Jakie są cechy budowy molekularnej gazów, cieczy i ciał stałych. Pytanie: jakie są cechy struktury molekularnej gazów, cieczy i ciał stałych? pilnie

Przede wszystkim należy jeszcze raz podkreślić, że gaz, ciecz i ciało stałe są skupionymi stanami materii i w tym sensie nie ma między nimi różnicy nie do pokonania: każda substancja, w zależności od temperatury i ciśnienia, może znajdować się w dowolnym ze stanów skupionych . Istnieją jednak znaczne różnice między ciałami gazowymi, ciekłymi i stałymi. Ponieważ ciała stałe i ciecze mają wiele wspólnych właściwości, sensowne jest rozważenie tych dwóch stanów skupienia łącznie w naszym kursie.

Istotna różnica między gazem z jednej strony a ciałami stałymi i ciekłymi z drugiej polega na tym, że gaz zajmuje całą objętość dostarczonego mu naczynia, podczas gdy ciecz lub ciało stałe umieszczone w naczyniu zajmuje w nim tylko określoną objętość. Wynika to z różnicy w naturze ruchu termicznego w gazach oraz w ciałach stałych i ciekłych.

Cząsteczki gazu praktycznie nie są ze sobą połączone siłami międzycząsteczkowymi (patrz §35). W każdym razie średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek gazu jest znacznie większa od średniej energii potencjalnej wywołanej siłami spójności między nimi. Dlatego cząsteczki gazu pokonują stosunkowo duże swobodne ścieżki, „rozpraszając się” od siebie aż do pozwala na to rozmiar naczynia i zajmuje całą jego objętość. Zgodnie z tym dyfuzja w gazach przebiega dość szybko.

W ciałach stałych i cieczach siły spójności między cząsteczkami (atomami, jonami) odgrywają już znaczącą rolę, utrzymując je w pewnych odległościach od siebie (patrz § 35, ryc. 67, a). W tych ciałach średnia energia potencjalna wynikająca z sił spójności między cząsteczkami jest większa niż średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek. Innymi słowy, średnio energia kinetyczna cząsteczek jest niewystarczająca, aby pokonać siły przyciągania między ich.

Dzięki gęstemu „upakowaniu” cząsteczek w cieczy nie biegną one już swobodnie, ale wydają się „pchać” w miejscu (oscylować wokół pewnej pozycji równowagi). Tylko od czasu do czasu cząsteczka, dzięki korzystnej kombinacji zderzeń, może przemieścić się w nowe miejsce na odległość porównywalną z wielkością samej cząsteczki. Naturalnie dyfuzja w cieczach przebiega znacznie wolniej niż w gazach.

W ciele stałym cząstki (cząsteczki, atomy, jony) ułożone są w ściśle określonym geometrycznie porządku, tworząc tzw. sieć krystaliczną. Cząstki wykonują ruchy oscylacyjne wokół swoich położeń równowagi. Przejścia cząstek z miejsca na miejsce w ciele stałym są możliwe, ale bardzo rzadkie. Dlatego chociaż dyfuzja występuje również w ciałach stałych, to tutaj przebiega ona jeszcze wolniej niż w cieczach.

Fizyczną istotę różnicy między stanami stałymi, ciekłymi i gazowymi można jeszcze jaśniej wyjaśnić za pomocą potencjalnej krzywej oddziaływania cząsteczek, z którą zapoznaliśmy się już w § 35 (patrz ryc. 67, b). Odtwórzmy tę krzywą z pewnymi dodatkami (ryc. 93).

Oś rzędnych pokazuje energię potencjalną interakcji między cząsteczkami, a oś odciętych pokazuje odległość między cząsteczkami. Dla wygody porównania wartości średniej energii kinetycznej ruchu termicznego cząsteczek zostaną wykreślone z poziomu dna B studni potencjału.

Jeżeli średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek jest znacznie mniejsza niż głębokość studni potencjału, wówczas cząsteczki ulegają niewielkim drganiom, pozostając w dolnej części studni potencjału (poniżej poziomu). Ten przypadek odpowiada stanowi stałemu substancji.

Jeśli średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek jest nieco mniejsza niż głębokość studni potencjału, wówczas cząsteczki ulegają znacznym ruchom wibracyjnym, ale wszystkie pozostaną w studni potencjału. Przypadek ten odpowiada stanowi ciekłemu substancji.

Jeżeli średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek jest znacznie większa niż głębokość studni potencjału, wówczas cząsteczki wyrwą się z niej i po utracie wzajemnego połączenia będą się swobodnie poruszać (wykonywać swobodne biegi). Ten przypadek odpowiada stanowi gazowemu substancji.

Zatem znacząca różnica między gazem z jednej strony a ciałami stałymi i ciekłymi z drugiej strony wynika z faktu, że dla cząsteczek gazu wartość średniej energii kinetycznej ruchu termicznego jest większa niż głębokość studni potencjalnej, a dla cząsteczek ciał stałych i ciekłych jest mniejsza niż głębokość studni potencjału.

Ze względu na to, że cząsteczki ciała stałego są ze sobą ściślej powiązane niż cząsteczki cieczy, ciało stałe w odróżnieniu od cieczy charakteryzuje się stałością nie tylko objętości, ale także kształtu. Rozważmy bardziej szczegółowo kwestię krystalicznej struktury ciała stałego.

Charakterystyczną cechą zewnętrzną kryształu jest jego geometrycznie regularny kształt (ryc. 94). I tak na przykład kryształ soli kuchennej ma kształt sześcianu (a), kryształ lodu ma kształt sześciokątnego pryzmatu, kryształ diamentu ma kształt ośmiościanu (ośmiościanu, c) itp. Dla każdego substancja krystaliczna, kąt pomiędzy ograniczającymi ją powierzchniami (ścianami) jest ścisły

określoną wartość (dla soli kuchennej - 90°, dla lodu - 120° itd.). Kryształy łatwo pękają wzdłuż pewnych płaszczyzn zwanych płaszczyznami łupania. W ten sposób powstają kryształy o mniejszym rozmiarze, ale o tym samym kształcie. W ten sposób po rozdrobnieniu kryształu soli kuchennej powstają małe sześciany i prostokątne równoległościany.

Odnotowane fakty w pewnym momencie doprowadziły do ​​​​pomysłu, że ciało krystaliczne zbudowane jest z ściśle ze sobą połączonych komórek elementarnych (sześcianów lub sześciokątnych pryzmatów, ośmiościanów itp. A to oznacza, że ​​​​w ciele krystalicznym znajdują się cząstki ( cząsteczki, atomy lub jony) są rozmieszczone w ściśle symetrycznym porządku względem siebie, tworząc przestrzenną lub krystaliczną sieć krystaliczną. Położenia cząstek nazywane są węzłami sieci;

Hipotezę tę sformułował w 1848 roku francuski krystalograf Bravais.

Przykładem najprostszej sieci przestrzennej jest sieć krystaliczna soli kuchennej (ryc. 95, a). Jego komórka elementarna o krawędzi a (zaznaczona na rysunku pogrubioną linią) jest utworzona przez dodatnie jony sodu i ujemne jony chloru znajdujące się na wierzchołkach sześcianu.

Kształty sieci przestrzennych mogą być różne, ale nie dowolne: konieczne jest, aby komórki elementarne tworzące siatkę przylegały do ​​siebie ściśle, bez przerw, co odpowiada minimalnej energii potencjalnej sieci. W wymagany sposób można np. ułożyć komórki sześcienne i komórki w formie pryzmatów sześciokątnych (ryc. 95, b i c), natomiast nie da się ułożyć komórek w formie pryzmatów pięciościennych (ryc. 95, d).

W 1890 roku E. S. Fiodorow teoretycznie obliczył wszystkie możliwe formy sieci krystalicznych, których komórki umożliwiają ścisłe upakowanie, i ustalił, że w przyrodzie może istnieć tylko 230 różnych typów sieci krystalicznych, tworząc 32 klasy symetrii. Badania kryształów za pomocą promieni rentgenowskich przeprowadzone w obecnym stuleciu (patrz § 125) potwierdziły, że kryształy składają się z symetrycznie ułożonych cząstek (atomów, cząsteczek lub jonów) tworzących sieć krystaliczną. Co więcej, dzięki analizie dyfrakcji promieni rentgenowskich dużej liczby kryształów naturalnych i sztucznych odkryto tylko 230 różnych typów sieci krystalicznych - pełna zgodność z teoretycznymi obliczeniami E. S. Fiodorowa.

Symetria rozmieszczenia cząstek w sieci krystalicznej wynika z faktu, że w tym przypadku siły oddziaływania (przyciągania i odpychania) pomiędzy cząstkami są równoważone (patrz § 35). W tym przypadku energia potencjalna cząstek jest minimalna.

Odległości pomiędzy cząstkami w krysztale są małe – rzędu wielkości samych cząstek. Odległość między cząsteczkami w cieczy jest tego samego rzędu, ponieważ, jak wiadomo, podczas topienia kryształu nie następuje znaczący wzrost jego objętości.

Niezwykłą cechą kryształu jest jego anizotropia; w różnych kierunkach kryształ ma różne właściwości fizyczne. Na przykład wszystkie kryształy bez wyjątku charakteryzują się anizotropią wytrzymałości; Zdecydowana większość kryształów jest anizotropowa pod względem przewodności cieplnej, przewodności elektrycznej, załamania światła itp. Anizotropię kryształów tłumaczy się głównie faktem, że w siatce przestrzennej liczba cząstek na segment o tej samej długości, ale różnym kierunku, obraca się się różnić, jak pokazano na rys. 96 (na poziomym odcinku siatki znajduje się 8 cząstek, na nachylonym odcinku 6 cząstek, 3 cząstki na innym nachylonym odcinku). Jest oczywiste, że różnica w gęstości cząstek sieci krystalicznej w różnych kierunkach powinna prowadzić do różnic w wielu innych właściwościach w tych kierunkach kryształu.

Stan krystaliczny jest bardzo powszechny w przyrodzie: większość ciał stałych (minerały, metale, włókna roślinne, białka, sadza, guma itp.) to kryształy. Jednak nie wszystkie z tych ciał mają te same wyraźnie wyrażone właściwości krystaliczne omówione wcześniej. Pod tym względem ciała dzielą się na dwie grupy: monokryształy i polikryształy. Monokryształ to ciało, w którym wszystkie cząstki mieszczą się w jednej wspólnej siatce przestrzennej. Pojedynczy kryształ jest anizotropowy. Pojedyncze kryształy

to większość minerałów. Polikryształ to ciało składające się z wielu małych monokryształów losowo rozmieszczonych względem siebie. Dlatego polikryształy są izotropowe, to znaczy mają te same właściwości fizyczne we wszystkich kierunkach. Metale są przykładami polikryształów. Jednakże metal można otrzymać także w postaci monokryształu, jeśli stop będzie powoli schładzany poprzez wprowadzenie do niego najpierw jednego kryształu tego metalu (tzw. zarodka). Wokół zarodka wyrośnie metalowy monokryształ.

W zależności od cząstek, z których zbudowana jest sieć krystaliczna, wyróżnia się cztery główne grupy sieci: jonowe, atomowe, molekularne i metaliczne.

Sieć jonowa jest utworzona przez przeciwnie naładowane jony utrzymywane w miejscach sieci przez siły elektryczne. Zdecydowana większość kryształów ma sieć jonową.

Sieć atomową tworzą neutralne atomy utrzymywane w miejscach sieci za pomocą wiązań chemicznych (walencyjnych): sąsiednie atomy mają wspólne elektrony zewnętrzne (walencyjne). Na przykład grafit ma sieć atomową.

Sieć molekularna składa się z cząsteczek polarnych (dipolowych) (patrz § 81), które są również utrzymywane w węzłach sieci za pomocą sił elektrycznych. Jednak w przypadku cząsteczek polarnych działanie tych sił jest słabsze niż w przypadku jonów. Dlatego substancje posiadające sieć molekularną stosunkowo łatwo ulegają deformacji. Większość związków organicznych (celuloza, guma, parafina itp.) ma molekularną sieć krystaliczną.

Sieć metaliczną tworzą dodatnie jony metali otoczone wolnymi elektronami. Elektrony te wiążą razem jony siatki metalicznej. Siatka ta jest charakterystyczna dla metali.

Współczesna fizyka uważa ciała krystaliczne za ciała stałe. Ciecze, jak już wspomniano, charakteryzują się losowym rozmieszczeniem cząstek, dlatego ciecze są izotropowe. Niektóre ciecze można znacznie przechłodzić, nie stając się stałymi (krystalicznymi). Jednak lepkość takich cieczy jest tak ogromna, że ​​praktycznie tracą one płynność, zachowując swój kształt, jak ciała stałe. Takie ciała nazywane są amorficznymi. Dlatego współczesna fizyka uważa ciała amorficzne za przechłodzone ciecze o ogromnej lepkości. Do ciał amorficznych zalicza się na przykład var, szkło, żywicę-kalafonię itp. Oczywiste jest, że ciała amorficzne są izotropowe. Należy jednak mieć na uwadze, że ciała amorficzne mogą w długim okresie czasu przejść w stan krystaliczny. Na przykład w szkle z czasem pojawiają się kryształy: zaczyna ono mętnieć i zamieniać się w ciało polikrystaliczne.

Ostatnio organiczne substancje amorficzne, których poszczególne cząsteczki

Dzięki wiązaniom chemicznym (walencyjnym) łączą się one ze sobą (polimeryzują) w długie łańcuchy, składające się niekiedy z wielu tysięcy pojedynczych cząsteczek. Substancje takie nazywane są polimerami. Typowymi przedstawicielami polimerów są tworzywa sztuczne. Bardzo cenną właściwością polimerów jest ich wysoka elastyczność i wytrzymałość. Na przykład niektóre polimery wytrzymują elastyczne rozciąganie 2-5 razy większe niż pierwotna długość. Te właściwości polimeru tłumaczy się faktem, że długie łańcuchy molekularne mogą po odkształceniu zwijać się w gęste kulki lub odwrotnie, rozciągać się w linie proste. Obecnie polimery o szerokiej gamie określonych właściwości powstają z naturalnych i sztucznych związków organicznych.

Jakie są cechy struktury molekularnej gazów, cieczy i ciał stałych? PILNIE!!!

Odpowiedzi:

Przyciąganie między cząsteczkami tej samej substancji jest różne, na przykład woda ma trzy stany skupienia: ciekły, stały i gazowy. Cząsteczki cieczy nie rozpraszają się na duże odległości, a ciecz w normalnych warunkach zachowuje swoją objętość, ale nie zachowuje swojego kształtu. Cząsteczki cieczy znajdują się blisko siebie. Odległości między każdymi dwiema cząsteczkami są mniejsze niż rozmiar cząsteczek, więc przyciąganie między nimi staje się znaczące. W ciałach stałych przyciąganie między cząsteczkami (atomami) jest jeszcze większe niż w cieczach. Dlatego w normalnych warunkach ciała stałe zachowują swój kształt i objętość. W ciałach stałych cząsteczki (atomy) są ułożone w określonej kolejności. Są to lód, sól, metale itp. Takie ciała nazywane są kryształami. Cząsteczki lub atomy ciał stałych wibrują wokół pewnego punktu i nie mogą się od niego oddalić. Ciało stałe zachowuje zatem nie tylko objętość, ale także kształt. W gazach odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż wielkość samych cząsteczek. Ponieważ odległości między cząsteczkami są średnio dziesiątki razy większe niż wielkość cząsteczek, są one słabo przyciągane do siebie. Gazy nie mają własnego kształtu i stałej objętości.

Ciecz zajmuje pozycję pośrednią pod względem właściwości i struktury pomiędzy gazami a stałymi substancjami krystalicznymi. Dlatego ma właściwości zarówno substancji gazowych, jak i stałych. W teorii kinetyki molekularnej różne stany agregacji substancji są powiązane z różnymi stopniami porządku molekularnego. W przypadku ciał stałych tzw zamówienie dalekiego zasięgu w układzie cząstek, tj. ich uporządkowany układ, powtarzający się na dużych odległościach. W cieczach występuje tzw zamknąć porządek w układzie cząstek, tj. ich uporządkowany układ, powtarzający się na dystansach, jest porównywalny z układem międzyatomowym. W temperaturach bliskich temperaturze krystalizacji struktura cieczy jest zbliżona do ciała stałego. W wysokich temperaturach bliskich wrzenia struktura cieczy odpowiada stanowi gazowemu - prawie wszystkie cząsteczki uczestniczą w chaotycznym ruchu termicznym.

Ciecze, podobnie jak ciała stałe, mają określoną objętość i podobnie jak gazy, przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Cząsteczki gazu praktycznie nie są ze sobą połączone siłami oddziaływania międzycząsteczkowego i w tym przypadku średnia energia ruchu termicznego cząsteczek gazu jest znacznie większa niż średnia energia potencjalna spowodowana siłami przyciągania między nimi, więc gaz cząsteczki rozlatują się w różnych kierunkach, a gaz zajmuje przydzieloną mu objętość. W ciałach stałych i cieczach siły przyciągania między cząsteczkami są już znaczne i utrzymują cząsteczki w pewnej odległości od siebie. W tym przypadku średnia energia ruchu termicznego cząsteczek jest mniejsza niż średnia energia potencjalna ze względu na siły oddziaływania międzycząsteczkowego i nie wystarczy do pokonania sił przyciągania między cząsteczkami, dlatego ciała stałe i ciecze mają określoną objętość.

Ciśnienie w cieczy wzrasta bardzo gwałtownie wraz ze wzrostem temperatury i zmniejszeniem objętości. Rozszerzalność objętościowa cieczy jest znacznie mniejsza niż w przypadku par i gazów, ponieważ siły łączące cząsteczki w cieczy są bardziej znaczące; ta sama uwaga dotyczy rozszerzalności cieplnej.

Pojemność cieplna cieczy zwykle wzrasta wraz z temperaturą (choć tylko nieznacznie). Stosunek Ср/СV jest praktycznie równy jedności.

Teoria cieczy nie została jeszcze w pełni rozwinięta. Opracowanie szeregu problemów w badaniu złożonych właściwości cieczy należy do Ya.I. Frenkla (1894–1952). Ruch termiczny w cieczy wyjaśnił tym, że każda cząsteczka oscyluje przez pewien czas wokół pewnego położenia równowagi, po czym przeskakuje do nowego położenia, oddalonego od pierwotnego w odległości rzędu międzyatomowego. Zatem cząsteczki cieczy poruszają się raczej powoli w całej masie cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury cieczy gwałtownie wzrasta częstotliwość ruchu wibracyjnego i wzrasta ruchliwość cząsteczek.

Niektóre z nich można wyjaśnić na podstawie modelu Frenkla cechy charakterystyczne właściwości cieczy. Zatem ciecze, nawet w pobliżu temperatury krytycznej, mają znacznie większą lepkość niż gazy, a lepkość maleje wraz ze wzrostem temperatury (a nie wzrasta, jak w przypadku gazów). Tłumaczy się to odmienną naturą procesu przenoszenia pędu: jest on przenoszony przez cząsteczki dokonujące przeskoku z jednego stanu równowagi do drugiego, a skoki te stają się znacznie częstsze wraz ze wzrostem temperatury. Dyfuzja w cieczach zachodzi tylko w wyniku skoków molekularnych i zachodzi znacznie wolniej niż w gazach. Przewodność cieplna ciecze powstają w wyniku wymiany energii kinetycznej pomiędzy cząstkami oscylującymi wokół swoich położeń równowagi z różnymi amplitudami; nagłe skoki cząsteczek nie odgrywają zauważalnej roli. Mechanizm przewodnictwa cieplnego jest podobny do mechanizmu w gazach. Charakterystyczną cechą cieczy jest jej zdolność do posiadania Wolna powierzchnia(nieograniczone solidnymi ścianami).

Zaproponowano kilka teorii dotyczących struktury molekularnej cieczy.

1. Model strefowy. W danym momencie można uznać, że ciecz składa się z obszarów, w których cząsteczki są ułożone we właściwej kolejności, tworząc rodzaj mikrokryształu (strefy). Obszary te wydają się być oddzielone substancją w stanie gazowym. Z biegiem czasu obszary te tworzą się w innych miejscach itp.

2. Teoria struktury kwazikrystalicznej. Rozważmy kryształ znajdujący się w temperaturze zera absolutnego (patrz rys. 9.9.)

Wybierzmy w nim dowolny kierunek i skonstruujmy wykres prawdopodobieństwa P znalezienia cząsteczki gazu w pewnej odległości od innej cząsteczki znajdującej się w początku współrzędnych (rys. 9.9). A), podczas gdy cząsteczki znajdują się w węzłach sieci krystalicznej. W wyższych temperaturach (ryc. 9.9, B) cząsteczki oscylują wokół ustalonych położeń równowagi, w pobliżu których spędzają większość czasu. Ścisła okresowość powtarzania maksimów prawdopodobieństwa w idealnym krysztale rozciąga się dowolnie daleko od wybranej cząstki; Dlatego też zwyczajowo mówi się, że w bryle istnieje „porządek dalekiego zasięgu”.

W przypadku cieczy (ryc. 9.9, V) w pobliżu każdej cząsteczki sąsiedzi są rozmieszczoni mniej lub bardziej regularnie, ale na odległość porządek ten zostaje naruszony (porządek krótkiego zasięgu). Na wykresie odległości mierzone są w ułamkach promienia cząsteczki (r/r 0).

3. Model termodynamiczny. W tej teorii wprowadza się ilość - funkcja rozkładu promieniowego- reprezentujące prawdopodobieństwo wykrycia określonej pary atomów w odległości od R do R+dR

gdzie można uznać za pewne „lokalne stężenie cząsteczek w odległości r od „wybranej”: zatem funkcja rozkładu radialnego f(R) jest równa stosunkowi stężeń: „lokalna” ciecz.

ROZKŁAD CZĄSTECZEK W POLU POTENCJALNYM

SIŁY GRAWITOWANIA (ROZKŁAD BOLZMANNA)

Wyprowadzając podstawowe równanie MCT gazów i rozkład Maxwella założono, że na cząsteczki gazu nie działają siły zewnętrzne, co oznacza, że ​​cząsteczki są równomiernie rozmieszczone w całej objętości. Jednakże cząsteczki dowolnego gazu zawsze znajdują się w potencjalnym polu grawitacji Ziemi. Grawitacja z jednej strony i termiczny ruch cząsteczek z drugiej prowadzą do pewnego stanu stacjonarnego, w którym ciśnienie gazu maleje wraz ze wzrostem wysokości.

Uzyskajmy prawo zmiany ciśnienia wraz z wysokością, zakładając, że na całej wysokości: pole grawitacyjne jest równomierne (g = const); temperatura jest taka sama (T = const); Masy wszystkich cząsteczek są takie same.

Niech ciśnienie będzie na wysokości h. Następnie na wysokości h + dh ciśnienie wynosi p + dp. Ponadto, jeśli dh > 0, to dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Teraz Lub .

Zintegrujmy prawą i lewą stronę:

; .

Gdzie, . (26)

Jest to tak zwany wzór barometryczny. Pozwala określić ciśnienie atmosferyczne w funkcji wysokości:

. (27)

Ponieważ ciśnienie jest wprost proporcjonalne do stężenia cząsteczek, wówczas możemy otrzymać prawo zmiany stężenia cząsteczek wraz z wysokością, pod warunkiem, że temperatura nie zmienia się wraz z wysokością (T = const):

. (28)

Biorąc pod uwagę, że М = m∙N A i R = k∙N A z (27) otrzymujemy:

Ponieważ mgh = U(h) jest zatem energią potencjalną jednej cząsteczki na wysokości h

(30)

– rozkład Boltzmanna.

LICZBA KOLIZJI I ŚREDNIA DŁUGOŚĆ WOLNA CZĄSTECZEK GAZU DOSKONAŁEGO.

Cząsteczki gazu nieustannie zderzają się ze sobą w wyniku chaotycznego ruchu. Pomiędzy dwoma kolejnymi zderzeniami cząsteczka pokonuje pewną odległość λ, nazywaną średnią drogą swobodną . Ogólnie długość tej ścieżki jest inna, ale od liczba kolizji jest bardzo duża, a ruch jest losowy, wówczas przy stałych warunkach zewnętrznych możemy mówić o średniej drodze swobodnej – . Jeżeli cząsteczki danego gazu ulegają średnio zderzeniom na sekundę, to wtedy

gdzie jest średnią arytmetyczną prędkości cząsteczek.

Cząsteczki gazu doskonałego traktujemy jako kule. Jest oczywiste, że do zderzenia dojdzie, jeśli dwie cząsteczki zbliżą się na odległość równą dwóm promieniom, czyli średnicy cząsteczek d. Minimalna odległość, na jaką środki dwóch cząsteczek zbliżają się do siebie podczas zderzenia, nazywana jest efektywną średnicą cząsteczek. Parametr ten zależy od , a co za tym idzie od temperatury gazu.

Aby to zdefiniować, wyobraźmy sobie cząsteczkę o efektywnej średnicy d, która porusza się z prędkością wśród innych cząsteczek, które jednocześnie pozostają w bezruchu. Cząsteczka ta zderzy się ze wszystkimi cząsteczkami, których środki leżą wewnątrz „pękniętego” cylindra o promieniu d. Oznacza to, że jest ona równa liczbie cząsteczek w objętości tego cylindra

gdzie n to stężenie cząsteczek, a V to objętość cylindra: . Biorąc to pod uwagę -

. (32)

Uwzględnienie ruchu innych cząsteczek zwiększa liczbę zderzeń o współczynnik. Ostatecznie dla z otrzymujemy:

. (33)

Następnie (34)

Ponieważ p ~ n, wówczas dla różnych warunków zewnętrznych mamy:

Dla powietrza pod nr. (p = 760 mm Hg; t 0 = 0 0 C): z = 10 9 s -1, a = 5∙10 -8 m.

ZJAWISKA TRANSFEROWE

W układach nierównowagowych termodynamicznie, tj. w układach, dla których wartości makroparametrów (T, p, ) w różnych punktach są różne, powstają procesy nieodwracalne, tzw. zjawiska transferu . W wyniku takich procesów energia (zjawisko przewodności cieplnej), masa (zjawisko dyfuzji), pęd (tarcie wewnętrzne), ładunek itp. przenoszone są z jednego lokalnego obszaru układu do drugiego. Prowadzi to do wyrównania wartości makroparametrów w całej objętości układu. Oczywiste jest, że przeniesienie dowolnej ilości tłumaczy się przejściem z miejsca na miejsce określonej liczby cząstek (cząsteczek i atomów) w wyniku ich chaotycznego ruchu.

Otrzymujemy ogólne równanie transportu wzdłuż dowolnego kierunku. Skierujmy wzdłuż niego oś O X(Rysunek 3). Wybierzmy w myślach element płaszczyzny o polu ∆S, prostopadłym do O X. Ze względu na chaotyczny charakter ruchu w czasie ∆t do ∆S w kierunku O X N cząstek poruszy się:

(1)

Tutaj n jest stężeniem cząsteczek (atomów) i jest ich średnią arytmetyczną prędkością. Przechodząc przez ∆S, każda cząsteczka przenosi swoją wrodzoną masę, ładunek, pęd, energię lub inne cechy. Oznaczmy wartość ilości przenoszonej przez jedną cząsteczkę literą φ. Następnie w czasie ∆t przez obszar ∆S w kierunku osi O X ilość wielkości fizycznej zostanie przeniesiona

(2).

Oczywiście, jeśli stężenie po prawej stronie również wynosi n, wówczas ta sama liczba cząstek będzie przemieszczać się od prawej do lewej. Te. wynikowy transfer w tym przypadku wynosi zero: ΔN = 0 i ΔNφ = 0.

Jeśli podłoże jest heterogeniczne, tj. albo stężenie cząstek, albo wartości φ dla cząstek po lewej i prawej stronie nie są takie same, wówczas bardziej prawdopodobne będą przejścia z obszarów, w których wartość (nφ) jest większa, do obszarów, w których jest ona mniejsza. Jeżeli przyjmiemy, że (nφ) 1 > (nφ) 2, to wynikowy transfer wartości φ będzie określony zależnością: . (3)

Znak minus (3) oznacza, że ​​wartość (nφ) maleje w kierunku przenoszenia.

Przekonajmy się, w jakiej odległości od ∆S w lewo i w prawo powinniśmy przyjmować wartości (nφ). Ponieważ zmiany właściwości fizycznych cząsteczek zachodzą tylko podczas zderzeń, a przed zderzeniem każda z cząsteczek przebyła odległość równą średniej drodze swobodnej, wówczas możemy założyć, że cząsteczki (nφ) pozostają niezmienione w odległości równej drodze swobodnej na lewo i prawo od ∆S. Podziel i pomnóż prawą stronę (3) przez 2:

Rozkład wielkości w dowolnym kierunku jest określony przez cechę zwaną gradientem. Gradient to zmiana wartości na dystansie równym jednostkowej długości.

W tym przypadku w punkcie o współrzędnych X 2 wartość przekazywanej wielkości wynosi (nφ) 2 i w punkcie X 1 – (nφ) 1, to pod gradientem wartości nφ przenoszonej wzdłuż osi O X, należy rozumieć zależność:

.

Następnie gradient nφ w obszarze ∆S.

. (5)

(5) – ogólne równanie transportu.

Dyfuzja to przenoszenie masy materii . Zakładając, że masy cząsteczek są takie same (m 0 = const), temperatura gazu objętościowo jest taka sama (T = const) i rozkład prędkości jest równomierny w całej objętości (= const), zastępując masę cząsteczkę w (5) zamiast φ otrzymujemy:

Lub . (6)

To jest prawo Ficka. D = – współczynnik dyfuzji. [D] = m 2 /s.

Przewodnictwo cieplne to przenoszenie energii . Pod warunkiem, że w całej objętości gazu stężenie cząsteczek (n = const), masy cząsteczek są takie same (m 0 = const), rozkład prędkości w całej objętości jest równomierny (= const), a średnia kinetyczna energia ruchu translacyjnego jednej cząsteczki wynosi , otrzymujemy prawo Fouriera:

, Lub . (7)

- współczynnik przewodności cieplnej. [χ] = W/(m·K) = kg·m/(s 3 K).

Lepkość to przenoszenie pędu pomiędzy równoległymi warstwami, które poruszają się w sposób uporządkowany z dużą prędkością ty 1 I ty 2. Pod warunkiem, że w całej objętości gazu stężenie cząsteczek wynosi n = const, masy cząsteczek są takie same (m 0 = const), rozkład prędkości w całej objętości jest równomierny (= const), a moduł sprężystości pęd jednej cząsteczki związany z prędkością uporządkowanego ruchu warstw φ = p = m 0 u, dla impulsu siły oddziaływania warstw mamy:

Lub . ()

Jest to równanie Newtona, które określa wielkość siły tarcia wewnętrznego (lepkości). – poprzeczny gradient prędkości, charakteryzujący szybkość zmiany prędkości w kierunku X prostopadle do ruchu warstw trących. η – współczynnik lepkości dynamicznej . [η] = Pa·s.

SIŁY MOLEKULARNE

Siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami, czyli, jak się je nazywa, siły Van der Waalsa, mają charakter elektryczny. Są to siły Coulomba interakcji między naładowanymi cząstkami tworzącymi atomy i cząsteczki. Pojawiają się w odległościach porównywalnych z rozmiarami samych cząsteczek i bardzo szybko maleją wraz ze wzrostem odległości. W tym przypadku siły przyciągające (oddziaływanie różnych ładunków) i siły odpychające (oddziaływanie podobnych ładunków) działają jednocześnie. Ponieważ Ponieważ rzeczywiste cząstki nie są punktowe, wielkość tych sił zależy od odległości między nimi na różne sposoby.

Istnieją trzy rodzaje sił van der Waalsa:

A) orientacja – działają pomiędzy cząsteczkami polarnymi:

,

gdzie p to elektryczny moment dipolowy cząstek, r to odległość między nimi, k to stała Boltzmanna, T to temperatura termodynamiczna.

B) wprowadzenie – opisać oddziaływanie cząsteczek, polaryzację

ładunki, w których powstają pod wpływem pól elektrycznych sąsiadujących cząstek:

.

Tutaj: p ind = ε 0 αE – uzyskany elektryczny moment dipolowy cząstek; α jest polaryzowalnością cząsteczek.

V) dyspersyjny – określić oddziaływanie cząsteczek, którego asymetryczny rozkład ładunków zachodzi losowo podczas ruchu elektronów po orbitach, co prowadzi do powstania chwilowych dipoli:

.

Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie trzy rodzaje sił mogą działać jednocześnie:

F m = Fo + F i + F re.

Rozważmy zależność sił oddziaływania międzycząsteczkowego od odległości. Siły przyciągające F in uważa się za ujemne, a siły odpychające F za dodatnie. Suma tych sił daje wynik – F res = f(r). W pewnej odległości r 0 pomiędzy cząsteczkami |F pr | = |F z | i wynikająca z tego siła F = F w + F z = 0. Jeśli r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0, wówczas dominują siły atrakcyjne. Jednakże w odległości r > 10 -9 m siły van der Waalsa szybko dążą do zera.

Układ oddziałujących cząsteczek charakteryzuje się pewną rezerwą energii potencjalnej, która w złożony sposób zależy od r, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0;

r > r 0 i r → r 0 – E p → E p min , E p< 0 ;

r = r 0 – mi p = mi p min , mi p< 0;

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

Najniższa energia potencjalna oddziaływania nazywana jest energią wiązania cząsteczek. Jest równa pracy, jaką należy wykonać przeciwko siłom przyciągania, aby oddzielić cząsteczki znajdujące się w równowadze.

Stosunek minimalnej energii potencjalnej (E p min) do wartości dwukrotności średniej energii ruchu cieplnego na jeden stopień swobody jest kryterium stanu skupienia substancji. Jeśli:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – ciecz;

c) E p min >> kT – ciało stałe.

Zatem każda substancja, w zależności od temperatury, może znajdować się w stanie agregatu gazowego, ciekłego lub stałego.

CECHY STRUKTURY GAZÓW, CIECZY I STAŁYCH

R.N. Grabowski. Kurs fizyki. 1980, s. 168-174.

PRAWDZIWE GAZY

Równania teorii kinetyki molekularnej dość dobrze opisują zachowanie rzeczywistych gazów w wystarczająco wysokich temperaturach i niskich ciśnieniach. Jest to zrozumiałe, ponieważ taki stan gazu rzeczywistego jest najbliższy modelowi gazu doskonałego, na podstawie którego uzyskano wszystkie wnioski MCT. Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia i spadkiem temperatury średnia odległość między cząsteczkami maleje, a siły oddziaływania molekularnego rosną. Na przykład pod nr. objętość cząsteczek wynosi 1/10 000 objętości zajmowanej przez gaz, a przy ciśnieniu 500 atm (500 MPa) będzie już stanowić połowę całkowitej objętości gazu. Jest całkiem oczywiste, że w tych warunkach prawa MKT przestają działać, na przykład PV ¹ const przy T = const.

Zatem zadaniem jest otrzymanie równania stanu gazu rzeczywistego, które uwzględniałoby objętość cząsteczek i ich wzajemne oddziaływanie.

©2015-2019 strona
Wszelkie prawa należą do ich autorów. Ta witryna nie rości sobie praw do autorstwa, ale zapewnia bezpłatne korzystanie.
Data utworzenia strony: 2016-02-13

Budowa gazów, cieczy i ciał stałych. Cechy struktury rozwiązań. Pojęcie „pola reaktywnego”
Teoria budowy cieczy: porównanie ze strukturą gazów i ciał stałych. Struktura (struktura) cieczy. Struktura cieczy jest obecnie przedmiotem dokładnych badań fizykochemików. Do badań w tym kierunku stosuje się najnowocześniejsze metody, w tym spektralne (IR, NMR, rozpraszanie światła o różnych długościach fal), rozpraszanie promieni rentgenowskich, metody mechaniki kwantowej i obliczeń statystycznych itp. Teoria cieczy jest znacznie mniej rozwinięta niż teoria gazów, ponieważ właściwości cieczy zależą od geometrii i polarności wzajemnie blisko położonych cząsteczek. Dodatkowo brak określonej budowy cieczy utrudnia ich sformalizowany opis – w większości podręczników cieczom poświęca się znacznie mniej miejsca niż gazom i ciałom krystalicznym. Jakie są cechy każdego z trzech skupionych stanów materii: stałego, ciekłego i gazowego. (tabela)
1) Solidny: korpus zachowuje objętość i kształt
2) Ciecze zachowują objętość, ale łatwo zmieniają kształt.
3) Gaz nie ma kształtu ani objętości.

Te stany tej samej substancji różnią się nie rodzajem cząsteczek (jest taka sama), ale sposobem, w jaki cząsteczki są umiejscowione i poruszają się.
1) W gazach odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż wielkość samych cząsteczek
2) Cząsteczki cieczy nie rozpraszają się na duże odległości, a ciecz w normalnych warunkach zachowuje swoją objętość.
3) Cząstki ciał stałych są ułożone w określonej kolejności. Każda cząstka porusza się wokół pewnego punktu sieci krystalicznej, niczym wahadło zegara, to znaczy oscyluje.
Gdy temperatura spada, ciecze zestalają się, a gdy wzrosną powyżej temperatury wrzenia, zmieniają się w stan gazowy. Już sam ten fakt wskazuje, że ciecze zajmują pozycję pośrednią pomiędzy gazami i ciałami stałymi, różniąc się od obu. Jednak ciecz ma podobieństwa do każdego z tych stanów.
Istnieje temperatura, w której granica między gazem i cieczą całkowicie zanika. Jest to tak zwany punkt krytyczny. Dla każdego gazu istnieje znana temperatura, powyżej której nie może on przejść w stan ciekły pod żadnym ciśnieniem; w tej temperaturze krytycznej zanika granica (menisk) pomiędzy cieczą a jej nasyconą parą. Istnienie temperatury krytycznej („absolutnej temperatury wrzenia”) ustalił D.I. Mendelejew w 1860 r. Drugą właściwością łączącą ciecze i gazy jest izotropia. Oznacza to, że na pierwszy rzut oka można założyć, że cieczom bliżej jest do gazów niż do kryształów. Podobnie jak gazy, ciecze są izotropowe, tj. ich właściwości są takie same we wszystkich kierunkach. Przeciwnie, kryształy są anizotropowe: współczynnik załamania światła, ściśliwość, wytrzymałość i wiele innych właściwości kryształów w różnych kierunkach okazują się różne. Stałe substancje krystaliczne mają uporządkowaną strukturę z powtarzającymi się pierwiastkami, co pozwala na badanie ich metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich (metoda dyfrakcji promieni rentgenowskich stosowana od 1912 r.).

Co mają wspólnego ciecze i gazy?
A) Izotropia. Właściwości cieczy, podobnie jak gazów, są takie same we wszystkich kierunkach, tj. są izotropowe, w przeciwieństwie do kryształów, które są anizotropowe.
B) Ciecze, podobnie jak gazy, nie mają określonego kształtu i przyjmują kształt pojemnika (niska lepkość i duża płynność).
Cząsteczki zarówno cieczy, jak i gazów poruszają się dość swobodnie, zderzając się ze sobą. Wcześniej uważano, że w obrębie objętości zajmowanej przez ciecz za równie prawdopodobną uważano każdą odległość przekraczającą sumę ich promieni, tj. zaprzeczono tendencji do uporządkowanego układu cząsteczek. Zatem ciecze i gazy były w pewnym stopniu przeciwieństwem kryształów.
W miarę postępu badań coraz więcej faktów wskazywało na istnienie podobieństw pomiędzy budową cieczy i ciał stałych. Na przykład wartości pojemności cieplnych i współczynników ściśliwości, zwłaszcza w pobliżu temperatury topnienia, praktycznie pokrywają się, podczas gdy wartości te dla cieczy i gazu znacznie się różnią.
Już na tym przykładzie można stwierdzić, że obraz ruchu termicznego w cieczach w temperaturze zbliżonej do temperatury krzepnięcia przypomina ruch termiczny w ciałach stałych, a nie w gazach. Oprócz tego można zauważyć tak znaczące różnice między gazowym i ciekłym stanem materii. W gazach cząsteczki są rozmieszczone w przestrzeni całkowicie chaotycznie, tj. ta ostatnia jest uważana za przykład edukacji bez struktury. Ciecz nadal ma określoną strukturę. Zostało to potwierdzone eksperymentalnie przez dyfrakcję promieni rentgenowskich, która pokazuje co najmniej jedno wyraźne maksimum. Struktura cieczy to sposób, w jaki jej cząsteczki są rozmieszczone w przestrzeni. Tabela ilustruje podobieństwa i różnice między stanami gazowymi i ciekłymi.
Faza gazowa Faza ciekła
1. Odległość między cząsteczkami l jest zwykle (dla niskich ciśnień) znacznie większa niż promień cząsteczki r: l  r ; Prawie cała objętość V zajmowana przez gaz to objętość swobodna. Natomiast w fazie ciekłej l 2. Średnia energia kinetyczna cząstek, równa 3/2kT, jest większa od energii potencjalnej U ich oddziaływań międzycząsteczkowych. Energia potencjalna oddziaływania cząsteczek jest większa od średniej kinetycznej energia ich ruchu: U3/2 kT
3. Cząstki zderzają się podczas ruchu translacyjnego, współczynnik częstotliwości zderzeń zależy od masy cząstek, ich wielkości i temperatury. Każda cząstka podlega ruchowi oscylacyjnemu w klatce utworzonej przez otaczające ją cząsteczki. Amplituda drgań a zależy od wolnej objętości a  (Vf/L)1/3
4. Dyfuzja cząstek następuje w wyniku ich ruchu translacyjnego, współczynnik dyfuzji D  0,1 - 1 cm2/s (p  105 Pa) i zależy od ciśnienia gazu
(D  p-1) Dyfuzja zachodzi w wyniku przeskakiwania cząstki z jednej komórki do drugiej z energią aktywacji ED,
D  e-ED/RT w nielepkich cieczach
D  0,3 - 3 cm2/dzień.
5. Cząstka wiruje swobodnie, częstotliwość rotacji r wyznaczają jedynie momenty bezwładności cząstki i temperatura, częstotliwość rotacji r T1/2 Rotację hamują ścianki ogniwa, rotacja cząstce towarzyszy pokonanie bariery potencjału Er, która zależy od sił oddziaływania międzycząsteczkowego, vr  e- Er/RT
Jednakże stan ciekły jest zbliżony do stanu stałego w wielu ważnych wskaźnikach (kwazikrystaliczność). Nagromadzenie faktów doświadczalnych wykazało, że ciecze i kryształy mają ze sobą wiele wspólnego. Badania fizykochemiczne poszczególnych cieczy wykazały, że prawie wszystkie z nich posiadają elementy struktury krystalicznej.
Po pierwsze, odległości międzycząsteczkowe w cieczy są zbliżone do odległości w ciele stałym. Dowodzi tego fakt, że gdy ten ostatni się topi, objętość substancji zmienia się nieznacznie (zwykle zwiększa się o nie więcej niż 10%). Po drugie, energia oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczy i w ciele stałym różni się nieznacznie. Wynika to z faktu, że ciepło topnienia jest znacznie mniejsze niż ciepło parowania. Przykładowo dla wody Hpl = 6 kJ/mol i Hsp = 45 kJ/mol; dla benzenu Hpl = 11 kJ/mol i Hsp = 48 kJ/mol.
Po trzecie, pojemność cieplna substancji zmienia się bardzo mało podczas topienia, tj. jest już blisko dla obu tych stanów. Wynika z tego, że charakter ruchu cząstek w cieczy jest zbliżony do ruchu cząstek w ciele stałym. Po czwarte, ciecz, podobnie jak ciało stałe, może wytrzymać duże siły rozciągające bez pękania.
Różnica między cieczą a ciałem stałym polega na płynności: ciało stałe zachowuje swój kształt, ciecz łatwo go zmienia nawet pod wpływem niewielkiej siły. Właściwości te wynikają z takich cech strukturalnych cieczy, jak silne oddziaływanie międzycząsteczkowe, porządek krótkiego zasięgu w ułożeniu cząsteczek oraz zdolność cząsteczek do stosunkowo szybkiej zmiany swojego położenia. Kiedy ciecz jest podgrzewana od temperatury zamarzania do temperatury wrzenia, jej właściwości stopniowo zmieniają się wraz z ogrzewaniem, stopniowo wzrasta jej podobieństwo do gazu;
Każdy z nas z łatwością potrafi sobie przypomnieć wiele substancji, które uważa za ciecze. Jednak podanie dokładnej definicji tego stanu materii nie jest takie proste, gdyż ciecze mają takie właściwości fizyczne, że pod pewnymi względami przypominają ciała stałe, a pod innymi przypominają gazy. Podobieństwa między cieczami i ciałami stałymi są najbardziej widoczne w materiałach szklistych. Ich przejście ze stanu stałego w ciekły wraz ze wzrostem temperatury następuje stopniowo, a nie jako wyraźna temperatura topnienia, po prostu stają się bardziej miękkie, dlatego nie da się wskazać, w jakim zakresie temperatur należy je nazywać ciałami stałymi, a w jakim cieczami. Możemy tylko powiedzieć, że lepkość substancji szklistej w stanie ciekłym jest mniejsza niż w stanie stałym. Dlatego szkła stałe nazywane są często cieczami przechłodzonymi. Podobno najbardziej charakterystyczną cechą cieczy, która odróżnia je od ciał stałych, jest niska lepkość, czyli tzw. wysokie obroty. Dzięki temu przyjmują kształt naczynia, do którego się je wlewa. Na poziomie molekularnym wysoka płynność oznacza stosunkowo większą swobodę cząstek płynu. Pod tym względem ciecze przypominają gazy, chociaż siły oddziaływania międzycząsteczkowego pomiędzy cieczami są większe, cząsteczki są położone bliżej siebie i mają bardziej ograniczony ruch.
Można do tego podejść różnie – z punktu widzenia idei porządku dalekiego i krótkiego zasięgu. Porządek dalekiego zasięgu istnieje w ciałach krystalicznych, których atomy są ułożone w ściśle uporządkowany sposób, tworząc trójwymiarowe struktury, które można otrzymać poprzez wielokrotne powtarzanie komórki elementarnej. W płynach i szkle nie ma porządku dalekiego zasięgu. Nie oznacza to jednak, że w ogóle nie są one zamawiane. Liczba najbliższych sąsiadów dla wszystkich atomów jest prawie taka sama, ale układ atomów w miarę oddalania się od wybranej pozycji staje się coraz bardziej chaotyczny. Zatem porządek istnieje tylko na krótkich dystansach, stąd nazwa: porządek krótkiego zasięgu. Odpowiedni matematyczny opis budowy cieczy można podać jedynie za pomocą fizyki statystycznej. Przykładowo, jeśli ciecz składa się z identycznych cząsteczek kulistych, to jej strukturę można opisać funkcją rozkładu radialnego g(r), która podaje prawdopodobieństwo wykrycia dowolnej cząsteczki w odległości r od danej wybranej jako punkt odniesienia. Funkcję tę można znaleźć eksperymentalnie, badając dyfrakcję promieni rentgenowskich lub neutronów, a wraz z pojawieniem się szybkich komputerów zaczęto ją obliczać metodą symulacji komputerowej, w oparciu o istniejące dane dotyczące natury sił działających między cząsteczkami, lub na założeniach dotyczących tych sił, a także na prawach mechaniki Newtona. Porównując funkcje rozkładu radialnego otrzymane teoretycznie i eksperymentalnie, można zweryfikować poprawność założeń o naturze sił międzycząsteczkowych.
W substancjach organicznych, których cząsteczki mają wydłużony kształt, w tym czy innym zakresie temperatur, czasami spotyka się obszary fazy ciekłej o dalekosiężnym uporządkowaniu orientacyjnym, co objawia się tendencją do równoległego ułożenia długich osi substancji Cząsteczki. W tym przypadku uporządkowaniu orientacyjnemu może towarzyszyć uporządkowanie koordynacyjne centrów cząsteczek. Fazy ​​ciekłe tego typu nazywane są zwykle ciekłymi kryształami. Stan ciekłokrystaliczny jest pośredni pomiędzy stanem krystalicznym a ciekłym. Ciekłe kryształy charakteryzują się zarówno płynnością, jak i anizotropią (optyczną, elektryczną, magnetyczną). Czasami stan ten nazywany jest mezomorficznym (mezofazą) - ze względu na brak porządku dalekiego zasięgu. Górną granicą istnienia jest temperatura klarowania (ciecz izotropowa). Termotropowe (mezogeniczne) FA istnieją powyżej pewnej temperatury. Typowe to cyjanobifenyle. Liotropowy - po rozpuszczeniu np. wodnych roztworach mydeł, polipeptydów, lipidów, DNA. Badanie ciekłych kryształów (mezofaza – topienie w dwóch etapach – mętny stop, następnie przezroczysty, przejście z fazy krystalicznej do cieczy poprzez formę pośrednią o anizotropowych właściwościach optycznych) jest istotne dla celów technologicznych – wyświetlaczy ciekłokrystalicznych.
Cząsteczki w gazie poruszają się chaotycznie (losowo). W gazach odległość między atomami lub cząsteczkami jest średnio wielokrotnie większa niż wielkość samych cząsteczek. Cząsteczki w gazie poruszają się z dużymi prędkościami (setki m/s). Kiedy się zderzają, odbijają się od siebie jak absolutnie sprężyste kulki, zmieniając wielkość i kierunek prędkości. Przy dużych odległościach między cząsteczkami siły przyciągania są małe i nie są w stanie utrzymać cząsteczek gazu blisko siebie. Dlatego gazy mogą rozszerzać się bez ograniczeń. Gazy łatwo ulegają kompresji, średnia odległość między cząsteczkami maleje, ale nadal pozostaje większa niż ich rozmiar. Gazy nie zachowują kształtu ani objętości; ich objętość i kształt pokrywają się z objętością i kształtem naczynia, które wypełniają. Liczne uderzenia cząsteczek w ścianki naczynia powodują powstanie ciśnienia gazu.
Atomy i cząsteczki ciał stałych wibrują wokół pewnych położeń równowagi. Dlatego ciała stałe zachowują zarówno objętość, jak i kształt. Jeśli połączysz mentalnie środki pozycji równowagi atomów lub jonów ciała stałego, otrzymasz sieć krystaliczną.
Cząsteczki cieczy znajdują się prawie blisko siebie. Dlatego ciecze bardzo trudno jest skompresować i zachować swoją objętość. Cząsteczki cieczy wibrują wokół położenia równowagi. Od czasu do czasu cząsteczka przechodzi z jednego stanu stacjonarnego do drugiego, zwykle w kierunku działania siły zewnętrznej. Czas ustalenia stanu cząsteczki jest krótki i zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, a czas przejścia cząsteczki do nowego stanu ustalonego jest jeszcze krótszy. Dlatego płyny są płynne, nie zachowują swojego kształtu i przyjmują kształt naczynia, do którego są wlewane.

Kinetyczna teoria cieczy Opracowana przez Ya. I. Frenkla, kinetyczna teoria cieczy uważa ciecz za dynamiczny układ cząstek, częściowo przypominający stan krystaliczny. W temperaturach bliskich temperatury topnienia ruch termiczny w cieczy sprowadza się głównie do drgań harmonicznych cząstek wokół pewnych średnich położeń równowagi. W przeciwieństwie do stanu krystalicznego, te położenia równowagi cząsteczek w cieczy mają charakter tymczasowy dla każdej cząsteczki. Po oscylowaniu wokół jednej pozycji równowagi przez pewien czas t, cząsteczka przeskakuje do nowej, położonej w pobliżu pozycji. Skok taki następuje przy wydatku energii U, zatem czas „trwałości ustalonej” t zależy od temperatury następująco: t = t0 eU/RT, gdzie t0 jest okresem jednego oscylacji wokół położenia równowagi. Dla wody o temperaturze pokojowej t » 10-10c, t0 = 1,4 x 10-12c, czyli jedna cząsteczka po wykonaniu około 100 wibracji przeskakuje do nowej pozycji, gdzie nadal wibruje. Na podstawie danych dotyczących rozpraszania promieni rentgenowskich i neutronów można obliczyć funkcję gęstości rozkładu cząstek  w zależności od odległości r od jednej cząstki wybranej jako środek. W obecności porządku dalekiego zasięgu w ciele krystalicznym funkcja (r) ma wiele wyraźnych maksimów i minimów. W cieczy, ze względu na dużą ruchliwość cząstek, zachowany jest jedynie porządek krótkiego zasięgu. Wynika to wyraźnie z dyfraktogramów rentgenowskich cieczy: funkcja (r) dla cieczy ma wyraźne pierwsze maksimum, drugie rozmyte, a następnie (r) = const. Teoria kinetyczna opisuje topienie w następujący sposób. W sieci krystalicznej ciała stałego zawsze znajdują się niewielkie ilości wolnych miejsc (dziur), które powoli wędrują po krysztale. Im temperatura jest bliższa temperaturze topnienia, tym większe jest stężenie „dziur” i tym szybciej poruszają się one w próbce. W temperaturze topnienia proces powstawania „dziur” nabiera lawinowego charakteru kooperacyjnego, układ cząstek staje się dynamiczny, zanika porządek dalekiego zasięgu i pojawia się płynność. Decydującą rolę w topieniu odgrywa tworzenie się wolnej objętości w cieczy, co powoduje, że układ jest płynny. Najważniejsza różnica pomiędzy cieczą a ciałem stałym krystalicznym polega na tym, że w cieczy występuje swobodna objętość, której znaczna część ma postać fluktuacji („dziur”), których wędrówka przez ciecz nadaje jej taki cecha charakterystyczna, taka jak płynność. Liczba takich „dziur”, ich objętość i ruchliwość zależą od temperatury. W niskich temperaturach ciecz, jeśli nie zamieniła się w ciało krystaliczne, staje się amorficznym ciałem stałym o bardzo małej płynności na skutek zmniejszenia objętości i ruchliwości „dziur”. Wraz z teorią kinetyczną, w ostatnich dziesięcioleciach z sukcesem rozwija się statystyczna teoria cieczy.

Struktura lodu i wody. Najważniejszą i najczęstszą cieczą w normalnych warunkach jest woda. To najpowszechniejsza cząsteczka na Ziemi! Jest doskonałym rozpuszczalnikiem. Na przykład wszystkie płyny biologiczne zawierają wodę. Woda rozpuszcza wiele substancji nieorganicznych (sole, kwasy, zasady) i organicznych (alkohole, cukry, kwasy karboksylowe, aminy). Jaka jest struktura tej cieczy? Znowu będziemy musieli wrócić do zagadnienia, które rozważaliśmy w pierwszym wykładzie, a mianowicie do tak specyficznego oddziaływania międzycząsteczkowego, jak wiązanie wodorowe. Woda, zarówno w postaci ciekłej, jak i krystalicznej, wykazuje anomalne właściwości właśnie ze względu na obecność wielu wiązań wodorowych. Jakie są te anomalne właściwości: wysoka temperatura wrzenia, wysoka temperatura topnienia i wysoka entalpia parowania. Spójrzmy najpierw na wykres, potem na tabelę, a następnie na schemat wiązania wodorowego pomiędzy dwiema cząsteczkami wody. W rzeczywistości każda cząsteczka wody koordynuje wokół siebie 4 inne cząsteczki wody: dwie dzięki tlenowi, jako donor dwóch samotnych par elektronów dla dwóch protonowanych wodorów, i dwie dzięki protonowanym wodorom, skoordynowanym z tlenami innych cząsteczek wody. W poprzednim wykładzie pokazałem Państwu slajd z wykresami temperatury topnienia, wrzenia i entalpii parowania wodorków grupy VI w zależności od okresu. Zależności te mają wyraźną anomalię dla wodorku tlenu. Wszystkie te parametry dla wody są zauważalnie wyższe od przewidywanych z niemal liniowej zależności dla kolejnych wodorków siarki, selenu i telluru. Wyjaśniliśmy to istnieniem wiązania wodorowego pomiędzy protonowanym wodorem a akceptorem gęstości elektronów – tlenem. Wiązania wodorowe najskuteczniej bada się za pomocą wibracyjnej spektroskopii w podczerwieni. Wolna grupa OH ma charakterystyczną energię wibracyjną, która powoduje, że wiązanie OH na przemian wydłuża się i skraca, tworząc charakterystyczne pasmo w widmie absorpcji w podczerwieni cząsteczki. Jeśli jednak w wiązaniu wodorowym bierze udział grupa OH, atom wodoru zostaje związany przez atomy po obu stronach, przez co jego drgania zostają „wytłumione”, a częstotliwość maleje. Poniższa tabela pokazuje, że zwiększenie siły i „stężenia” wiązania wodorowego prowadzi do zmniejszenia częstotliwości absorpcji. Na powyższym rysunku krzywa 1 odpowiada maksimum widma absorpcji w podczerwieni grup OH w lodzie (gdzie wszystkie wiązania H są połączone); krzywa 2 odpowiada maksimum widma absorpcji w podczerwieni grup O-H poszczególnych cząsteczek H2O rozpuszczonych w CCl4 (w przypadku braku wiązań H – roztwór H2O w CCl4 jest zbyt rozcieńczony); a krzywa 3 odpowiada widmu absorpcji wody w stanie ciekłym. Gdyby w ciekłej wodzie istniały dwa rodzaje grup O-H – te, które tworzą wiązania wodorowe i te, które tego nie robią – i niektóre grupy O-H w wodzie wibrowałyby w ten sam sposób (z tą samą częstotliwością) jak w lodzie (gdzie tworzą H- wiązania) i inne – jak w środowisku CCl4 (gdzie nie tworzą wiązań wodorowych). Wtedy widmo wody miałoby dwa maksima, odpowiadające dwóm stanom grup O-H, ich dwóm charakterystycznym częstotliwościom drgań: z częstotliwością, z jaką grupa wibruje, pochłania ona światło. Ale obraz „dwóch maksymalnych” nie jest przestrzegany! Zamiast tego na krzywej 3 widzimy jedno, bardzo rozmyte maksimum, rozciągające się od maksimum na krzywej 1 do maksimum na krzywej 2. Oznacza to, że wszystkie grupy O-H w ciekłej wodzie tworzą wiązania wodorowe – ale wszystkie te wiązania mają inną energię, „ luźne” (mające różną energię) i na różne sposoby. Pokazuje to, że obraz, w którym część wiązań wodorowych w wodzie zostaje zerwana, a część zostaje zachowana, jest ściśle rzecz biorąc błędny. Jednak opisanie właściwości termodynamicznych wody jest tak proste i wygodne, że jest szeroko stosowane - i do tego również sięgniemy. Musimy jednak pamiętać, że nie jest to do końca dokładne.
Zatem spektroskopia IR jest skuteczną metodą badania wiązań wodorowych i wiele informacji na temat struktury cieczy i ciał stałych z nią związanych uzyskano za pomocą tej metody spektralnej. W rezultacie dla wody w stanie ciekłym jednym z najbardziej powszechnie akceptowanych jest model lodowy (model O.Ya. Samoilova). Według tego modelu woda w stanie ciekłym ma lodową strukturę czworościenną, zaburzoną przez ruch termiczny (dowody i konsekwencje ruchu termicznego - ruchy Browna, które po raz pierwszy zaobserwował angielski botanik Robert Brown w 1827 r. na pyłku pod mikroskopem) (każda woda cząsteczka w krysztale lodu jest połączona wiązaniami wodorowymi o zmniejszonej energii w porównaniu do lodu – „luźnymi” wiązaniami wodorowymi) z czterema otaczającymi ją cząsteczkami wody), puste przestrzenie tej ramy są częściowo wypełnione cząsteczkami wody, a cząsteczki wody zlokalizowane w pustkach i węzłach lodowej ramy są energetycznie nierówne.

W odróżnieniu od wody, w krysztale lodu, w węzłach sieci krystalicznej znajdują się cząsteczki wody o jednakowej energii, które mogą wykonywać jedynie ruchy wibracyjne. W takim krysztale panuje porządek zarówno krótkiego, jak i dalekiego zasięgu. W wodzie ciekłej (jak w cieczy polarnej) pewne elementy struktury krystalicznej są zachowane (a nawet w fazie gazowej cząsteczki cieczy uporządkowane są w małe, niestabilne skupienia), ale nie ma tu uporządkowania dalekiego zasięgu. Zatem struktura cieczy różni się od struktury gazu w przypadku porządku krótkiego zasięgu, ale różni się od struktury kryształu przy braku porządku dalekiego zasięgu. Najbardziej przekonująco pokazuje to badanie rozpraszania promieni rentgenowskich. Trzej sąsiedzi każdej cząsteczki w ciekłej wodzie znajdują się w jednej warstwie i znajdują się w większej odległości od niej (0,294 nm) niż czwarta cząsteczka z sąsiedniej warstwy (0,276 nm). Każda cząsteczka wody w strukturze przypominającej lód tworzy jedno wiązanie lustrzano-symetryczne (silne) i trzy wiązania centralnie symetryczne (mniej silne). Pierwsze odnosi się do wiązań pomiędzy cząsteczkami wody danej warstwy a warstwami sąsiednimi, pozostałe zaś do wiązań pomiędzy cząsteczkami wody tej samej warstwy. Dlatego jedna czwarta wszystkich połączeń jest lustrzanie symetryczna, a trzy czwarte jest centralnie symetryczna. Pomysły na temat czworościennego środowiska cząsteczek wody doprowadziły do ​​wniosku o dużej delikatności jego struktury i obecności w nim pustek, których wymiary są równe lub większe od wymiarów cząsteczek wody.

Elementy budowy wody w stanie ciekłym. a - elementarny czworościan wody (otwarte koła - atomy tlenu, czarne połówki - możliwe pozycje protonów na wiązaniu wodorowym); b - lustrzanie symetryczny układ czworościanów; c - układ centralnie symetryczny; d - lokalizacja centrów tlenowych w strukturze zwykłego lodu. Wodę charakteryzują znaczne siły oddziaływania międzycząsteczkowego dzięki wiązaniom wodorowym, które tworzą przestrzenną sieć. Jak powiedzieliśmy w poprzednim wykładzie, wiązanie wodorowe wynika ze zdolności atomu wodoru połączonego z pierwiastkiem elektroujemnym do tworzenia dodatkowego wiązania z atomem elektroujemnym innej cząsteczki. Wiązanie wodorowe jest stosunkowo mocne i wynosi kilka 20-30 kilodżuli na mol. Pod względem wytrzymałości zajmuje miejsce pośrednie pomiędzy energią van der Waalsa a energią typowego wiązania jonowego. W cząsteczce wody energia wiązania chemicznego H-O wynosi 456 kJ/mol, a energia wiązania wodorowego H…O wynosi 21 kJ/mol.

Związki wodoru
Masa cząsteczkowa Temperatura,  C
Zamrażanie Wrzenia
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Struktura lodu. Normalny lód. Linia przerywana - wiązania H. W ażurowej strukturze lodu widoczne są niewielkie wgłębienia otoczone cząsteczkami H2O.
Zatem struktura lodu jest ażurową strukturą cząsteczek wody połączonych ze sobą jedynie wiązaniami wodorowymi. Ułożenie cząsteczek wody w strukturze lodu determinuje obecność szerokich kanałów w strukturze. Gdy lód się topi, cząsteczki wody „wpadają” do tych kanałów, co wyjaśnia wzrost gęstości wody w porównaniu z gęstością lodu. Kryształy lodu występują w postaci regularnych sześciokątnych płytek, formacji tabelarycznych i przerostów o skomplikowanych kształtach. Struktura normalnego lodu jest określona przez wiązania wodorowe H: jest dobra dla geometrii tych wiązań (strony O-H bezpośrednio przy O), ale niezbyt dobra dla ścisłego kontaktu cząsteczek H2O Vandera Waalsa. Dlatego struktura lodu jest ażurowa; cząsteczki H2O otaczają mikroskopijne (mniejsze niż cząsteczka H2O) pory. Koronkowa struktura lodu prowadzi do dwóch dobrze znanych efektów: (1) lód jest mniej gęsty niż woda, pływa w nim; oraz (2) pod silnym naciskiem – np. ostrze łyżwy topi lód. Większość wiązań wodorowych występujących w lodzie jest również zachowywana w ciekłej wodzie. Wynika to z małego ciepła topnienia lodu (80 cal/g) w porównaniu z ciepłem wrzenia wody (600 cal/g w temperaturze 0°C). Można powiedzieć, że w wodzie w stanie ciekłym zrywanych jest tylko 80/(600+80) = 12% wiązań wodorowych występujących w lodzie. Jednak ten obraz – według którego niektóre wiązania wodorowe w wodzie są zrywane, a inne zostają zachowane – nie jest do końca dokładny: raczej wszystkie wiązania wodorowe w wodzie ulegają rozluźnieniu. Dobrze ilustrują to następujące dane eksperymentalne.

Struktura rozwiązań. Od konkretnych przykładów wody przejdźmy do innych cieczy. Różne ciecze różnią się między sobą wielkością cząsteczek i charakterem oddziaływań międzycząsteczkowych. Zatem w każdej konkretnej cieczy występuje pewna struktura pseudokrystaliczna, charakteryzująca się porządkiem krótkiego zasięgu i w pewnym stopniu przypominająca strukturę uzyskiwaną, gdy ciecz zamarza i zamienia się w ciało stałe. Gdy rozpuszcza się inna substancja, tj. Kiedy tworzy się roztwór, zmienia się charakter oddziaływań międzycząsteczkowych i pojawia się nowa struktura z innym układem cząstek niż w czystym rozpuszczalniku. Struktura ta zależy od składu roztworu i jest specyficzna dla każdego konkretnego rozwiązania. Powstawaniu roztworów ciekłych towarzyszy zwykle proces solwatacji, tj. ustawienie cząsteczek rozpuszczalnika wokół cząsteczek substancji rozpuszczonej w wyniku działania sił międzycząsteczkowych. Wyróżnia się solwatację krótkiego i dalekiego zasięgu, tj. Wokół cząsteczek (cząstek) rozpuszczonej substancji tworzą się pierwotne i wtórne powłoki solwatacyjne. W pierwotnej powłoce solwatacyjnej znajdują się blisko siebie cząsteczki rozpuszczalnika, które poruszają się razem z cząsteczkami substancji rozpuszczonej. Liczba cząsteczek rozpuszczalnika znajdujących się w pierwotnej powłoce solwatacyjnej nazywana jest liczbą koordynacyjną solwatacji, która zależy zarówno od charakteru rozpuszczalnika, jak i charakteru substancji rozpuszczonej. Wtórna powłoka solwatacyjna obejmuje cząsteczki rozpuszczalnika, które znajdują się w znacznie większych odległościach i wpływają na procesy zachodzące w roztworze w wyniku interakcji z pierwotną powłoką solwatacyjną.
Rozważając stabilność solwatów, rozróżnia się stabilność kinetyczną i termodynamiczną.
W roztworach wodnych ilościową charakterystyką hydratacji kinetycznej (O.Ya. Samoilov) są wartości i/ i Ei=Ei-E, gdzie i i  to średni czas przebywania cząsteczek wody w równowadze pozycji w pobliżu i-tego jonu i w czystej wodzie, a Ei i E to energia aktywacji wymiany i energia aktywacji procesu samodyfuzji w wodzie. Wielkości te powiązane są ze sobą przybliżoną zależnością:
i/  exp(Ei/RT) W tym przypadku
jeżeli EI  0, i/  1 (wymiana cząsteczek wody znajdujących się najbliżej jonu zachodzi rzadziej (wolniej) niż wymiana pomiędzy cząsteczkami w czystej wodzie) – hydratacja dodatnia
jeżeli EI  0, i/  1 (wymiana cząsteczek wody znajdujących się najbliżej jonu zachodzi częściej (szybciej) niż wymiana pomiędzy cząsteczkami w czystej wodzie) – hydratacja ujemna

Zatem dla jonu litu EI = 1,7 kJ/mol, a dla jonu cezu Ei= - 1,4 kJ/mol, tj. mały „twardy” jon litu zatrzymuje cząsteczki wody silniej niż duży i „rozproszony” jon cezu o tym samym ładunku. Stabilność termodynamiczna powstałych solwatów jest określona przez zmianę energii Gibbsa podczas solwatacji (solvG) = (solvH) - T(solvS). Im bardziej ujemna jest ta wartość, tym solwat jest trwalszy. Decydują o tym głównie ujemne wartości entalpii solwatacji.
Pojęcie rozwiązań i teorie rozwiązań. Prawdziwe roztwory uzyskuje się samoistnie, gdy zetkną się dwie lub więcej substancji, w wyniku zniszczenia wiązań między cząstkami jednego typu i utworzenia wiązań innego typu oraz rozmieszczenia substancji w całej objętości w wyniku dyfuzji. Roztwory ze względu na ich właściwości dzielimy na idealne i rzeczywiste, roztwory elektrolitów i nieelektrolitów, rozcieńczone i stężone, nienasycone, nasycone i przesycone. Właściwości rastrów zależą od charakteru i wielkości MFW. Oddziaływania te mogą mieć charakter fizyczny (siły van der Waalsa) i złożony charakter fizykochemiczny (wiązania wodorowe, kompleksy jonowo-molekularne, kompleksy przenoszenia ładunku itp.). Proces tworzenia roztworu charakteryzuje się jednoczesnym występowaniem sił przyciągających i odpychających pomiędzy oddziałującymi cząstkami. W przypadku braku sił odpychania cząstki łączyłyby się (sklejały), a ciecze mogłyby być ściskane w nieskończoność; w przypadku braku sił przyciągania nie można byłoby uzyskać cieczy ani ciał stałych. W poprzednim wykładzie przyglądaliśmy się fizycznej i chemicznej teorii roztworów.
Stworzenie jednolitej teorii rozwiązań napotyka jednak znaczne trudności i obecnie jej jeszcze nie stworzono, choć badania prowadzone są z wykorzystaniem najnowocześniejszych metod mechaniki kwantowej, termodynamiki statystycznej i fizyki, chemii kryształów, dyfrakcji promieni rentgenowskich analizy, metody optyczne i metody NMR. Pole reaktywne. Kontynuując rozważania na temat sił oddziaływań międzycząsteczkowych, rozważmy koncepcję „pola reaktywnego”, która jest ważna dla zrozumienia struktury i struktury materii skondensowanej i gazów rzeczywistych, w szczególności stanu ciekłego, a co za tym idzie całej chemii fizycznej roztworów płynnych.
Pole reaktywne występuje w mieszaninach cząsteczek polarnych i niepolarnych, np. w mieszaninach węglowodorów i kwasów naftenowych. Cząsteczki polarne wpływają na pole o określonej symetrii (o symetrii pola decyduje symetria wolnych orbitali molekularnych) i natężeniu H na cząsteczkach niepolarnych. Te ostatnie są spolaryzowane na skutek separacji ładunków, co prowadzi do pojawienia się (indukcji) dipola. Z kolei cząsteczka z indukowanym dipolem oddziałuje na cząsteczkę polarną, zmieniając jej pole elektromagnetyczne, tj. pobudza pole reaktywne (odpowiedziowe). Pojawienie się pola reaktywnego prowadzi do wzrostu energii oddziaływania cząstek, co wyraża się w tworzeniu silnych powłok solwatacyjnych cząsteczek polarnych w mieszaninie cząsteczek polarnych i niepolarnych.
Energię pola biernego oblicza się ze wzoru: gdzie:
znak „-” - określa przyciąganie cząsteczek
S – statyczna przenikalność elektryczna
nieskończony – stała dielektryczna wynikająca z polaryzacji elektronowej i atomowej cząsteczek
NA - liczba Avogadro
VM – objętość zajmowana przez 1 mol substancji polarnej w cieczy izotropowej v = moment dipolowy
ER - energia 1 mola substancji polarnej w roztworze
Koncepcja „pola reaktywnego” pozwoli nam lepiej zrozumieć strukturę czystych cieczy i roztworów. Podejście chemii kwantowej do badania pola reaktywnego zostało opracowane w pracach M. V. Bazilevsky'ego i jego współpracowników z Naukowego Instytutu Fizyki i Chemii im. L. Ya. Karpova Problem stanu ciekłego czeka więc na młodych badaczy. Karty są w Twoich rękach.