan hệ định lượng giữa động năng của chuyển động phân tử và thế năng của lực tương tác giữa các phân tử, các cấu trúc phân tử khác nhau và các dạng chuyển động bên trong của các phân tử phát sinh.

TẠI chất rắn có tầm quan trọng hàng đầu năng lượng tương tác phân tử Các phân tử, do đó, dưới tác dụng của lực kết dính, các phân tử được sắp xếp trong các mạng tinh thể đều đặn với vị trí cân bằng ổn định tại các nút của mạng tinh thể này. Chuyển động nhiệt trong chất rắn là dao động của các phân tử so với các nút mạng với tần số khoảng 10 12 Hz và biên độ tỉ lệ với khoảng cách giữa các nút mạng.

Trái ngược với một cơ thể rắn chắc, khí không có lực kết dính giữa các phân tử. Các phân tử khí tạo ra các chuyển động ngẫu nhiên, và tương tác của chúng chỉ bị giảm khi va chạm. Trong khoảng thời gian giữa các va chạm, tương tác giữa các phân tử có thể bị bỏ qua, tương ứng với độ nhỏ của thế năng tương tác lực của các phân tử so với động năng của chuyển động hỗn loạn của chúng. Khoảng cách trung bình giữa hai lần va chạm liên tiếp của các phân tử xác định độ dài đường dẫn tự do. Tốc độ trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử có thể so sánh với tốc độ lan truyền của nhiễu động nhỏ (tốc độ âm thanh) trong một trạng thái nhất định của chất khí.

cơ thể lỏng về cấu tạo phân tử và chuyển động nhiệt, các phân tử chiếm trạng thái trung gian giữa thể rắn và thể khí. Theo quan điểm hiện có xung quanh một số, Trung tâm, các phân tử được nhóm lại bởi các phân tử lân cận thực hiện dao động nhỏ với tần số gần bằng tần số dao động của phân tử trong mạng tinh thể của vật rắn và biên độ bằng bậc của khoảng cách trung bình giữa các phân tử. Phân tử trung tâm hoặc (khi chất lỏng ở trạng thái nghỉ) vẫn bất động hoặc di chuyển với tốc độ trùng về giá trị và hướng với vận tốc trung bình của chuyển động vĩ mô của chất lỏng. Trong chất lỏng, thế năng tương tác của các phân tử so sánh theo thứ tự với động năng của chuyển động nhiệt của chúng. Bằng chứng về sự hiện diện của dao động của các phân tử trong chất lỏng là "chuyển động Brown" của các hạt rắn nhỏ nhất được đưa vào chất lỏng. Dao động của các hạt này có thể dễ dàng quan sát được trong trường của kính hiển vi và có thể được coi là kết quả của sự va chạm của các hạt rắn với các phân tử chất lỏng. Sự hiện diện của tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng xác định sự tồn tại của sức căng bề mặt của chất lỏng tại ranh giới của nó với bất kỳ môi trường nào khác, buộc nó phải có dạng mà bề mặt của nó là cực tiểu. Các thể tích nhỏ của chất lỏng thường ở dạng giọt hình cầu. Do đó, chất lỏng trong thủy lực được gọi là nhỏ giọt.

Cần lưu ý rằng ranh giới giữa thể rắn và thể lỏng không phải lúc nào cũng được xác định rõ ràng. Do đó, khi các lực lớn được tác dụng lên một chất lỏng rơi (ví dụ, một tia chất lỏng), với thời gian tương tác ngắn, chất lỏng sau có được các đặc tính gần với các đặc tính của một chất rắn giòn. Một tia chất lỏng ở áp suất cao phía trước lỗ có các đặc tính gần với các đặc tính của một vật rắn. Vì vậy, ở áp suất lớn hơn 10 8 Pa, một tia nước cắt một tấm thép; ở áp suất khoảng 5 10 7 Pa - cắt đá granit, ở áp suất 1,5 10 7 - 2 10 7 Pa - phá hủy than. Áp suất (1,5 - 2) · 10 6 Pa là đủ để phá hủy các loại đất khác nhau.

Trong những điều kiện nhất định, ranh giới giữa thể lỏng và thể khí cũng có thể không có. Khí lấp đầy toàn bộ thể tích được cung cấp cho chúng, mật độ của chúng có thể thay đổi trong một phạm vi rộng tùy thuộc vào lực tác dụng. Chất lỏng, làm đầy một bình có thể tích lớn hơn thể tích của chất lỏng, tạo thành một bề mặt tự do - mặt phân cách giữa chất lỏng và chất khí. Ở điều kiện bình thường, thể tích của chất lỏng phụ thuộc rất ít vào các lực tác dụng lên nó. Gần trạng thái tới hạn, sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí trở nên khó nhận thấy. Gần đây, khái niệm về trạng thái chất lỏng đã xuất hiện, khi các phần tử của chất lỏng có kích thước vài nanomet được trộn đều với hơi của chúng. Trong trường hợp này, không có sự khác biệt trực quan giữa chất lỏng và hơi.

Hơi nước khác với khí ở chỗ trạng thái của nó khi chuyển động gần đạt đến trạng thái bão hòa. Do đó, trong những điều kiện nhất định, nó có thể ngưng tụ một phần và tạo thành môi trường hai pha. Với sự giãn nở nhanh chóng, quá trình ngưng tụ bị trì hoãn, và sau đó, khi đạt đến một độ siêu lạnh nhất định, nó diễn ra giống như một trận tuyết lở. Trong trường hợp này, quy luật của dòng hơi có thể khác đáng kể so với quy luật của dòng chất lỏng và chất khí.

Tính chất của chất rắn, chất lỏng và chất khí là do cấu tạo phân tử của chúng khác nhau . Tuy nhiên, giả thuyết chính của cơ học chất lưu và chất khí là giả thuyết liên tục, theo đó chất lưu được biểu diễn như một chất phân bố liên tục (liên tục) lấp đầy không gian mà không có khoảng trống.

Do các liên kết yếu giữa các phân tử chất lỏng và chất khí (đó là lý do tại sao chúng là chất lỏng), một lực tập trung không thể tác dụng lên bề mặt của chúng mà chỉ là một tải trọng phân bố. Chuyển động có hướng của chất lỏng bao gồm chuyển động của một số lượng lớn các phân tử chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng tương đối với nhau. Trong cơ học chất lưu và chất khí, nghiên cứu chuyển động có hướng của chúng, sự phân bố của tất cả các đặc tính chất lỏng trong không gian đang xét được giả định là liên tục. Cấu trúc phân tử chỉ được tính đến trong mô tả toán học về các đặc tính vật lý của chất lỏng hoặc chất khí, được thực hiện khi xem xét các quá trình vận chuyển trong chất khí.

Mô hình môi trường liên tục rất hữu ích trong việc nghiên cứu chuyển động của nó, vì nó cho phép sử dụng một bộ máy toán học phát triển tốt về các hàm liên tục.

Về mặt định lượng, các giới hạn về khả năng ứng dụng của bộ máy toán học của cơ học liên tục đối với chất khí được thiết lập bởi giá trị của tiêu chí Knudsen - tỷ số giữa đường đi tự do trung bình của các phân tử khí lđến kích thước đặc trưng của dòng chảy L

Nếu một Kn< 0,01 thì dòng khí có thể coi là dòng trung bình liên tục. Khi một môi trường liên tục chảy xung quanh một bề mặt rắn, các phân tử của nó dính vào nó (giả thuyết của Prandtl về sự dính), và do đó vận tốc của chất lỏng trên bề mặt chất rắn luôn bằng vận tốc của bề mặt này, và nhiệt độ của chất lỏng trên tường bằng nhiệt độ của tường.

Nếu một Kn> 0,01, thì chuyển động của khí hiếm được coi là sử dụng bộ máy toán học của lý thuyết động học phân tử.

Trong kỹ thuật cơ khí, giả thuyết liên tục có thể không đúng khi tính toán dòng chảy của chất lỏng hoặc chất khí trong các khe hẹp. Các phân tử có kích thước theo thứ tự là 10 -10 m; tại các khoảng trống có bậc 10 -9 m, đặc trưng cho công nghệ nano, có thể quan sát thấy độ lệch đáng kể của dữ liệu tính toán thu được bằng cách sử dụng các phương trình động lực học chất lỏng thông thường.

Trạng thái lỏng, chiếm vị trí trung gian giữa khí và tinh thể, kết hợp một số đặc điểm của cả hai trạng thái này. Đặc biệt, đối với chất lỏng, cũng như đối với các thể tinh thể, sự hiện diện của một thể tích nhất định là đặc trưng, và đồng thời, chất lỏng, giống như khí, có dạng bình chứa nó. Hơn nữa, trạng thái tinh thể được đặc trưng bởi sự sắp xếp có trật tự của các hạt (nguyên tử hoặc phân tử); trong chất khí, theo nghĩa này, sự hỗn loạn hoàn toàn ngự trị. Theo các nghiên cứu về ảnh phóng xạ, liên quan đến bản chất của sự sắp xếp các phần tử của chất lỏng, chúng cũng chiếm một vị trí trung gian. Cái gọi là trật tự tầm ngắn được quan sát trong sự sắp xếp của các hạt chất lỏng. Điều này có nghĩa là đối với bất kỳ hạt nào, vị trí của các hạt lân cận gần nhất được sắp xếp theo thứ tự. Tuy nhiên, khi người ta di chuyển ra khỏi một hạt nhất định, sự sắp xếp của các hạt khác đối với nó ngày càng trở nên ít có trật tự hơn, và khá nhanh chóng trật tự sắp xếp của các hạt biến mất hoàn toàn. Trong tinh thể, có một trật tự tầm xa: sự sắp xếp có trật tự của các hạt đối với bất kỳ hạt nào được quan sát trong một thể tích đáng kể.

Sự hiện diện của trật tự tầm ngắn trong chất lỏng là lý do tại sao cấu trúc của chất lỏng được gọi là bán tinh thể (giống như tinh thể).

Do không có thứ tự phạm vi dài, chất lỏng, với một số ngoại lệ, không thể hiện tính dị hướng đặc trưng của tinh thể với sự sắp xếp đều đặn của các hạt. Trong chất lỏng có các phân tử kéo dài, sự định hướng giống nhau của các phân tử được quan sát trong một thể tích đáng kể, điều này quyết định tính dị hướng của quang học và một số tính chất khác. Những chất lỏng như vậy được gọi là tinh thể lỏng. Chúng chỉ sắp xếp theo hướng của các phân tử, trong khi sự sắp xếp lẫn nhau của các phân tử, như trong chất lỏng thông thường, không thể hiện trật tự tầm xa.

Vị trí trung gian của chất lỏng là do trạng thái lỏng có tính chất đặc biệt phức tạp. Do đó, lý thuyết của ông kém phát triển hơn nhiều so với lý thuyết về trạng thái tinh thể và thể khí. Cho đến nay, không có lý thuyết hoàn toàn đầy đủ và được chấp nhận chung về chất lỏng. Những đóng góp đáng kể trong việc phát triển một số vấn đề trong lý thuyết về trạng thái lỏng thuộc về nhà khoa học Liên Xô Ya I. Frenkel.

Dựa theo. Frenkel, chuyển động nhiệt trong chất lỏng có đặc điểm sau. Mỗi phân tử dao động điều hòa quanh một vị trí cân bằng nhất định trong một thời gian. Theo thời gian, phân tử thay đổi vị trí cân bằng, nhảy sang vị trí mới, cách vị trí trước đó một khoảng bằng bậc bằng kích thước của chính các phân tử. Do đó, các phân tử chỉ di chuyển chậm bên trong chất lỏng, ở lại một phần thời gian gần những nơi nhất định. Theo cách diễn đạt tượng hình của Ya I. Frenkel, các phân tử đi lang thang trong toàn bộ thể tích của chất lỏng, dẫn đến lối sống du mục, trong đó các cuộc hành trình ngắn hạn được thay thế bằng thời gian sống định cư tương đối dài. Khoảng thời gian của các điểm dừng này rất khác nhau và thay thế ngẫu nhiên với nhau, nhưng khoảng thời gian trung bình của dao động xung quanh cùng một vị trí cân bằng hóa ra là một giá trị nhất định đối với mỗi chất lỏng, giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Về vấn đề này, khi nhiệt độ tăng, độ linh động của các phân tử tăng lên rất nhiều, do đó kéo theo sự giảm độ nhớt của chất lỏng.

Có những chất rắn mà ở nhiều khía cạnh gần với chất lỏng hơn là tinh thể. Những cơ thể như vậy, được gọi là vô định hình, không biểu hiện tính dị hướng. Trong sự sắp xếp của các hạt của chúng, cũng như trong chất lỏng, chỉ có trật tự trong phạm vi ngắn. Quá trình chuyển từ chất rắn vô định hình sang chất lỏng khi đun nóng xảy ra liên tục, trong khi quá trình chuyển từ tinh thể sang chất lỏng xảy ra đột ngột (sẽ thảo luận thêm về điều này trong § 125). Tất cả điều này tạo cơ sở để coi chất rắn vô định hình là chất lỏng siêu lạnh, các phần tử của chúng, do độ nhớt tăng lên rất nhiều, nên có tính di động hạn chế.

Thủy tinh là một ví dụ điển hình của chất rắn vô định hình. Các cơ thể vô định hình cũng bao gồm nhựa, bitum, v.v.

Nội dung của bài báo

LÝ THUYẾT THANH LÝ. Mỗi chúng ta đều có thể dễ dàng nhớ lại nhiều chất mà mình coi là chất lỏng. Tuy nhiên, không dễ để đưa ra một định nghĩa chính xác về trạng thái này của vật chất, vì chất lỏng có những đặc tính vật lý đến nỗi ở một số khía cạnh, chúng giống chất rắn và ở một số khía cạnh khác, chúng giống chất khí. Sự giống nhau giữa chất lỏng và chất rắn là rõ ràng nhất trong các vật liệu thủy tinh. Sự chuyển đổi của chúng từ rắn sang lỏng với nhiệt độ tăng dần xảy ra dần dần, chúng trở nên mềm hơn và mềm hơn, vì vậy không thể xác định được chúng nằm trong khoảng nhiệt độ nào nên được gọi là chất rắn, và trong đó - chất lỏng. Chúng ta chỉ có thể nói rằng độ nhớt của chất thủy tinh ở trạng thái lỏng nhỏ hơn ở trạng thái rắn. Do đó, thủy tinh rắn thường được gọi là chất lỏng siêu lạnh.

Rõ ràng, tính chất đặc trưng nhất của chất lỏng, phân biệt chúng với chất rắn, là độ nhớt thấp (tính lưu động cao) của chúng. Nhờ cô ấy, chúng có hình dạng của cái bình mà chúng được đổ vào. Ở cấp độ phân tử, độ lưu động cao có nghĩa là độ tự do tương đối lớn của các hạt chất lỏng. Về điều này, chất lỏng giống chất khí, mặc dù lực tương tác giữa các phân tử của chất lỏng lớn hơn, nhưng các phân tử lại gần nhau hơn và chuyển động của chúng bị hạn chế hơn.

Những gì đã nói có thể được tiếp cận theo một cách khác - từ quan điểm của ý tưởng về trật tự tầm xa và tầm ngắn. Trật tự tầm xa tồn tại trong chất rắn kết tinh, các nguyên tử của chúng được sắp xếp theo một trật tự nghiêm ngặt, tạo thành cấu trúc ba chiều có thể thu được bằng cách lặp lại nhiều lần ô đơn vị. Ví dụ về thứ tự phạm vi dài hai chiều được hiển thị trong hình. một, một. Không có thứ tự tầm xa trong chất lỏng và thủy tinh. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng hoàn toàn không được đặt hàng. Chất lỏng được đặc trưng bởi một mô hình tương tự như thể hiện trong Hình. một, b. Số lượng láng giềng gần nhất của tất cả các nguyên tử gần như bằng nhau, nhưng sự sắp xếp của các nguyên tử khi chúng di chuyển ra khỏi bất kỳ vị trí đã chọn nào ngày càng trở nên hỗn loạn hơn. Do đó, trật tự chỉ tồn tại ở những khoảng cách nhỏ, do đó có tên: trật tự tầm ngắn. Chỉ có thể đưa ra mô tả toán học đầy đủ về cấu trúc của chất lỏng khi có sự trợ giúp của vật lý thống kê. Ví dụ, nếu một chất lỏng bao gồm các phân tử hình cầu giống hệt nhau, thì cấu trúc của nó có thể được mô tả bằng hàm phân bố xuyên tâm g(r), cung cấp xác suất phát hiện bất kỳ phân tử nào ở khoảng cách xa r từ điểm đã cho được chọn làm điểm tham chiếu. Thực nghiệm, chức năng này có thể được tìm thấy bằng cách nghiên cứu sự nhiễu xạ của tia X hoặc neutron, và với sự ra đời của máy tính tốc độ cao, nó bắt đầu được tính toán bằng mô phỏng máy tính, dựa trên dữ liệu có sẵn về bản chất của các lực tác động giữa các phân tử, hoặc các giả thiết về các lực này, cũng như về các định luật cơ học Newton. So sánh các hàm phân bố hướng tâm thu được về mặt lý thuyết và thực nghiệm, người ta có thể xác minh tính đúng đắn của các giả thiết về bản chất của lực liên phân tử.

Trong các chất hữu cơ, các phân tử của chúng có hình dạng kéo dài, trong một khoảng nhiệt độ này hoặc một phạm vi nhiệt độ khác, đôi khi người ta tìm thấy các vùng của pha lỏng với trật tự định hướng trong phạm vi dài, biểu hiện ở xu hướng sắp xếp song song của các trục dài của các phân tử. Trong trường hợp này, trật tự định hướng có thể đi kèm với trật tự phối trí của các trung tâm phân tử. Pha lỏng của loại này thường được gọi là tinh thể lỏng; mô phỏng máy tính cũng rất hữu ích để hiểu các đặc tính cấu trúc của chúng.

Trong chất khí, không có trật tự trong sự sắp xếp của các phân tử. Do đó, chất lỏng chiếm vị trí trung gian giữa chất rắn kết tinh và chất khí, tức là giữa hệ thống phân tử hoàn toàn có trật tự và hoàn toàn không có trật tự. Đó là lý do tại sao lý thuyết về chất lỏng rất phức tạp. Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét mối quan hệ giữa chất rắn, chất lỏng và chất khí, cũng như giữa các tính chất khác nhau của chất lỏng, sử dụng các mô hình phân tử đơn giản.

Chất lỏng, chất khí và lực liên phân tử.

1 cm 3 khí ở nhiệt độ 0 ° C và áp suất bình thường chứa khoảng 2,7 × 10 19 phân tử, do đó khoảng cách trung bình giữa chúng là khoảng 30 × 10-8 cm, hay 30 Å. Vì bản thân đường kính của các phân tử chỉ bằng một vài angstrom, nên hợp lý khi giả định rằng tương tác giữa các phân tử khí luôn nhỏ một cách đáng kể, ngoại trừ những khoảnh khắc va chạm của chúng. Do đó, chúng ta đi đến một mô hình về chất khí, trong đó các phân tử được biểu diễn như những quả bóng chuyển động độc lập với nhau, va chạm với nhau và với thành bình chứa chất khí đó. Ở nhiệt độ 0 ° C, tốc độ của các phân tử là vài trăm mét / giây, và sự va chạm của chúng với thành bình tạo ra một áp suất đáng chú ý. Việc xem xét chi tiết hơn về mô hình này đưa ra mối quan hệ giữa áp suất P, âm lượng V và nhiệt độ nhiệt động lực học T (T= ° C + 273)

(1)PV/T= const (đối với một lượng khí cho trước).

Mối quan hệ này - cái gọi là phương trình trạng thái khí lý tưởng - là một bản ghi tổng quát của các định luật Boyle - Mariotte, Gay-Lussac và Charles, và hành vi của hầu hết các chất khí được ông mô tả với độ chính xác tốt. Phương trình (1) sẽ luôn giữ nguyên nếu khí vẫn là khí, bất kể nhiệt độ giảm hay áp suất tăng. Tuy nhiên, ai cũng biết rằng tất cả các chất khí đều có thể hóa lỏng nếu được nén hoặc làm mát đủ. Đối với mỗi khí có một cái gọi là nhiệt độ tới hạn T c, dưới đó nó luôn có thể được hóa lỏng bằng cách tăng áp suất; cao hơn T c khí không thể hóa lỏng trong bất kỳ trường hợp nào. Điều này có nghĩa là mô hình của các phân tử chuyển động độc lập trong điều kiện nhiệt độ cao hơn T c, chỉ là gần đúng và thấp hơn T cở áp suất và mật độ cao, nó thường không chính xác. Sự tồn tại của trạng thái lỏng bên dưới T c gợi ý rằng lực hấp dẫn tác động giữa các phân tử, vì nếu không thì không thể hiểu được tại sao chúng vẫn ở gần nhau. Tuy nhiên, ngoài lực hút, các phân tử cũng trải qua lực đẩy lẫn nhau - chúng ta tin chắc điều này khi chúng ta cố gắng giảm thể tích của chất lỏng (hoặc chất rắn). Lực hút tác dụng với khoảng cách lớn hơn lực đẩy, nhưng cả hai đều có bản chất tĩnh điện.

Nếu chúng ta đưa ra các hiệu chỉnh cho sự gắn kết của các phân tử và thể tích của chúng vào mô hình khí lý tưởng, thì chúng ta thu được một phương trình, nói chung, khác với (1). Một trong những phương trình này, do J. van der Waals suy ra, có dạng

(2)(P + một/V 2) (V - b)/T= const.

Đây một và b là các hằng số đặc trưng của chất khí đã cho. Phương trình này cũng dự đoán sự tồn tại của nhiệt độ tới hạn T c và mô tả một cách định tính sự chuyển đổi quan sát được giữa pha khí và pha lỏng.

Chúng ta hãy xem xét một số hệ quả thực tế của phương trình (2). Trên hình. 2 là biểu đồ của áp suất khí so với thể tích. Để một lượng khí chiếm thể tích V 1 ở nhiệt độ T 1 và áp lực P một . Khi thể tích giảm, áp suất tăng và trạng thái của chất khí thay đổi: từ điểm Một anh ấy đi vào vấn đề B. Tại đây, chất khí bắt đầu ngưng tụ, và sự giảm thể tích không còn dẫn đến sự thay đổi áp suất. Khi di chuyển dọc theo một đường thẳng BC lượng chất lỏng tăng lên cho đến khi C khí sẽ không được hóa lỏng hoàn toàn. Áp suất không đổi tương ứng với quá trình này được gọi là áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ nhất định. T một . Tại tất cả các điểm của phân khúc BC có trạng thái cân bằng (nhiệt động) giữa chất lỏng và chất khí. Điều này có nghĩa là số phân tử bay hơi khỏi bề mặt chất lỏng trong 1 s chính xác bằng số phân tử ngưng tụ từ hơi sang lỏng. Để giảm thêm thể tích, cần phải tạo ra một áp suất rất lớn để thắng lực đẩy lẫn nhau của các phân tử chất lỏng. Tình huống này tương ứng với đường thẳng đứng đĩa CD. Đường cong A B C Dđược gọi là đường đẳng nhiệt vì tất cả các điểm của nó có cùng nhiệt độ. Nếu cùng một thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn, thì theo phương trình van der Waals, chúng ta sẽ thu được một đường đẳng nhiệt có cùng phương trình, chỉ có đoạn BC sẽ trở nên ngắn hơn. Cuối cùng, ở nhiệt độ tới hạn T cđoạn này thường được ký hợp đồng với một điểm có tọa độ T c và Máy tính. Tại thời điểm này, chất lỏng và chất khí không thể phân biệt được. Ở nhiệt độ trên T c, phương trình van der Waals (2) chuyển thành phương trình (1) (đường cong tương ứng với nhiệt độ T 2 trong hình. 2). Các giá trị của nhiệt độ tới hạn và áp suất tương ứng của chúng được cho trong bảng sau:

Sức căng bề mặt.

Như chúng ta đã thấy, việc tính đến lực giữa các phân tử có thể giải thích một cách chính xác quá trình ngưng tụ khí. Bây giờ chúng ta hãy thử mô tả một số tính chất vật lý của chất lỏng, có tính đến các lực này.

Hãy tưởng tượng một giọt thủy ngân. Chúng ta có thể dùng ngón tay làm phẳng nó một chút, nhưng ngay sau khi chúng ta bỏ ngón tay ra, giọt nước sẽ lại tụ lại thành một quả bóng. Cô ấy cư xử như thể cô ấy được bao bọc trong một lớp màng co giãn. Đây là biểu hiện của hiệu ứng căng bề mặt. Bản chất của nó sẽ trở nên rõ ràng nếu chúng ta chuyển sang Hình. 3. Tại đây Một và B- hai phân tử chất lỏng, phân tử thứ nhất về thể tích, phân tử thứ hai ở bề mặt. Trong cả hai trường hợp, chúng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn từ các phân tử khác, nhưng chỉ những lực nằm bên trong một quả cầu có đường kính bằng vài angstrom, vì những lực này nhanh chóng giảm theo khoảng cách. Đối với một phân tử Một một quả cầu như vậy nằm hoàn toàn bên trong chất lỏng, do đó kết quả của tất cả các lực bằng không. Phân tử B, nằm trên bề mặt, sẽ bị hút vào chất lỏng, vì chỉ lực hấp dẫn từ các phân tử nằm ở bán cầu dưới tác động lên nó. Các lực giống nhau, vuông góc với bề mặt và hướng vào bên trong chất lỏng, tác dụng lên tất cả các phân tử gần bề mặt; chúng tạo ra sức căng bề mặt.

Sức căng bề mặt Sđược định nghĩa một cách định lượng là lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của một đoạn thẳng lên bề mặt chất lỏng. Coi một màng xà phòng được căng trên một khung thẳng đứng gồm hai sợi dây mảnh TUV và PQ(Hình 4). dây điện PQ không cố định và có thể di chuyển tự do. Nó sẽ chuyển động xuống dưới tác dụng của trọng lực cho đến khi cân bằng lực do sức căng bề mặt. Vì phim có hai bề mặt nên lực tác dụng lên dây là 2 SL, ở đâu L- chiều dài của đoạn dây PQ tiếp xúc với bộ phim.

Do sự xuất hiện của sức căng bề mặt, bất kỳ sự gia tăng nào về diện tích bề mặt của chất lỏng đều có liên quan đến chi phí năng lượng. Đó là lý do tại sao những giọt chất lỏng nhỏ có dạng hình cầu: tỷ lệ giữa diện tích bề mặt của chúng với thể tích trở nên nhỏ nhất, và sau đó, thế năng cũng giảm thiểu. Những giọt nước lớn bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lực.

hiện tượng mao dẫn.

Một giọt nước trên tấm thuỷ tinh sạch mất dạng hình cầu và lan ra, tạo thành một màng mỏng. Điều này xảy ra bởi vì lực kết dính giữa các phân tử nước và thủy tinh vượt quá lực tương tự giữa các phân tử nước - nước làm ướt thủy tinh. Một giọt thủy ngân trên cùng một đĩa vẫn có hình cầu: lực dính giữa các phân tử thủy ngân lớn hơn lực dính giữa thủy ngân và các phân tử thủy tinh - thủy ngân không làm ướt thủy tinh. Điều này giải thích cái gọi là hiện tượng mao dẫn được quan sát thấy trong một ống mao dẫn thủy tinh mỏng (Hình 5). Nếu bạn hạ thấp ống mao dẫn vào một bình chứa nước, thì nước sẽ dâng qua nó trên mức trong bình và bề mặt của nó (mặt khum) sẽ có hình lõm. Ngược lại, mức thủy ngân trong cùng một ống mao dẫn sẽ thấp hơn mức trong chính bình, và mặt khum sẽ lồi. Vì sự kết dính giữa các phân tử nước và thủy tinh mạnh hơn giữa chính các phân tử nước, nên nước, như nó vốn có, “leo lên” dọc theo thành của ống mao dẫn cho đến khi áp suất của cột của nó trong ống mao dẫn được cân bằng bởi áp suất do lực giữa các phân tử. Mặt khum lõm được hình thành do các phân tử nước ở gần thành mao quản chịu tác dụng của một lực khác không hướng vào thành. Đối với thủy ngân, bức tranh bị đảo ngược.

Chất lỏng sôi.

Khi chất lỏng sôi trong một bình hở, áp suất bên trong các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng ít nhất phải bằng áp suất khí quyển - nếu không các bong bóng sẽ chỉ đơn giản là xẹp xuống. Do đó, ở điểm sôi, áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất khí quyển. Ở độ cao đủ lớn, nhiệt độ sôi của chất lỏng thấp hơn so với mực nước biển, vì áp suất khí quyển giảm theo độ cao. Như vậy, nhiệt độ sôi của nước ở độ cao 4000 m chỉ khoảng 85 ° C, còn ở mực nước biển là 100 ° C.

Sự sôi là sự bay hơi dữ dội của một chất lỏng, không chỉ xảy ra từ bề mặt mà trong toàn bộ thể tích của nó, bên trong các bong bóng hơi tạo thành. Để đi từ thể lỏng sang thể hơi, các phân tử phải thu được năng lượng cần thiết để thắng các lực hấp dẫn giữ chúng trong chất lỏng. Ví dụ, để làm bay hơi 1 g nước ở nhiệt độ 100 ° C và áp suất tương ứng với áp suất khí quyển ở mực nước biển, cần phải tiêu tốn 2258 J, trong đó 1880 dùng để tách các phân tử ra khỏi chất lỏng, và phần còn lại đi có tác dụng làm tăng thể tích chiếm chỗ của hệ, chống lại lực áp suất khí quyển (1 g hơi nước ở 100oC và áp suất thường chiếm thể tích 1,673cm 3, trong khi 1 g nước ở cùng điều kiện chỉ 1,04cm 3. ).

Nhiệt độ sôi của dung dịch chứa chất không bay hơi thường cao hơn nhiệt độ của dung môi nguyên chất. Vì chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng với áp suất khí quyển, nên mô hình này có nghĩa là áp suất hơi của dung dịch của một chất không bay hơi ở nhiệt độ nhất định thấp hơn áp suất hơi của dung môi nguyên chất.

Sự đông đặc của chất lỏng.

Thông thường, khi chất lỏng đông đặc, thể tích của chúng giảm đi phần nào (khoảng 10%), mặc dù có những ngoại lệ đối với quy tắc này. Ví dụ, nước gali và bitmut nở ra khi đông đặc, do đó chất đông đặc nổi trên bề mặt chất lỏng. Hành vi của chất lỏng gần nhiệt độ đông đặc có thể cho thấy những dị thường khác, ví dụ, khi nhiệt độ tăng trong phạm vi từ 0 đến 4 ° C, nước sẽ co lại. Để giải thích những sự kiện thực nghiệm này, trước hết chúng ta hãy xem xét sự chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn đối với các chất "bình thường", chẳng hạn như nhôm. Như phân tích nhiễu xạ tia x cho thấy, nhôm kết tinh với sự hình thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt (Hình 6), trong đó mỗi nguyên tử được bao quanh bởi mười hai hàng xóm gần nhất nằm ở khoảng cách 2,86 Å (2,86 × 10–8 cm ) từ nó. Nếu các nguyên tử được coi là hình cầu, thì sự sắp xếp này tương ứng với sự đóng gói dày đặc nhất của chúng (cấu trúc "đóng gói"). Trong nhôm lỏng, không có thứ tự tầm xa, nhưng một số thứ tự tầm ngắn vẫn còn. Theo dữ liệu nhiễu xạ tia X, mỗi nguyên tử trong nó được bao quanh bởi 10–11 hàng xóm gần nhất nằm cách nó 2,96 Å, tức là cấu trúc của nhôm lỏng ở gần nhiệt độ đông đặc tương tự như cấu trúc của nhôm rắn, nhưng có phần “lỏng lẻo” hơn. Đối với nước, gali và bitmut, người ta quan sát thấy bức tranh ngược lại: ở gần nhiệt độ hóa rắn, cấu trúc của chúng “lỏng” hơn không phải ở dạng lỏng mà ở trạng thái rắn. Câu trả lời cho câu hỏi về nguyên nhân của sự bất thường như vậy nên được tìm kiếm trong các đặc điểm cấu trúc của các phân tử của chúng và các liên kết giữa chúng ở các trạng thái tổng hợp khác nhau. Ví dụ, hãy xem xét nước và đá. Cả hai đều được xây dựng từ các phân tử giống nhau, bao gồm các ion oxy âm được ion hóa kép (O 2–) và hai ion hydro dương được ion hóa đơn (H +). Trong phân tử nước, ba ion này tạo thành một tam giác với hai proton ở gốc và oxy ở đỉnh (tương ứng là hai vòng tròn nhỏ và một vòng tròn lớn trong Hình 7); góc giữa các liên kết O – H là 104 °. Trong cấu trúc của nước đá, các phân tử H 2 O được sắp xếp theo cách mà mỗi nguyên tử oxi được bao quanh bởi 4 nguyên tử hiđro nằm ở các đỉnh của tứ diện. Điều này cung cấp mức tăng năng lượng tối đa do lực hút giữa các ion dương và âm, nhưng cấu trúc trở nên lỏng lẻo hơn nhiều. Khi nước đá tan chảy, sự đóng gói không kinh tế của các phân tử H 2 O này dần dần được thay thế bằng một phân tử dày đặc hơn, và trong khoảng từ 0 đến 4 ° C, thể tích của chất giảm dần. Cấu trúc lỏng lẻo của gali và bitmut rắn cũng là do đặc thù của sự tương tác giữa các nguyên tử, nhưng bản chất của những liên kết này phức tạp hơn nhiều so với bản chất của băng.

Sự hòa tan của chất lỏng.

Ai cũng biết rằng nước có thể hòa tan rượu với bất kỳ lượng nào, trong khi nó hoàn toàn không trộn lẫn với thủy ngân và dầu. Tương tự, benzen hòa tan được hydrocacbon nhưng không hòa tan được nước. Lý do của hiện tượng này là gì? Ở đây, một câu trả lời chung có thể được đưa ra: chất lỏng trộn lẫn nếu cấu trúc điện tử của chúng giống nhau, và sự khác biệt về cấu trúc điện tử làm cho việc trộn lẫn khó khăn. Để làm rõ ý của chúng tôi về "cấu trúc điện tử", chúng ta hãy xem xét lại nước. Khi một phân tử nước được hình thành, điện tích được phân phối lại giữa các nguyên tử cấu thành của nó: các nguyên tử hydro tặng các electron hóa trị của chúng và nguyên tử oxy nhận chúng. Do đó, phân tử nước có mômen lưỡng cực điện khác không, tức là là cực. Đặc biệt, điều này giải thích thực tế là nước có hằng số điện môi rất cao và các muối hòa tan tốt trong nó, phân ly thành các ion. Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực giữ các phân tử nước lại với nhau, do đó nhiệt độ sôi của nó tăng lên. Một ví dụ khác về chất lỏng phân cực là rượu C 2 H 5 OH; nó dễ trộn lẫn với nước, vì mômen lưỡng cực của các phân tử của nó tương tự như mômen lưỡng cực của phân tử nước.

Cùng với chất lỏng phân cực, các phân tử của chúng phần lớn liên kết với nhau, cũng có những chất lỏng không phân cực có liên kết giữa các phân tử yếu hơn. Một ví dụ về các chất lỏng như vậy là các hydrocacbon - benzen, naphthalene, v.v. Phân tử của những chất lỏng này được xây dựng từ các nguyên tử cacbon và hydro, xã hội hóa các điện tử hóa trị của chúng thay vì cho hoặc thêm chúng. Điểm yếu tương đối của liên kết giữa các phân tử hydrocacbon được chứng minh bằng nhiệt độ sôi thấp của chúng. Giữa chất lỏng có tính chất phân cực được xác định rõ ràng (nước) và chất hoàn toàn không phân cực (hydrocacbon), có rất nhiều loại chất lỏng, vì vậy không phải lúc nào cũng có thể nói trước liệu hai chất lỏng đã cho sẽ trộn lẫn với nhau hay không. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, quy tắc được xây dựng ở đầu phần được tuân theo.

Ngoài cấu trúc điện tử, độ trộn lẫn của chất lỏng có thể phụ thuộc đáng kể vào kích thước của các phân tử, cũng như nhiệt độ. Ví dụ, nicotine có thể hòa trộn với nước theo bất kỳ tỷ lệ nào dưới 60 ° C và trên 208 ° C; ở nhiệt độ trung gian, khả năng hòa tan lẫn nhau của nicotin và nước rất hạn chế.

Sự thẩm thấu.

Năm 1748, J. Nollet phát hiện ra rằng một số tế bào thực vật co lại trong dung dịch muối đậm đặc - nước sẽ khiến chúng đi qua màng tế bào. Nếu các tế bào tương tự sau đó được chuyển sang nước, chúng sẽ phồng lên và phục hồi kích thước của chúng. Sự di chuyển như vậy của một chất (sự khuếch tán) qua một vách ngăn bán thấm ngăn cách một dung dịch và một dung môi tinh khiết hoặc hai dung dịch có nồng độ khác nhau được gọi là sự thẩm thấu. Hiện tượng này có thể được giải thích là do các phân tử dung môi, theo quy luật, nhỏ hơn các phân tử của chất tan, và do đó dễ dàng đi qua các lỗ trong vách ngăn hơn. Vì số lượng phân tử dung môi trong dung dịch loãng (hoặc dung môi tinh khiết) nhiều hơn trong dung dịch đậm đặc, nên sự truyền khuếch tán của các phân tử này xảy ra đối với dung dịch sau.

Chất lỏng và chất rắn.

Trước đó chúng ta đã nói về mối quan hệ của chất lỏng và hơi của chúng ở gần nhiệt độ tới hạn T c. Mối quan hệ tương tự tồn tại giữa chất lỏng và chất rắn - ít nhất là gần điểm nóng chảy Tm.

Thông thường, khi một chất rắn bị nóng chảy, thể tích của nó tăng khoảng 10%, tức là khoảng cách trung bình giữa các phân tử lân cận ở trạng thái rắn và lỏng là gần như nhau. Sự gắn kết giữa các nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái rắn và lỏng không khác nhau nhiều lắm, và tính dẻo của chất rắn có thể được coi là tương tự như tính lưu động của chất lỏng. Do đó, về tính chất vật lý của chúng, chất rắn và chất lỏng không khác nhau về cơ bản. Theo đó, có hai loại lý thuyết về trạng thái lỏng: một số dựa trên các ý tưởng của lý thuyết trạng thái rắn hiện đại, và một số khác dựa trên các ý tưởng vay mượn từ lý thuyết chất khí. Các lý thuyết của loại đầu tiên là đầy đủ hơn ở gần điểm nóng chảy Tm và thứ hai - gần điểm tới hạn T c.

kim loại lỏng.

Nhiều tính chất vật lý của kim loại rắn ít thay đổi khi nóng chảy. Về vấn đề này, các lý thuyết tổng quát hơn đang được phát triển trong đó các tính chất của kim loại lỏng và rắn được xem xét trên quan điểm thống nhất. Trong các lý thuyết này, yếu tố cấu trúc được xác định bởi sự sắp xếp lẫn nhau của các nguyên tử. Nó chỉ ra rằng do sự dao động khá mạnh của các nguyên tử của chất rắn ở nhiệt độ cao, yếu tố cấu trúc của chất rắn gần điểm nóng chảy không khác nhiều so với chất lỏng. Các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp, chẳng hạn như natri, được sử dụng làm chất làm mát trong lò phản ứng hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân.

Lực hút và lực đẩy của các hạt quyết định sự sắp xếp lẫn nhau của chúng trong vật chất. Và đặc tính của các chất phụ thuộc đáng kể vào vị trí của các hạt. Vì vậy, khi nhìn vào một viên kim cương rất cứng trong suốt (rực rỡ) (Hình 111, a) và than chì đen mềm (Hình 111, b) (các thanh bút chì được làm từ nó), chúng tôi không đoán rằng cả hai chất đều bao gồm chính xác cùng nguyên tử cacbon. Chỉ là những nguyên tử này được sắp xếp trong than chì khác với trong kim cương.

Cơm. 111

Lưu ý rằng các hình vẽ không chỉ ra bản thân các nguyên tử mà là mô hình của chúng - những quả bóng, và trên thực tế không có thanh hoặc dây kết nối nào giữa chúng. Đây là một biểu diễn quy ước về sự sắp xếp của các nguyên tử trong một chất.

Sự tương tác của các phần tử của một chất dẫn đến một thực tế là nó có thể ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Ví dụ, nước đá, nước, hơi nước (Hình 112). Bất kỳ chất nào cũng có thể ở ba trạng thái, nhưng cần có những điều kiện nhất định: áp suất, nhiệt độ. Ví dụ, ôxy trong không khí là một chất khí, nhưng khi làm lạnh dưới -193 ° C, nó chuyển thành chất lỏng, và ở nhiệt độ -219 ° C, ôxy là chất rắn. Sắt ở áp suất thường và nhiệt độ thường ở trạng thái rắn. Ở nhiệt độ trên 1539 ° C, sắt trở thành chất lỏng, và ở nhiệt độ trên 3050 ° C, nó trở thành thể khí. Thủy ngân lỏng được sử dụng trong nhiệt kế y tế trở nên rắn khi được làm lạnh đến nhiệt độ dưới -39 ° C. Ở nhiệt độ trên 357 ° C, thủy ngân chuyển thành hơi (khí).

Cơm. 112

Biến bạc kim loại thành khí, nó được phun lên kính và được kính "gương".

Các chất ở các trạng thái khác nhau có những tính chất gì?

Hãy bắt đầu với các chất khí, trong đó hành vi của các phân tử (Hình 113) giống như chuyển động của những con ong trong một bầy. Tuy nhiên, những con ong trong đàn thay đổi hướng di chuyển một cách độc lập và thực tế không va chạm với nhau. Đồng thời, đối với các phân tử trong chất khí, những va chạm như vậy không những không thể tránh khỏi mà còn xảy ra gần như liên tục. Kết quả của va chạm, hướng và giá trị vận tốc của các phân tử thay đổi.

Cơm. 113

Kết quả của chuyển động này và sự thiếu tương tác giữa các hạt trong chuyển động là khí không giữ được thể tích hoặc hình dạng, nhưng chiếm toàn bộ khối lượng được cung cấp cho nó. Mỗi bạn sẽ coi câu nói “Không khí chiếm một nửa thể tích của căn phòng” và “Tôi đã bơm không khí vào hai phần ba thể tích của một quả bóng cao su” là hoàn toàn vô lý. Không khí, giống như bất kỳ chất khí nào, chiếm toàn bộ thể tích của căn phòng và toàn bộ thể tích của quả bóng.

Chất lỏng có những tính chất gì? Hãy làm một thí nghiệm.

Cơm. 114

Đổ nước từ cốc 1 vào cốc 2. Hình dạng của chất lỏng đã thay đổi, nhưng âm lượng nước giữ nguyên(Hình. 114). Các phân tử không phân tán trong toàn bộ thể tích, như trường hợp của một chất khí. Điều này có nghĩa là lực hút lẫn nhau của các phân tử chất lỏng tồn tại, nhưng nó không giữ các phân tử lân cận một cách cứng nhắc. Chúng dao động và nhảy từ nơi này sang nơi khác (Hình. 115), điều này giải thích tính lưu động của chất lỏng.

Hình.115

Mạnh nhất là tương tác của các hạt trong chất rắn. Nó không cho phép các hạt phân tán. Các hạt chỉ thực hiện các chuyển động dao động hỗn loạn xung quanh các vị trí nhất định (Hình 116). Cho nên chất rắn giữ nguyên cả thể tích và hình dạng. Quả bóng cao su sẽ giữ nguyên hình dạng và thể tích quả bóng ở bất cứ nơi nào nó được đặt: trong lọ, trên bàn, v.v.

Cơm. 116

Suy nghĩ và trả lời

Các tính chất chính của chất khí là gì?
Tại sao một chất lỏng không giữ được hình dạng của nó?
Sự khác nhau giữa trạng thái rắn của vật chất với thể lỏng và thể khí?
Phân tử nước có khác phân tử nước đá không?
Các chất nào sau đây ở điều kiện thường (ở nhiệt độ thường và áp suất thường) ở trạng thái khí, và chất nào ở thể lỏng hoặc rắn: thiếc, xăng, oxi, sắt, thủy ngân, không khí, thủy tinh, chất dẻo?
Thủy ngân có thể ở trạng thái rắn và không khí ở trạng thái lỏng được không? Dưới những điều kiện nào?

Bài tập về nhà

Cho nước vào đầy một chai nhựa (0,5 l) và đậy chặt nắp. Thử vắt nước trong chai. Sau đó đổ hết nước và đậy nắp chai lại. Bây giờ bóp không khí trong đó. Dựa vào kết quả thí nghiệm, hãy phát biểu giả thuyết về cấu tạo của chất khí và chất lỏng.
Nhiệm vụ-cạnh tranh: lập một bảng trong đó bạn so sánh bản chất của chuyển động, tương tác của các hạt, cũng như các tính chất của vật chất ở trạng thái khí, rắn và lỏng. Người chiến thắng cuộc thi sẽ là người có bảng chứa thông tin đầy đủ và chính xác nhất.

Hãy lặp lại điều chính trong nghiên cứu

Tất cả các chất đều bao gồm các hạt riêng lẻ (nguyên tử, phân tử), giữa chúng có khoảng cách.
Các hạt vật chất chuyển động liên tục và ngẫu nhiên.
Tốc độ chuyển động của các hạt càng lớn thì thân nhiệt càng cao.
Sự khuếch tán là hiện tượng xâm nhập lẫn nhau của các chất vào nhau. Sự khuếch tán diễn ra đặc biệt nhanh trong chất khí, chậm hơn trong chất lỏng và rất chậm trong chất rắn. Khi nhiệt độ tăng, quá trình khuếch tán diễn ra nhanh hơn.
Ở khoảng cách lớn hơn kích thước của chính các hạt, lực hút của các hạt sẽ chiếm ưu thế. Ở khoảng cách nhỏ hơn kích thước của các hạt, có lực đẩy. Lực hút của các hạt rất nhanh chóng yếu đi khi chúng di chuyển ra xa nhau.
Sự thay đổi kích thước của vật khi bị nung nóng gọi là sự nở vì nhiệt.
Sự nở vì nhiệt của các chất rắn và lỏng khác nhau là khác nhau, và tất cả các chất khí đều giống nhau.