Строение вещества. газы, жидкости, твердые тела

Молекулы так же электриче­ски нейтральны, как и атомы. Подобно атомам, молекулы вза­имодействуют друг с другом на расстояниях, сравнимых с раз­мерами самих молекул. Если расстояние между молекулами превышает их размеры в не­сколько раз, то молекулы при­тягиваются. На расстояниях, меньших размеров молекул, они испытывают силу отталкива­ния. На некотором расстоянии эти силы компенсируют друг друга, при этом потенциаль­ная энергия взаимодействия имеет минимальное значение (рис. 125).

Энергия взаимодействия молекул как функция расстояния между ними

Моделью взаимодействующих молекул могут служить мыльные пузырьки, образующиеся на поверхности мыльного раствора в воде с помощью воздуха, продуваемого через тонкую металлическую иг­лу от медицинского шприца (рис. 126). Каждый из таких пузырьков притягивается к соседнему за счет прогиба поверхностной пленки жидкости. При соприкосновении пызырьки начинают отталкивать­ся друг от друга под действием силы упругости воздуха, которым они наполнены.

На рисунке 127 показана картина расположения множества пу­зырьков на поверхности мыльного раствора. Видно, что они образу­ют регулярную структуру, характер которой зависит от взаимодейст­вия отдельных пузырьков.

Схема эксперимента, моделирующего взаимодействия молекул

Примерно такая же картина, только в трехмерном пространстве, возникает при взаимодействии молекул вещества, входящих в состав твердых тел. Молекулы пристраиваются друг к другу в порядке, оп­ределяемом характером сил взаимодействия (рис. 128). Окончатель­ное местоположение молекул соответствует минимальной энергии взаимодействия между ними. За счет теплового движения моле­кулы непрерывно смещаются от своего положения равновесия, как бы расталкивая своих сосе­дей. Но при сравнительно низ­ких температурах, когда средняя кинетическая энергия молекулы меньше потенциальной энергии ее взаимодействия с другими молекулами, молекуле не удает­ся изменить свое положение в пространстве, поэтому твердые тела обладают вполне опреде­ленной формой. Особенно боль­шое впечатление на нас произ­водят кристаллические тела,

форма которых бывает столь совершенной, что напрашивается мысль о вмешательстве каких-то разумных сил при их создании. На рисунке 129 изображены природные кристаллы.

Трудно поверить, что эти геометрические формы созданы благо­даря взаимодействию отдельных молекул, обусловленному электро­магнитным взаимодействием. Но это так. Непрерывное беспорядоч­ное движение молекул приводит их в такое состояние, при котором

энергия системы принимает ми­нимальное значение, равномер­но распределяясь между всеми молекулами — участниками вза­имодействия.

Поняв природу кристалли­ческих тел, люди научились ис­кусственно создавать самые раз­нообразные кристаллы, даже та­кие, которых в природе раньше не существовало. Так, например, были синтезированы удивитель­ные кристаллы —фианиты, по своим свойствам не уступающие алмазу (рис. 130). Выращивание искусственных рубинов, сапфи­ров, изумрудов и алмазов для

научных и промышленных целей стало привычным делом. Особое значение играет получение полупроводниковых кристаллических материалов, таких, как кремний и германий (рис. 131, 132). Они широко используются для получения полупроводниковых прибо­ров, применяющихся в радиоэлектронной промышленности, в ча­стности при производстве интегральных схем для современных компьютеров, телевизоров, музыкальных центров и другой бытовой техники.

С ростом температуры кинети­ческая энергия молекул вещества увеличивается, что приводит к росту амплитуды колебаний моле­кул около положения равновесия. Если средняя кинетическая энер­гия становится сравнимой с потен­циальной энергией взаимодейст­вия молекул, то молекула может покинуть свое место в кристалле и занять другое положение в прост­ранстве. Переходы молекул с од­ного места на другое приводят к нарушению порядка расположе-

ния молекул или атомов в кристалле. При этом твердое тело переходит в жидкое состо­яние. В жидкостях сохраняет­ся порядок между близко рас­положенными молекулами, но дальний порядок, характерный для кристаллических тел, раз­рушается.

Кристаллическая структура льда

Самой известной и широко распространенной жидкостью

на Земле является вода. В воде Мирового океана возникла жизнь. Уникальные свойства воды определяют характер протекания множе­ства процессов на Земле. В свою очередь, свойства воды зависят от взаимодействия молекул воды между собой. Молекула воды, содер­жащая атом кислорода и два атома водорода, сильно поляризована, т. е. электрический заряд в молекуле распределен несимметрично из-за особенностей ее внутреннего строения. Это приводит к тому, что при сближении молекул друг с другом они образуют своеобразные сотовые структуры, связующими элементами в которых являются атомы водорода (рис. 133). Такой способ осуществления связи меж­ду молекулами получил название водородной связи. Наличие водо­родной связи приводит к тому, что расстояние между молекулами льда больше, чем между молекулами воды; именно из-за этого лед легче, чем вода. Это обстоятельство приводит к тому, что водоемы не промерзают зимой до дна, и жизнь в них сохраняется до теплых дней. В воде водородные связи сохраняются в пределах нескольких десятков, сотен или тысяч молекулярных диаметров в зависимости от температуры. Можно сказать, что кристаллическая структура льда сохраняется и в отдельных локальных областях воды. Эта структура определяет своеобразные свойства воды как жидкости. Особенно это чувствуется при наблюдении волнующегося под действием ветра океана.

Дальнейшее увеличение температуры приводит к полному раз­рыву межмолекулярных связей. Молекулы приобретают столь значи­тельную энергию, что могут преодолеть взаимодействие других мо­лекул и уйти от них на значительные расстояния. В этом случае ве­щество переходит в газообразное состояние. Если расстояние между молекулами столь велико, что их энергия взаимодействия намного меньше средней кинетической энергии молекул, то газ подчиняется уравнению Менделеева—Клапейрона. В этом случае его называют идеальным газом. Если это условие не выполняется, т. е. расстояние между молекулами такое, что нельзя пренебречь взаимодействием между ними, то газ называется реальным. Его свойства впервые описал нидерландский физик В а н-д е р-В а а л ь с (1837—1923). В 1873 г. ему удалось получить уравнение состояния для реального газа, подобное уравнению Менделеева—Клапейрона для идеального газа. Это уравнение с успехом описывало не только свойства газов, но и жидкостей. В 1910 г. за работы по исследованию агрегатных состояний газов и жидкостей Ван-дер-Ваальс был удостоен Нобе­левской премии по физике.

На рисунке 134 изображены изотермы Ван-дер-Ваальса, описы­вающие состояние газа при различных температурах. Среди изотерм выделяется одна, имеющая точку перегиба. Эта изотерма делит все остальные изотермы на две группы: изотермы при более высокой температуре, характерные для идеального газа, и изотермы при бо­лее низкой температуре, описывающие свойства реального газа и жидкости. Температура, соответствующая граничной изотерме, на­зывается критической температурой. Впервые понятие критической температуры ввел Д. И. Менделеев в 1860 г. Газы, имеющие темпе­ратуру выше критической, не могут быть переведены в жидкость. При температуре ниже критической газ при уменьшении объема и с увеличением давления переходит в жидкость. Этот переход на диа-

грамме р V соответствует плоско­му участку изотермы для реаль­ного газа. В этой области изме­нения объема одновременно могут существовать в состоянии динамического равновесия жид­кость и насыщенный пар. Таким образом, вся плоскость диаграм­мы распадается на несколько областей, каждая из которых соответствует определенному агрегатному состоянию реально­го газа. В области 1 может суще­ствовать только газ, в области 2 — жидкость с насыщенным паром, в области 3 — только жидкость.

Изотермы Ван-дер-Ваальс