Struktura materii. Modele budowy ciała gazowego, ciekłego i stałego. Model budowy ciał stałych. Zmiana stanu skupienia materii. ciała krystaliczne. Właściwości monokryształów. Ciała amorficzne

Struktura gazów, cieczy i ciał stałych.

Podstawowe postanowienia molekularnej teorii kinetycznej:

Wszystkie substancje składają się z cząsteczek, a cząsteczki z atomów.

atomy i cząsteczki są w ciągłym ruchu,

Między cząsteczkami działają siły przyciągające i odpychające.

W gazy cząsteczki poruszają się losowo, odległości między cząsteczkami są duże, siły molekularne są małe, gaz zajmuje całą dostarczoną mu objętość.

W płyny cząsteczki są uporządkowane tylko na małych odległościach, a przy dużych odległościach porządek (symetria) układu jest naruszony - „porządek krótkiego zasięgu”. Siły przyciągania molekularnego utrzymują cząsteczki blisko siebie. Ruch cząsteczek polega na „przeskakiwaniu” z jednej stabilnej pozycji do drugiej (zwykle w obrębie jednej warstwy. Ten ruch wyjaśnia płynność cieczy. Ciecz nie ma kształtu, ale ma objętość.

Ciała stałe - substancje, które zachowują swój kształt, dzielą się na krystaliczne i amorficzne. krystaliczne ciało stałe ciała mają sieć krystaliczną, w węzłach których mogą znajdować się jony, cząsteczki lub atomy.Oscylują one względem stabilnych pozycji równowagi.Siety kryształów mają regularną strukturę w całej objętości - „porządek dalekiego zasięgu” lokalizacji.

Ciała amorficzne zachowują swój kształt, ale nie mają sieci krystalicznej, w wyniku czego nie mają wyraźnej temperatury topnienia. Nazywa się je zamrożonymi cieczami, ponieważ podobnie jak ciecze mają „bliski” porządek molekularny.

Siły oddziaływania cząsteczek

Wszystkie cząsteczki substancji oddziałują ze sobą siłami przyciągania i odpychania. Dowód oddziaływania cząsteczek: zjawisko zwilżania, odporność na ściskanie i rozciąganie, niska ściśliwość ciał stałych i gazów itp. Powodem oddziaływania cząsteczek jest oddziaływanie elektromagnetyczne naładowanych cząstek w materii. Jak to wyjaśnić? Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanej powłoki elektronowej. Ładunek jądra jest równy całkowitemu ładunkowi wszystkich elektronów, dlatego jako całość atom jest elektrycznie obojętny. Cząsteczka składająca się z jednego lub więcej atomów jest również elektrycznie obojętna. Rozważ oddziaływanie między cząsteczkami na przykładzie dwóch nieruchomych cząsteczek. Siły grawitacyjne i elektromagnetyczne mogą istnieć między ciałami w przyrodzie. Ponieważ masy cząsteczek są niezwykle małe, pomijalne siły oddziaływania grawitacyjnego między cząsteczkami można pominąć. Na bardzo dużych odległościach również nie ma interakcji elektromagnetycznych między cząsteczkami. Ale wraz ze zmniejszeniem odległości między cząsteczkami cząsteczki zaczynają orientować się tak, że ich strony skierowane do siebie będą miały ładunki o różnych znakach (na ogół cząsteczki pozostają neutralne), a między cząsteczkami powstają siły przyciągania. Przy jeszcze większym zmniejszeniu odległości między cząsteczkami powstają siły odpychające w wyniku oddziaływania ujemnie naładowanych powłok elektronowych atomów cząsteczek. W rezultacie na cząsteczkę wpływa suma sił przyciągania i odpychania. Na dużych odległościach przeważa siła przyciągania (w odległości 2-3 średnic cząsteczek przyciąganie jest maksymalne), na krótkich siła odpychania. Między cząsteczkami jest taka odległość, przy której siły przyciągania stają się równe siłom odpychania. Ta pozycja cząsteczek nazywana jest pozycją stabilnej równowagi. Cząsteczki znajdujące się w pewnej odległości od siebie i połączone siłami elektromagnetycznymi mają energię potencjalną. W pozycji równowagi stabilnej energia potencjalna cząsteczek jest minimalna. W substancji każda cząsteczka oddziałuje jednocześnie z wieloma sąsiednimi cząsteczkami, co również wpływa na wartość minimalnej energii potencjalnej cząsteczek. Ponadto wszystkie cząsteczki substancji są w ciągłym ruchu, tj. mają energię kinetyczną. Zatem o strukturze substancji i jej właściwościach (ciała stałe, ciekłe i gazowe) decyduje stosunek minimalnej energii potencjalnej oddziaływania cząsteczek do energii kinetycznej ruchu termicznego cząsteczek.

Struktura i właściwości ciał stałych, ciekłych i gazowych

Strukturę ciał wyjaśnia wzajemne oddziaływanie cząstek ciała i charakter ich ruchu termicznego.

Solidny

Ciała stałe mają stały kształt i objętość i są praktycznie nieściśliwe. Minimalna energia potencjalna oddziaływania cząsteczek jest większa niż energia kinetyczna cząsteczek. Silne oddziaływanie cząstek. Ruch termiczny cząsteczek w ciele stałym wyraża się jedynie oscylacjami cząsteczek (atomów, cząsteczek) wokół pozycji równowagi stabilnej.

Ze względu na duże siły przyciągania cząsteczki praktycznie nie mogą zmienić swojego położenia w substancji, co tłumaczy niezmienność objętości i kształtu ciał stałych. Większość ciał stałych ma uporządkowany przestrzennie układ cząstek, które tworzą regularną sieć krystaliczną. Cząstki materii (atomy, cząsteczki, jony) znajdują się na wierzchołkach - węzłach sieci krystalicznej. Węzły sieci krystalicznej pokrywają się z pozycją stabilnej równowagi cząstek. Takie ciała stałe nazywane są krystalicznymi.

Ciekły

Płyny mają określoną objętość, ale nie mają własnego kształtu, przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Minimalna energia potencjalna oddziaływania cząsteczek jest porównywalna z energią kinetyczną cząsteczek. Oddziaływanie słabych cząstek. Ruch termiczny cząsteczek w cieczy wyraża się oscylacjami wokół położenia stabilnej równowagi w objętości dostarczanej cząsteczce przez sąsiadów. Cząsteczki nie mogą swobodnie poruszać się w całej objętości substancji, ale możliwe są przejścia cząsteczek w sąsiednie miejsca. To wyjaśnia płynność cieczy, zdolność do zmiany jej kształtu.

W cieczach cząsteczki są dość silnie związane ze sobą siłami przyciągania, co tłumaczy niezmienność objętości cieczy. W cieczy odległość między cząsteczkami jest w przybliżeniu równa średnicy cząsteczki. Wraz ze spadkiem odległości między cząsteczkami (ściskanie cieczy) siły odpychania gwałtownie rosną, więc ciecze są nieściśliwe. Pod względem struktury i charakteru ruchu termicznego ciecze zajmują pozycję pośrednią między ciałami stałymi a gazami. Chociaż różnica między cieczą a gazem jest znacznie większa niż między cieczą a ciałem stałym. Na przykład podczas topienia lub krystalizacji objętość ciała zmienia się wielokrotnie mniej niż podczas parowania lub kondensacji.

Gazy nie mają stałej objętości i zajmują całą objętość naczynia, w którym się znajdują. Minimalna energia potencjalna oddziaływania cząsteczek jest mniejsza niż energia kinetyczna cząsteczek. Cząsteczki materii praktycznie nie wchodzą w interakcje. Gazy charakteryzują się całkowitym nieuporządkowaniem układu i ruchu cząsteczek.

Odległość między cząsteczkami gazu jest wielokrotnie większa niż wielkość cząsteczek. Małe siły przyciągania nie mogą utrzymywać cząsteczek blisko siebie, więc gazy mogą rozszerzać się w nieskończoność. Gazy są łatwo kompresowane pod działaniem ciśnienia zewnętrznego, ponieważ. odległości między cząsteczkami są duże, a siły oddziaływania znikome. Ciśnienie gazu na ściankach naczynia jest tworzone przez uderzenia poruszających się cząsteczek gazu.

Wszystkie przedmioty i rzeczy, które nas otaczają na co dzień składają się z różnych substancji. Jednocześnie jesteśmy przyzwyczajeni, że jako przedmioty i rzeczy uważamy tylko coś stałego - na przykład stół, krzesło, filiżankę, długopis, książkę i tak dalej.

Trzy stany skupienia

A woda z kranu czy para z gorącej herbaty, wydaje się, że nie bierzemy pod uwagę przedmiotów i rzeczy. Ale przecież to wszystko jest również częścią świata fizycznego, tylko ciecze i gazy są w innym stanie skupienia. Więc, Istnieją trzy stany skupienia: stałe, płynne i gazowe. I każda substancja może być kolejno w każdym z tych stanów. Jeśli wyjmiemy kostkę lodu z zamrażarki i podgrzejemy ją, stopi się i zamieni się w wodę. Jeśli pozostawimy włączony palnik, woda nagrzeje się do 100 stopni Celsjusza i wkrótce zamieni się w parę. Tak więc tę samą substancję, czyli ten sam zestaw cząsteczek, obserwowaliśmy kolejno w różnych stanach skupienia. Ale jeśli cząsteczki pozostaną takie same, to co się zmieni? Dlaczego lód jest stały i zachowuje swój kształt, woda łatwo przybiera kształt filiżanki, a para całkowicie rozprasza się w różnych kierunkach? Chodzi o strukturę molekularną.

Struktura molekularna ciał stałych jest taki, że cząsteczki znajdują się bardzo blisko siebie (odległość między cząsteczkami jest znacznie mniejsza niż wielkość samych cząsteczek) i bardzo trudno jest przenieść cząsteczki z ich miejsca w tym układzie. Dlatego ciała stałe zachowują objętość i zachowują swój kształt. Molekularna struktura cieczy charakteryzuje się tym, że odległość między cząsteczkami jest w przybliżeniu równa wielkości samych cząsteczek, to znaczy cząsteczki nie są już tak bliskie jak w ciałach stałych. Oznacza to, że łatwiej się poruszają względem siebie (dlatego ciecze tak łatwo zmieniają kształt), ale siła przyciągania cząsteczek jest nadal wystarczająca, aby powstrzymać cząsteczki od rozlatywania się i zachować swoją objętość. I tu struktura molekularna gazu wręcz przeciwnie, nie pozwala gazowi utrzymać objętości lub kształtu. Powodem jest to, że odległość między cząsteczkami gazu jest znacznie większa niż rozmiar samych cząsteczek, a nawet najmniejsza siła jest w stanie zniszczyć ten chwiejny układ.

Powód przejścia substancji do innego stanu

Dowiedzmy się teraz, co jest przyczyną przejścia materii z jednego stanu do drugiego. Na przykład, dlaczego lód po podgrzaniu staje się wodą. Odpowiedź jest prosta: energia cieplna palnika jest zamieniana na energię wewnętrzną cząsteczek lodu. Otrzymawszy tę energię, cząsteczki lodu zaczynają coraz szybciej oscylować i w końcu wychodzą z podporządkowania sąsiednich cząsteczek. Jeśli wyłączymy urządzenie grzewcze, to woda pozostanie wodą, ale jeśli zostawimy włączone, woda zamieni się w parę z powodu już tam znanego.

Ze względu na to, że bryły zachowują objętość i kształt, to właśnie one kojarzą nam się ze światem zewnętrznym. Ale jeśli przyjrzymy się uważnie, odkryjemy, że gazy i ciecze również zajmują ważną część świata fizycznego. Na przykład otaczające nas powietrze składa się z mieszaniny gazów, z których główny, azot, może być również cieczą - ale w tym celu musi zostać schłodzony do temperatury prawie minus 200 stopni Celsjusza. Ale główny element zwykłej ukochanej - żarnik wolframowy - można stopić, to znaczy zamienić w ciecz, wręcz przeciwnie, tylko w temperaturze 3422 stopni Celsjusza.

W dwóch poprzednich akapitach rozważaliśmy strukturę i właściwości ciał stałych - krystaliczną i amorficzną. Przejdźmy teraz do badania struktury i właściwości cieczy.

Cechą charakterystyczną cieczy jest płynność- możliwość zmiany kształtu w krótkim czasie pod wpływem nawet niewielkich sił. Dzięki temu ciecze wlewają się strumieniami, płyną strumieniami, przybierają kształt naczynia, do którego są wlewane.

Zdolność do zmiany kształtu w różnych cieczach wyrażana jest na różne sposoby. Spójrz na zdjęcie. Przy mniej więcej równej grawitacji miód zmienia swój kształt dłużej niż woda. Dlatego mówi się, że te substancje mają nierówne lepkość: miód ma więcej niż wodę. Wynika to z nierównomiernie złożonej struktury cząsteczek wody i miodu. Woda składa się z cząsteczek, które wyglądają jak kulki z guzkami, podczas gdy miód składa się z cząsteczek, które wyglądają jak gałęzie drzew. Dlatego, gdy miód się porusza, „gałęzie” jego cząsteczek łączą się ze sobą, nadając mu większą lepkość niż woda.

Ważny: zmieniając kształt, płyn zachowuje swoją objętość. Rozważ doświadczenie (patrz rysunek). Płyn w zlewce ma kształt walca i pojemność 300 ml. Po wlaniu do miski płyn przybrał płaski kształt, ale zachował swoją poprzednią objętość: 300 ml. Wynika to z przyciągania i odpychania jego cząstek: średnio nadal są one utrzymywane w tej samej odległości od siebie.

jeszcze jeden wspólną właściwością wszystkich płynów jest ich posłuszeństwo prawu Pascala. W klasie 7 dowiedzieliśmy się, że opisuje ona właściwość cieczy i gazów do przenoszenia wywieranego na nie ciśnienia we wszystkich kierunkach (patrz § 4-c). Teraz zauważamy, że mniej lepkie ciecze robią to szybko, a lepkie ciecze zajmują dużo czasu.

Struktura płynów. W teorii kinetyki molekularnej uważa się, że w cieczach, podobnie jak w ciałach amorficznych, nie ma ścisłego porządku w rozmieszczeniu cząstek, to znaczy nie są one jednakowo gęste. Szczeliny mają różne rozmiary, w tym takie, że zmieści się tam jeszcze jedna cząsteczka. To pozwala im przeskakiwać z „gęsto zaludnionych” miejsc do bardziej wolnych. Skoki każdej cząstki cieczy występują bardzo często: kilka miliardów razy na sekundę.

Jeśli na ciecz działa jakaś siła zewnętrzna (na przykład grawitacja), ruch i przeskoki cząstek będą następować głównie w kierunku jej działania (w dół). Spowoduje to, że ciecz przyjmie postać wydłużonej kropli lub płynącego strumienia (patrz rysunek). Więc, płynność cieczy tłumaczy się skokami ich cząstek z jednej stabilnej pozycji do drugiej.

Częste są skoki cząstek cieczy, ale znacznie częściej ich cząstki, podobnie jak ciała stałe, oscylują w jednym miejscu, stale oddziałując ze sobą. Dlatego nawet niewielkie sprężenie cieczy prowadzi do gwałtownego „utwardzania” oddziaływania cząstek, co oznacza gwałtowny wzrost ciśnienia cieczy na ściankach naczynia, w którym jest ona ściskana. Tak to zostało wyjaśnione przenoszenie ciśnienia przez ciecze, czyli prawo Pascala, a jednocześnie właściwość cieczy do opierania się kompresji, czyli utrzymywania objętości.

Zauważ, że zachowanie jego objętości przez ciecz jest reprezentacją warunkową. Oznacza to, że w porównaniu z gazami, które łatwo skompresować nawet siłą dłoni dziecka (np. w balonie), ciecze można uznać za nieściśliwe. Jednak na głębokości 10 km w Oceanie Światowym woda jest pod tak dużym ciśnieniem, że każdy kilogram wody zmniejsza swoją objętość o 5% - z 1 litra do 950 ml. Dzięki wysokim ciśnieniom płyny można jeszcze bardziej skompresować.

1. Model budowy ciał stałych. Zmiana stanu skupienia materii. ciała krystaliczne. Właściwości monokryształów. ciała amorficzne.

Ciało stałe to stan skupienia materii, charakteryzujący się niezmiennością formy i charakterem ruchu atomów, które wytwarzają niewielkie drgania wokół pozycji równowagi.

W przypadku braku wpływów zewnętrznych ciało stałe zachowuje swój kształt i objętość.

Wyjaśnia to fakt, że przyciąganie między atomami (lub cząsteczkami) jest dla nich większe niż dla cieczy (a jeszcze bardziej dla gazów). Wystarczy utrzymywać atomy w pobliżu ich pozycji równowagi.

Cząsteczki lub atomy większości ciał stałych, takich jak lód, sól, diament, metale, są ułożone w określonej kolejności. Takie ciała stałe nazywają się krystaliczny . Chociaż cząstki tych ciał są w ruchu, ruchy te są oscylacjami wokół pewnych punktów (pozycji równowagi). Cząsteczki nie mogą podróżować daleko od tych punktów, więc bryła zachowuje swój kształt i objętość.

Ponadto, w przeciwieństwie do cieczy, punkty równowagi atomów lub jonów ciała stałego, które są połączone, znajdują się na wierzchołkach regularnej sieci przestrzennej, która nazywa się krystaliczny.

Pozycje równowagi, w stosunku do których występują drgania termiczne cząstek, nazywa się węzły sieci krystalicznej.

Monokryształ- ciało stałe, którego cząstki tworzą sieć monokrystaliczną (pojedynczy kryształ).

Jedną z głównych właściwości monokryształów, którymi różnią się od cieczy i gazów, jest anizotropia ich właściwości fizyczne. Pod anizotropia jest rozumiana jako zależność właściwości fizycznych od kierunku w krysztale . Właściwości mechaniczne są anizotropowe (wiadomo na przykład, że mika łatwo rozwarstwia się w jednym kierunku, a bardzo trudna w prostopadłym), właściwości elektryczne (przewodność elektryczna wielu kryształów zależy od kierunku), właściwości optyczne (zjawisko dwójłomność i dichroizm - anizotropia absorpcji, czyli np. pojedynczy kryształ turmalinu jest "malowany" na różne kolory - zielony i brązowy, w zależności od tego, z której strony na niego patrzysz).

polikryształ- ciało stałe składające się z losowo zorientowanych monokryształów. Większość ciał stałych, z którymi mamy do czynienia w życiu codziennym, to polikrystaliczne – sól, cukier, różne wyroby metalowe. Losowa orientacja przerośniętych mikrokryształów, z których są zbudowane, prowadzi do zaniku anizotropii właściwości.

Ciała krystaliczne mają określoną temperaturę topnienia.

ciała amorficzne. Oprócz ciał krystalicznych ciałami amorficznymi są również określane jako ciała stałe. Amorficzny po grecku oznacza „bezkształtny”.

Ciała amorficzne- Są to ciała stałe, które charakteryzują się nieuporządkowanym układem cząstek w przestrzeni.

W tych ciałach cząsteczki (lub atomy) oscylują wokół losowo rozmieszczonych punktów i, podobnie jak cząsteczki cieczy, mają określony czas ustalonego życia. Ale w przeciwieństwie do płynów mają bardzo długi czas.

Ciała amorficzne obejmują szkło, bursztyn, różne inne żywice i tworzywa sztuczne. Chociaż ciała te zachowują swój kształt w temperaturze pokojowej, wraz ze wzrostem temperatury stopniowo miękną i zaczynają płynąć jak płyny: ciała amorficzne nie mają określonej temperatury, temperatury topnienia.

Różnią się tym od ciał krystalicznych, które wraz ze wzrostem temperatury nie przechodzą w stan ciekły stopniowo, ale nagle (w ściśle określonej temperaturze - temperatura topnienia).

Wszystkie ciała amorficzne izotropowy, tj. mają te same właściwości fizyczne w różnych kierunkach. Po uderzeniu zachowują się jak ciała stałe - pękają, a przy bardzo długim uderzeniu - płyną.

Obecnie istnieje wiele substancji w stanie amorficznym, otrzymywanych sztucznie, takich jak półprzewodniki amorficzne i szkliste, materiały magnetyczne, a nawet metale.

2. Rozproszenie światła. Rodzaje widm. Spektrograf i spektroskop. Analiza spektralna. Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego i ich zastosowanie w transporcie kolejowym.

Wiązka białego światła przechodząca przez trójścienny pryzmat jest nie tylko odchylana, ale także rozkładana na składowe kolorowe promienie.
Zjawisko to zostało ustalone przez Isaaca Newtona, przeprowadzając serię eksperymentów.

Struktura 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 wnikliwych badań fizykochemików. Do badań w tym kierunku wykorzystywane są najnowocześniejsze metody, w tym spektralne (IR, NMR, rozpraszanie światła o różnych długościach fal), rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, metody obliczeń kwantowo-mechanicznych i statystycznych itp. Teoria cieczy jest znacznie mniej rozwinięta niż teoria gazów, ponieważ właściwości cieczy zależą od geometrii i polaryzacji blisko rozmieszczonych cząsteczek. Ponadto brak określonej struktury cieczy utrudnia sformalizowanie ich opisu – w większości podręczników cieczom podaje się znacznie mniej miejsca niż gazom i krystalicznym ciałom stałym. Jakie są cechy każdego z trzech skupionych stanów materii: stałego, ciekłego i gazowego. (stół)
1) Solid: ciało zachowuje objętość i kształt
2) Płyny 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 ich umiejscowienia i poruszania się.
1) W gazach odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż wielkość samych cząsteczek
2) Cząsteczki cieczy nie rozchodzą się na duże odległości, a ciecz w normalnych warunkach zachowuje swoją objętość.
3) Cząstki ciał stałych są ułożone w określonej kolejności. Każda z cząstek porusza się wokół określonego punktu w sieci krystalicznej, jak wahadło zegara, to znaczy oscyluje.
Gdy temperatura spada, ciecze zestalają się, a gdy podnoszą się powyżej temperatury wrzenia, przechodzą w stan gazowy. Już sam ten fakt wskazuje, że ciecze zajmują pozycję pośrednią między gazami i ciałami stałymi, różniąc się od obu. Jednak ciecz ma podobieństwa z każdym z tych stanów.
Istnieje temperatura, w której granica między gazem a cieczą całkowicie zanika. To jest tak zwany punkt krytyczny. Dla każdego gazu znana jest temperatura, powyżej której nie może być ciekły pod żadnym ciśnieniem; w tej krytycznej temperaturze zanika granica (menisk) między cieczą a jej nasyconą parą. Istnienie temperatury krytycznej („bezwzględnej temperatury wrzenia”) zostało ustalone przez DIMendeleeva w 1860 roku. Drugą właściwością, która łączy ciecze i gazy, jest izotropia. Oznacza to, że na pierwszy rzut oka można założyć, że ciecze są bliższe gazom niż kryształom. Podobnie jak gazy, ciecze są izotropowe, tj. ich właściwości są takie same we wszystkich kierunkach. Natomiast kryształy są anizotropowe: współczynnik załamania światła, ściśliwość, wytrzymałość i wiele innych właściwości kryształów okazują się różne w różnych kierunkach. Substancje krystaliczne w stanie stałym mają uporządkowaną strukturę z powtarzającymi się pierwiastkami, co umożliwia ich badanie metodą dyfrakcji rentgenowskiej (metoda analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego stosowana jest od 1912 r.).

Co mają wspólnego ciecze i gazy?
A) izotropowy. 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 postać naczynia (mała lepkość i duża płynność).
Cząsteczki oraz ciecze i gazy poruszają się dość swobodnie, zderzając się ze sobą. Wcześniej uważano, że w obrębie objętości zajmowanej przez ciecz za równie prawdopodobną uznano każdą odległość przekraczającą sumę ich promieni, tj. zaprzeczono tendencji do uporządkowanego ułożenia molekuł. W ten sposób do pewnego stopnia ciecze i gazy przeciwstawiały się kryształom.
W miarę postępu badań coraz więcej faktów wskazywało na występowanie podobieństw między strukturą cieczy i ciał stałych. Na przykład wartości pojemności cieplnych i współczynników ściśliwości, zwłaszcza w pobliżu temperatury topnienia, praktycznie pokrywają się ze sobą, podczas gdy te wartości dla cieczy i gazu różnią się znacznie.
Już z tego przykładu można wywnioskować, że obraz ruchu termicznego cieczy w temperaturze zbliżonej do temperatury krzepnięcia przypomina ruch termiczny ciał stałych, a nie gazów. Wraz z tym można również zauważyć tak znaczące różnice między gazowym i ciekłym stanem materii. W gazach cząsteczki są rozmieszczone w przestrzeni w sposób całkowicie losowy, tj. ten ostatni jest uważany za przykład edukacji bezstrukturalnej. Ciecz nadal ma określoną strukturę. Potwierdza to eksperymentalnie dyfrakcja rentgenowska, która pokazuje co najmniej jedno wyraźne maksimum. Struktura cieczy to sposób rozmieszczenia jej cząsteczek w przestrzeni. Tabela ilustruje podobieństwa i różnice między stanem gazowym i ciekłym.
Faza gazowa Faza ciekła
1. Odległość między cząsteczkami l jest zwykle (dla niskich ciśnień) znacznie większa niż promień cząsteczki r: l  r ; praktycznie cała objętość V zajmowana przez gaz jest objętością swobodną. W fazie ciekłej natomiast l 2. Średnia energia kinetyczna cząstek, równa 3/2kT, jest większa od energii potencjalnej ich oddziaływania międzycząsteczkowego U. Energia potencjalna oddziaływania cząsteczek jest większa od średniej energia kinetyczna ich ruchu: U3/2 kT
3. Cząsteczki zderzają się podczas ruchu translacyjnego, współczynnik częstotliwości zderzeń zależy od masy cząstek, ich wielkości i temperatury.Każda cząsteczka oscyluje w klatce utworzonej przez otaczające ją molekuły. Amplituda oscylacji a zależy od wolnej objętości, a (Vf/L)1/3
4. Dyfuzja cząstek następuje w wyniku ich ruchu postępowego, współczynnik dyfuzji D  0,1 - 1 cm2/s (p  105 Pa) i zależy od ciśnienia gazu
(D  p-1) Dyfuzja następuje w wyniku przeskoku cząstki z jednej komórki do drugiej o energii aktywacji ED,
D  e-ED/RT w cieczach nielepkich
D 0,3 - 3 cm2 / dzień.
5. Cząstka obraca się swobodnie, częstotliwość rotacji r wyznaczają tylko momenty bezwładności cząstki i temperatura, częstotliwość rotacji r T1/2 Er/RT
Jednak stan ciekły jest zbliżony do stanu stałego pod wieloma ważnymi wskaźnikami (quasi-krystaliczność). Nagromadzenie faktów doświadczalnych wskazuje, że ciecze i kryształy mają ze sobą wiele wspólnego. Badania fizykochemiczne poszczególnych cieczy wykazały, że prawie wszystkie z nich posiadają pewne elementy struktury krystalicznej.
Po pierwsze, odległości międzycząsteczkowe w cieczy są zbliżone do tych w ciele stałym. Świadczy o tym fakt, że podczas topienia tego ostatniego objętość substancji zmienia się nieznacznie (zwykle wzrasta o nie więcej niż 10%). Po drugie, energia oddziaływania międzycząsteczkowego w cieczy i w ciele stałym różni się nieznacznie. Wynika to z faktu, że ciepło topnienia jest znacznie mniejsze niż ciepło parowania. Na przykład, dla wody Hpl= 6 kJ/mol i Hsp= 45 kJ/mol; dla benzenu Hpl = 11 kJ/mol i Htest = 48 kJ/mol.
Po trzecie, pojemność cieplna substancji podczas topienia zmienia się bardzo mało, tj. jest blisko dla obu tych stanów. Stąd wynika, że ​​charakter ruchu cząstek w cieczy jest zbliżony do ruchu 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 niewielkiego wysiłku. Właściwości te wynikają z takich cech struktury cieczy, jak silne oddziaływanie międzycząsteczkowe, krótkozasięgowy porządek w rozmieszczeniu molekuł oraz zdolność molekuł do stosunkowo szybkiej zmiany ich położenia. Gdy ciecz jest podgrzewana od temperatury zamarzania do temperatury wrzenia, jej właściwości zmieniają się płynnie, wraz z ogrzewaniem stopniowo wzrasta jej podobieństwo do gazu.
Każdy z nas może z łatwością przypomnieć sobie wiele substancji, które uważa za płyny. Jednak nie jest łatwo podać dokładną definicję tego stanu materii, ponieważ ciecze mają takie właściwości fizyczne, że pod pewnymi względami przypominają ciała stałe, a pod innymi przypominają gazy. Podobieństwo między cieczami i ciałami stałymi jest najbardziej widoczne w materiałach szklistych. Ich przejście ze stanu stałego do ciekłego wraz ze wzrostem temperatury następuje stopniowo, a nie jako wyraźna temperatura topnienia, po prostu stają się coraz bardziej miękkie, tak że nie można wskazać, w jakim zakresie temperatur należy je nazwać ciałami stałymi, a w jakim powinny być zwane płynami. Możemy tylko powiedzieć, że lepkość substancji szklistej w stanie ciekłym jest mniejsza niż w stanie stałym. Szkła stałe są zatem często określane jako ciecze przechłodzone. Podobno najbardziej charakterystyczną właściwością cieczy, odróżniającą je od ciał stałych, jest niska lepkość, czyli wysoka płynność. Dzięki niej przybierają kształt naczynia, w którym są nalewane. Na poziomie molekularnym wysoka płynność oznacza stosunkowo dużą swobodę cząstek płynu. W tym ciecze przypominają gazy, chociaż siły oddziaływania międzycząsteczkowego cieczy są większe, cząsteczki są bliższe i bardziej ograniczone w swoim ruchu.
Do tego, co zostało powiedziane, można podejść w inny sposób – z punktu widzenia idei porządku dalekiego i bliskiego zasięgu. Porządek dalekiego zasięgu istnieje w krystalicznych ciałach stałych, których atomy są ułożone w ściśle uporządkowany sposób, tworząc trójwymiarowe struktury, które można uzyskać poprzez wielokrotne powtarzanie komórki elementarnej. W płynie i szkle nie ma ładu dalekiego zasięgu. Nie oznacza to jednak, że w ogóle nie są uporządkowane. 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. Tak więc porządek istnieje tylko na małych odległościach, stąd nazwa: porządek bliskiego zasięgu. Adekwatny opis matematyczny budowy cieczy można podać tylko za pomocą fizyki statystycznej. Przykładowo, jeśli ciecz składa się z identycznych kulistych cząsteczek, to jej strukturę można opisać funkcją rozkładu radialnego g(r), która daje prawdopodobieństwo znalezienia dowolnej cząsteczki w odległości r od danej, wybranej jako punkt odniesienia . Eksperymentalnie funkcję tę można znaleźć, badając dyfrakcję promieni rentgenowskich lub neutronów, a wraz z pojawieniem się szybkich komputerów zaczęto ją obliczać za pomocą symulacji komputerowej, w oparciu o dostępne dane o naturze sił działających między cząsteczek lub na założeniach dotyczących tych sił, a także na prawach mechaniki Newtona. Porównując otrzymane teoretycznie i eksperymentalnie funkcje rozkładu promieniowego, można zweryfikować poprawność założeń o charakterze sił międzycząsteczkowych.
W substancjach organicznych, których molekuły mają wydłużony kształt, w takim lub innym zakresie temperatur, czasami występują obszary fazy ciekłej o dalekosiężnym uporządkowaniu orientacji, co objawia się tendencją do równoległego ułożenia długich osi cząsteczki. W tym przypadku porządkowaniu orientacyjnemu może towarzyszyć porządkowanie koordynacyjne centrów molekularnych. Fazy ​​ciekłe tego typu są powszechnie określane jako ciekłe kryształy. Stan ciekłokrystaliczny jest stanem pośrednim między krystalicznym a ciekłym. Ciekłe kryształy mają zarówno płynność, jak i anizotropię (optyczną, elektryczną, magnetyczną). Czasami ten stan nazywa się mezomorficznym (mezofazą) ze względu na brak porządku dalekiego zasięgu. Górną granicą istnienia jest temperatura oświecenia (ciecz izotropowa). Termotropowe (mezogenne) kwasy tłuszczowe występują powyżej pewnej temperatury. Typowe są cyjanobifenyle. Liotropowy - po rozpuszczeniu np. wodne roztwory mydeł, polipeptydów, lipidów, DNA. Badanie ciekłych kryształów (mezofaza – topnienie dwuetapowe – mętny topnienie, następnie przeźroczysty, przejście z fazy krystalicznej do ciekłej przez formę pośrednią o anizotropowych właściwościach optycznych) jest ważne dla celów technologii – wskazanie ciekłokrystaliczne.
Cząsteczki w gazie poruszają się losowo (losowo). W gazach odległość między atomami lub cząsteczkami jest średnio wielokrotnie większa niż wielkość samych cząsteczek. Cząsteczki w gazie poruszają się z dużą prędkością (setki m/s). Zderzając się, odbijają się od siebie jak idealnie sprężyste kulki, zmieniając wielkość i kierunek prędkości. Przy dużych odległościach między cząsteczkami siły przyciągania są małe i nie są w stanie utrzymać cząsteczek gazu obok siebie. Dlatego gazy mogą rozszerzać się w nieskończoność. Gazy łatwo ulegają kompresji, zmniejsza się średnia odległość między cząsteczkami, ale nadal ma duże rozmiary. Gazy nie zachowują kształtu ani objętości, ich objętość i kształt pokrywają się z objętością i kształtem naczynia, które wypełniają. Liczne uderzenia molekuł o ścianki naczynia wytwarzają ciśnienie gazu.
Atomy i cząsteczki ciał stałych wibrują wokół pewnych pozycji równowagi. Dlatego bryły zachowują zarówno objętość, jak i kształt. Jeśli połączysz mentalnie centra pozycji równowagi atomów lub jonów ciała stałego, otrzymasz sieć krystaliczną.
Cząsteczki cieczy znajdują się prawie blisko siebie. Dlatego płyny są bardzo słabo ściśliwe i zachowują swoją objętość. Cząsteczki cieczy drgają wokół położenia równowagi. Od czasu do czasu cząsteczka przechodzi z jednego stanu ustalonego do drugiego, z reguły w kierunku działania siły zewnętrznej. Czas stanu osiadłego cząsteczki jest niewielki i maleje wraz ze wzrostem temperatury, a czas przejścia cząsteczki do nowego stanu osiadłego jest jeszcze krótszy. Dlatego płyny są płynne, nie zachowują kształtu i przyjmują kształt naczynia, do którego są nalewane.

Kinetyczna teoria cieczy Kinetyczna teoria cieczy opracowana przez Ya I. Frenkla traktuje ciecz jako dynamiczny układ cząstek przypominający częściowo stan krystaliczny. W temperaturach zbliżonych do temperatury topnienia ruch termiczny w cieczy sprowadza się głównie do harmonicznych oscylacji cząstek wokół pewnych średnich pozycji równowagi. W przeciwieństwie do stanu krystalicznego, te pozycje równowagi cząsteczek w cieczy są tymczasowe dla każdej cząsteczki. Po oscylowaniu wokół jednej pozycji równowagi przez pewien czas t, cząsteczka przeskakuje na nową pozycję znajdującą się w sąsiedztwie. Taki skok następuje przy wydatku energii U, a więc czas „życia ustalonego” t zależy od temperatury w następujący sposób: t = t0 eU/RT, gdzie t0 jest okresem jednej oscylacji wokół położenia równowagi. Dla wody o temperaturze pokojowej t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, tj. jedna cząsteczka, wykonując około 100 drgań, przeskakuje do nowej pozycji, gdzie nadal oscyluje. Z danych dotyczących rozpraszania promieni rentgenowskich i neutronów można obliczyć funkcję gęstości rozkładu cząstek  w zależności od odległości r od jednej cząstki wybranej jako centrum. W obecności uporządkowania dalekiego zasięgu w krystalicznym ciele stałym funkcja (r) ma wiele wyraźnych maksimów i minimów. Ze względu na dużą ruchliwość cząstek w cieczy zachowany jest tylko porządek o krótkim zasięgu. Wynika to wyraźnie z obrazów 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 znajduje się niewielka liczba 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 dalekosiężny porządek, pojawia się płynność. Decydującą rolę w topieniu odgrywa tworzenie się w cieczy wolnej objętości, która sprawia, że ​​układ jest płynny. Najważniejsza różnica między cieczą a ciałem stałym polega na tym, że w cieczy znajduje się swobodna objętość, której znaczna część ma postać fluktuacji („dziur”), których wędrówka przez ciecz nadaje jej taką charakterystyczna jakość jako płynność. Ilość takich „dziur”, ich objętość i ruchliwość zależą od temperatury. W niskiej temperaturze ciecz, o ile nie przekształciła się w ciało krystaliczne, staje się amorficzną substancją stałą o bardzo małej płynności z powodu zmniejszenia objętości i ruchliwości „dziur”. Wraz z teorią kinetyczną w ostatnich dziesięcioleciach z powodzeniem rozwinęła się statystyczna teoria cieczy.

Struktura lodu i wody. Najważniejszą i najczęstszą cieczą w normalnych warunkach jest woda. To najczęstsza cząsteczka na Ziemi! Jest doskonałym rozpuszczalnikiem. Na przykład wszystkie płyny biologiczne zawierają wodę. Woda rozpuszcza zarówno substancje nieorganiczne (sole, kwasy, zasady) jak i organiczne (alkohole, cukry, kwasy karboksylowe, aminy). Jaka jest struktura tego płynu? Jeszcze raz będziemy musieli wrócić do zagadnienia, które rozważaliśmy w pierwszym wykładzie, a mianowicie do tak specyficznego oddziaływania międzycząsteczkowego, jakim jest wiązanie wodorowe. Woda, zarówno w postaci płynnej, jak i krystalicznej, wykazuje właściwości anomalne 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 potem na diagram wiązania wodorowego między dwiema cząsteczkami wody. W rzeczywistości każda cząsteczka wody koordynuje wokół siebie 4 inne cząsteczki wody: dwie dzięki tlenowi, jako dawca dwóch samotnych par elektronów w dwa sprotonowane wodory, i dwie dzięki sprotonowanym wodorom koordynującym się z tlenami innych cząsteczek wody. W poprzednim wykładzie pokazałem slajd z wykresami temperatury topnienia, temperatury wrzenia i entalpii parowania wodorków grupy VI w zależności od okresu. Te zależności mają wyraźną anomalię dla wodorku tlenu. Wszystkie te parametry dla wody są zauważalnie wyższe niż przewidywane z niemal liniowej zależności dla kolejnych wodorków siarki, selenu i telluru. Wyjaśniliśmy to istnieniem wiązania wodorowego między sprotonowanym wodorem a akceptorem gęstości elektronowej, tlenem. Wiązanie wodorowe najskuteczniej badano za pomocą wibracyjnej spektroskopii w podczerwieni. Wolna grupa OH ma charakterystyczną energię wibracyjną, która powoduje, że wiązanie OH na przemian wydłuża się i skraca, dając charakterystyczne pasmo w widmie absorpcji w podczerwieni cząsteczki. Jeśli jednak grupa OH uczestniczy w wiązaniu wodorowym, atom wodoru jest związany atomami z obu stron, przez co jego drgania są „tłumione”, a częstotliwość spada. Poniższa tabela pokazuje, że wzrost siły i „stężenia” wiązania wodorowego prowadzi do zmniejszenia częstotliwości absorpcji. Na rysunku krzywa 1 odpowiada maksimum widma absorpcji w podczerwieni grup O-H w lodzie (gdzie wszystkie wiązania H są związane); krzywa 2 odpowiada maksimum widma absorpcji w podczerwieni grup O-H poszczególnych cząsteczek H2O rozpuszczonych w CCl4 (gdzie nie ma wiązań H - roztwór H2O w CCl4 jest zbyt rozcieńczony); a krzywa 3 odpowiada widmu absorpcji ciekłej wody. Gdyby istniały dwa rodzaje grup O-H w ciekłej wodzie - te, które tworzą wiązania wodorowe i te, które ich nie tworzą - i tylko grupy O-H w wodzie wibrowałyby w taki sam sposób (z tą samą częstotliwością) jak w lodzie (gdzie tworzą wiązania H) i inne - jak w środowisku CCl4 (gdzie nie tworzą wiązań H). Wtedy widmo wody miałoby dwa maksima, odpowiadające dwóm stanom grup O-H, ich dwóm charakterystycznym częstotliwościom wibracyjnym: z jaką częstotliwością grupa wibruje, z jaką częstotliwością pochłania światło. Ale obraz „dwa maksimum” nie jest obserwowany! Zamiast tego na krzywej 3 widzimy jedno, bardzo rozmyte maksimum, rozciągające się od maksimum krzywej 1 do maksimum krzywej 2. Oznacza to, że wszystkie grupy O-H w ciekłej wodzie tworzą wiązania wodorowe - ale wszystkie te wiązania mają inną energię, " luźne” (mają inną energię) i na różne sposoby. To pokazuje, że obraz, w którym część wiązań wodorowych w wodzie jest zerwana, a część zachowana, jest, ściśle rzecz biorąc, błędny. Jest jednak na tyle prosty i wygodny do opisu właściwości termodynamicznych wody, że jest szeroko stosowany – i będziemy się do niego odwoływać. Pamiętaj jednak, że nie jest to do końca dokładne.
Spektroskopia w podczerwieni jest więc potężną metodą badania wiązań wodorowych, a dzięki tej metodzie spektralnej uzyskano wiele danych dotyczących struktury związanych z nią cieczy i ciał stałych. W rezultacie dla wody ciekłej model lodowopodobny (model O.Ya. Samoiłowa) jest jednym z najbardziej powszechnie uznanych. Zgodnie z tym modelem woda w stanie ciekłym ma strukturę przypominającą lód, zaburzoną przez ruch termiczny (dowodem i konsekwencją ruchu termicznego jest ruch Browna, który po raz pierwszy zaobserwował angielski botanik Robert Brown w 1827 r. na pyłku pod mikroskopem) lód- podobnie jak szkielet czworościenny (każda cząsteczka wody w krysztale lodu jest połączona wiązaniami wodorowymi o zmniejszonej energii w porównaniu do lodu - "luźne" wiązania wodorowe) z otaczającymi ją czterema cząsteczkami wody), puste przestrzenie tej ramy są częściowo wypełnione wodą cząsteczki, a cząsteczki wody znajdujące się w pustych przestrzeniach i węzłach przypominających lód karakas są energetycznie nierówne.

W przeciwieństwie do wody, w krysztale lodu w węzłach sieci krystalicznej znajdują się cząsteczki wody o jednakowej energii, które mogą wykonywać jedynie ruchy oscylacyjne. W takim krysztale istnieje zarówno porządek bliskiego, jak i dalekiego zasięgu. W wodzie ciekłej (jak w przypadku cieczy polarnej) pewne elementy struktury krystalicznej są zachowane (co więcej, nawet w fazie gazowej cząsteczki cieczy są uporządkowane w małe niestabilne skupiska), ale nie ma uporządkowania dalekiego zasięgu. Tak więc struktura cieczy różni się od struktury gazu w przypadku uporządkowania krótkozasięgowego, ale różni się od struktury kryształu w przypadku braku uporządkowania dalekosiężnego. Najbardziej przekonującym dowodem na to jest badanie rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Trzech sąsiadów każdej cząsteczki w ciekłej wodzie znajduje się w jednej warstwie i znajduje się w większej odległości od niej (0,294 nm) niż czwarta cząsteczka z sąsiedniej warstwy (0,276 nm). Każda cząsteczka wody w składzie lodowego szkieletu tworzy jedno wiązanie lustrzano-symetryczne (silne) i trzy centralnie symetryczne (mniej silne). Pierwsza dotyczy wiązań między cząsteczkami wody danej warstwy a sąsiednimi warstwami, reszta - wiązań między cząsteczkami wody jednej warstwy. Dlatego jedna czwarta wszystkich wiązań jest symetryczna, a trzy czwarte symetryczne centralnie. Koncepcja czworościennego środowiska cząsteczek wody doprowadziła do wniosku, że jego struktura jest silnie ażurowa i że występują w nim puste przestrzenie, których wymiary są równe lub większe od wymiarów cząsteczek wody.

Elementy budowy wody ciekłej. a - elementarny czworościan wody (jasne kółka - atomy tlenu, czarne połówki - możliwe pozycje protonów na wiązaniu wodorowym); b - lustrzano-symetryczny układ czworościanów; c - układ centralnie symetryczny; d - lokalizacja centrów tlenowych w strukturze zwykłego lodu. Woda charakteryzuje się znacznymi siłami oddziaływania międzycząsteczkowego dzięki wiązaniom wodorowym, które tworzą sieć przestrzenną. Jak powiedzieliśmy na poprzednim wykładzie, wiązanie wodorowe wynika ze zdolności atomu wodoru połączonego z elektroujemnym pierwiastkiem do tworzenia dodatkowego wiązania z elektroujemnym atomem innej cząsteczki. Wiązanie wodorowe jest stosunkowo silne i wynosi kilka 20-30 kilodżuli na mol. Pod względem siły zajmuje pośrednie miejsce między energią van der Waalsa a energią wiązania typowo 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,  С
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 ubytki otoczone cząsteczkami H2O.
Zatem struktura lodu jest ażurową konstrukcją cząsteczek wody, połączonych ze sobą jedynie wiązaniami wodorowymi. Lokalizacja cząsteczek wody w strukturze lodu determinuje obecność szerokich kanałów w strukturze. Podczas topnienia lodu cząsteczki wody „wpadają” do tych kanałów, co tłumaczy wzrost gęstości wody w porównaniu z gęstością lodu. Kryształki lodu występują w postaci regularnych płytek heksagonalnych, segregacji tabelarycznych i przerostów o złożonym kształcie. Struktura normalnego lodu jest podyktowana wiązaniami H: jest dobra dla geometrii tych wiązań (O-H patrzy bezpośrednio na O), ale niezbyt dobra dla ciasnego kontaktu van der Waalsa cząsteczek H2O. Dlatego struktura lodu jest ażurowa, cząsteczki H2O otaczają mikroskopijne (mniej niż cząsteczka H2O) pory. Ażurowa struktura lodu prowadzi do dwóch dobrze znanych efektów: (1) lód jest mniej gęsty niż woda, pływa w nim; oraz (2) pod silnym naciskiem - np. ostrza łyżwy topią lód. Większość wiązań wodorowych istniejących w lodzie jest zachowana w ciekłej wodzie. Wynika to z niewielkiego ciepła topnienia lodu (80 cal/g) w porównaniu z ciepłem wrzącej wody (600 cal/g przy 0°C). Można powiedzieć, że tylko 80/(600+80) = 12% istniejących w lodzie wiązań wodorowych pęka w ciekłej wodzie. Jednak ten obraz - że niektóre wiązania wodorowe w wodzie są zerwane, a niektóre zachowane - nie jest do końca dokładny: raczej wszystkie wiązania wodorowe w wodzie rozluźniają się. Dobrze ilustrują to poniższe dane eksperymentalne.

Struktura rozwiązań. Od konkretnych przykładów wody przejdźmy do innych płynów. Różne ciecze różnią się od siebie wielkością cząsteczek i charakterem oddziaływań międzycząsteczkowych. Tak więc w każdej konkretnej cieczy istnieje pewna struktura pseudokrystaliczna, charakteryzująca się uporządkowaniem krótkozasięgowym i do pewnego stopnia przypominająca strukturę uzyskaną podczas zamarzania cieczy i zamieniania się w ciało stałe. Podczas rozpuszczania innej substancji, tj. gdy powstaje roztwór, zmienia się charakter oddziaływań międzycząsteczkowych i pojawia się nowa struktura z innym układem cząstek niż w czystym rozpuszczalniku. Ta struktura zależy od składu roztworu i jest specyficzna dla każdego konkretnego rozwiązania. Powstawaniu roztworów ciekłych zwykle towarzyszy proces solwatacji, tj. wyrównanie cząsteczek rozpuszczalnika wokół cząsteczek substancji rozpuszczonej w wyniku działania sił międzycząsteczkowych. Rozróżnij bliską i daleką solwatację, tj. wokół cząsteczek (cząstek) substancji rozpuszczonej tworzą się pierwotne i wtórne powłoki solwatów. W pierwotnej powłoce solwatacyjnej cząsteczki rozpuszczalnika znajdują się w bliskiej odległości, które poruszają się wraz z cząsteczkami substancji rozpuszczonej. Liczba cząsteczek rozpuszczalnika w pierwotnej powłoce solwatacyjnej nazywana jest liczbą koordynacyjną solwatacji, która zależy zarówno od natury rozpuszczalnika, jak i natury substancji rozpuszczonej. W skład wtórnej otoczki solwatacyjnej wchodzą cząsteczki rozpuszczalnika, które znajdują się w znacznie większych odległościach i wpływają na procesy zachodzące w roztworze dzięki oddziaływaniu z pierwotną otoczką 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 położenie w pobliżu i-tego jonu oraz w czystej wodzie, a Ei i E to energia aktywacji wymiany i energia aktywacji procesu samodyfuzji w wodzie. Wielkości te są ze sobą powiązane przybliżoną zależnością:
i/  exp(Ei/RT)
jeśli EI  0, i/  1 (wymiana cząsteczek wody najbliżej jonu następuje rzadziej (wolniej) niż wymiana między cząsteczkami w czystej wodzie) - nawodnienie dodatnie
jeśli EI  0, i/  1 (wymiana cząsteczek wody najbliżej jonu następuje częściej (szybciej) niż wymiana między cząsteczkami w czystej wodzie) - uwodnienie ujemne

Tak więc dla jonu litu EI = 1,7 kJ/mol, a dla cezu Ei= - 1,4 kJ/mol, tj. mały „twardy” jon litu utrzymuje cząsteczki wody silniej niż duży i „rozproszony” jon cezu o tym samym ładunku. Stabilność termodynamiczna utworzonych solwatów jest określona przez zmianę energii Gibbsa podczas solwatacji (solvG) = (solvH) - T(solvS). Im bardziej ujemna ta wartość, tym stabilniejszy solwat. Zasadniczo określają to ujemne wartości entalpii solwatacji.
Pojęcie rozwiązań i teorie rozwiązań. Prawdziwe rozwiązania uzyskuje się spontanicznie, gdy dwie lub więcej substancji wchodzą w kontakt, ze względu na zniszczenie wiązań między cząstkami jednego typu i utworzenie wiązań innego typu oraz rozmieszczenie substancji w całej objętości na skutek dyfuzji. Zgodnie z ich właściwościami roztwory dzielą się na idealne i rzeczywiste, roztwory elektrolitów i nieelektrolitów, rozcieńczone i stężone, nienasycone, nasycone i przesycone. Właściwości rastrów zależą od charakteru i wielkości MMW. Oddziaływania te mogą mieć charakter fizyczny (siły van der Waalsa) i złożony charakter fizykochemiczny (wiązanie wodorowe, wiązanie jonowo-cząsteczkowe, kompleksy przenoszenia ładunku itp.). Proces tworzenia roztworów charakteryzuje się równoczesną manifestacją sił przyciągania i odpychania pomiędzy oddziałującymi cząstkami. Przy braku sił odpychania cząstki łączyłyby się (sklejały) i płyny mogłyby być ściskane w nieskończoność, przy braku sił przyciągania niemożliwe byłoby uzyskanie cieczy lub ciał stałych. W poprzednim wykładzie rozważaliśmy fizykochemiczne teorie roztworów.
Stworzenie jednolitej teorii rozwiązań napotyka jednak znaczne trudności i obecnie jeszcze nie powstała, choć badania prowadzone są przy użyciu najnowocześniejszych metod mechaniki kwantowej, termodynamiki i fizyki statystycznej, chemii krystalicznej, dyfrakcji rentgenowskiej analiza, metody optyczne i metody NMR. pole reaktywne. Kontynuując rozważania na temat sił oddziaływań międzycząsteczkowych, rozważymy pojęcie „pola reaktywnego”, które jest ważne dla zrozumienia struktury i struktury mediów skondensowanych i gazów rzeczywistych, w szczególności stanu ciekłego, a co za tym idzie całości chemia fizyczna roztworów ciekłych.
Pole reaktywne powstaje w mieszaninach cząsteczek polarnych i niepolarnych, na przykład dla mieszanin węglowodorów i kwasów naftenowych. Cząsteczki polarne działają przez pole o określonej symetrii (symetrię pola określa symetria wolnych orbitali molekularnych) i siły H na molekuły niepolarne. Te ostatnie są spolaryzowane w wyniku separacji ładunków, co prowadzi do pojawienia się (indukcji) dipola. Z kolei cząsteczka z indukowanym dipolem działa na cząsteczkę polarną, zmieniając jej pole elektromagnetyczne, tj. wzbudza pole reaktywne (odpowiedź). Pojawienie się pola reaktywnego prowadzi do wzrostu energii oddziaływania cząstek, co wyraża się tworzeniem silnych powłok solwatacyjnych dla cząsteczek polarnych w mieszaninie cząsteczek polarnych i niepolarnych.
Energia bierna pola obliczana jest według wzoru: gdzie:
znak "-" - określa przyciąganie cząsteczek
S - statyczna przepuszczalność elektryczna
nieograniczony jest przenikalność spowodowana elektronową i atomową polaryzowalnością cząsteczek
NA - numer Avogadro
VM to objętość zajmowana przez 1 mol substancji polarnej w izotropowej cieczy v = moment dipolowy
ER to energia 1 mola substancji polarnej w roztworze
Pojęcie „pola reaktywnego” pozwoli nam lepiej zrozumieć strukturę czystych cieczy i roztworów. Podejście kwantowo-chemiczne do badania pola reaktywnego zostało opracowane w pracach M.V. L. Ya Karpova Tak więc problem stanu ciekłego czeka na młodych badaczy. Ty i karty w twoich rękach.