В задачах по данному разделу подчеркивают главным образом мысль о том, что молекулы в газах расположены на больших расстояниях, чем в жидкостях и твердых телах, силы притяжения между ними незначительны и потому газы занимают большой объем. (Аналогичное утверждение в отношении жидкостей и твердых тел, вообще говоря, неверно. Для твердых тел огромное значение имеет также порядок расположения молекул.)

Второе понятие, которое формируют в VI классе при решении задач по данному разделу, - различие в характере движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

58(э). Передвигая с помощью палочки пробку в картофельном пистолете (рис. 14), наблюдайте за уменьшением объема воздуха. Проделайте аналогичный опыт, наполняя трубку водой. Объясните разницу в сжимаемости воды и воздуха на основе молекулярного строения веществ.

59. Как объяснить, что пар, получившийся при кипении воды, занимает примерно в 1700 раз больший объем, чем вода при температуре кипения?

Ответ. Молекулы пара расположены на столь больших расстояниях друг от друга, что силы притяжения между ними незначительны и поэтому не могут вызвать конденсацию пара при данной температуре (при данной скорости движения молекул).

60(э). В метровую стеклянную трубку налейте до половины воды, а сверху спирта и затем перемешайте их. Как изменился объем жидкости после этого? Объясните почему.

Ответ. Общий объем уменьшился в результате более плот ной упаковки молекул.

61. Ученый Бриджмен с огромной силой сжимал в стальном цилиндре масло. Как объяснить, что частички масла выступали на внешних стенках цилиндра, хотя в них не было трещин?

62. Если прижать друг к другу пластинки свинца и золота, то через некоторое время в золоте можно обнаружить молекулы свинца, а в свинце - молекулы золота. Объясните почему.

Решение задач 61 и 62. В твердых телах и жидкостях между молекулами, несмотря на их плотную упаковку, есть небольшие промежутки. Молекулы совершают движения в первую очередь колебательные. Картина напоминает людей в наполненном автобусе, которые, несмотря на тесноту, перемещаются, меняясь местами друг с другом или проходя в случайно образовавшиеся проходы.

63(э). Рассмотрите пластинку слюды и расщепите ее на более тонкие листочки. Разбейте и рассмотрите кусочки крупной поваренной соли. Как на основе молекулярного строения вещества можно объяснить неодинаковые свойства слюды и соли по разным направлениям?

64(э). Разбейте кусок вара и объясните, почему на изломе всегда образуется гладкая поверхность.

Ответ. Вар - загустевшая жидкость, поэтому его молекулы не образуют правильно чередующихся слоев, как в кристаллическом теле.

Вся неживая материя состоит из частиц, поведение которых может отличаться. Строение газообразных, жидких и твердых тел имеет свои особенности. Частицы в твердых телах удерживаются вместе, так как расположены очень тесно друг к другу, это делает их очень прочными. Кроме того, они могут держать определенную форму, так как их мельчайшие частицы практически не двигаются, а только вибрируют. Молекулы в жидкостях находятся довольно близко друг к другу, однако они могут свободно передвигаться, поэтому собственной формы они не имеют. Частицы в газах движутся очень быстро, вокруг них, как правило, много пространства, что предполагает их легкое сжатие.

Свойства и строение твердых тел

Какова структура и особенности строения твердых тел? Они состоят из частиц, которые расположены очень близко друг к другу. Они не могут перемещаться, и поэтому их форма остается фиксированной. Каковы свойства твердого тела? Оно не сжимается, но если его нагреть, то его объем будет увеличиваться с ростом температуры. Это происходит потому, что частицы начинают вибрировать и двигаться, что приводит к уменьшению плотности.

Одной из особенностей твердых тел является то, что они имеют неизменную форму. Когда твердое тело нагревается, движения частиц увеличивается. Быстрее движущиеся частицы сталкиваются более яростно, заставляя каждую частицу толкать своих соседей. Следовательно, повышение температуры обычно приводит к повышению прочности тела.

Кристаллическое строение твердых тел

Межмолекулярные силы взаимодействия между соседними молекулами твердого тела достаточно сильны, чтобы держать их в фиксированном положении. Если эти мельчайшие частицы находятся в высокоупорядоченной комплектации, то такие структуры принято называть кристаллическими. Вопросами внутренней упорядоченности частиц (атомов, ионов, молекул) элемента или соединения занимается специальная наука - кристаллография.

Твердого тела также вызывает особый интерес. Изучая поведение частиц, того, как они устроены, химики могут объяснить и предсказать, как определенные виды материалов будут себя вести при определенных условиях. Мельчайшие частицы твердого тела расположены в виде решетки. Это так называемое регулярное расположение частиц, где немаловажное значение играют различные химические связи между ними.

Зонная теория строения твердого тела рассматривает как совокупность атомов, каждый их которых, в свою очередь, состоит из ядра и электронов. В кристаллическом строении ядра атомов находятся в узелках кристаллической решетки, для которой характерна определенная пространственная периодичность.

Что такое структура жидкости?

Строение твердых тел и жидкостей схоже тем, что частицы, из которых они состоят, находятся на близком расстоянии. Различие состоит в том, что молекулы свободно перемещаются, так как сила притяжения между ними гораздо слабее, нежели в твердом теле.

Какими же свойствами обладает жидкость? Во-первых, это текучесть, во-вторых, жидкость будет принимать форму контейнера, в который ее помещают. Если ее нагреть, объем будет увеличиваться. Из-за близкого расположения частиц друг к другу жидкость не может быть сжата.

Какова структура и строение газообразных тел?

Частицы газа располагаются случайным образом, они находятся так далеко друг от друга, что между ними не может возникнуть сила притяжения. Какими свойствами обладает газ и каково строение газообразных тел? Как правило, газ равномерно заполняет все пространство, в которое он был помещен. Он легко сжимается. Скорость частиц газообразного тела увеличивается вместе с ростом температуры. При этом происходит также повышение давления.

Строение газообразных, жидких и твердых тел характеризуется разными расстояниями между мельчайшими частицами этих веществ. Частицы газа находятся гораздо дальше друг от друга, чем в твердом или жидком состоянии. В воздухе, например, среднее расстояние между частицами примерно в десять раз превышает диаметр каждой частицы. Таким образом, объем молекул занимает всего около 0,1 % от общего объема. Остальные 99,9 % составляет пустое пространство. В противоположность этому частицы жидкости заполняют около 70 % общего объема жидкости.

Каждая частица газа движется свободно по прямолинейному пути, пока она не столкнется с другой частицей (газа, жидкости или твердого тела). Частицы обычно движутся достаточно быстро, а после того как две из них сталкиваются, они отскакивают друг от друга и продолжают свой путь в одиночку. Эти столкновения меняют направление и скорость. Эти свойства газовых частиц позволяют газам расширяться, чтобы заполнить любую форму или объем.

Изменение состояния

Строение газообразных, жидких и твердых тел может меняться, если на них оказывается определенное внешнее воздействие. Они могут даже переходить в состояния друг друга при определенных условиях, например в процессе нагревания или охлаждения.

• Испарение. Строение и свойства жидких тел позволяют им при определенных условиях переходить в совершенно другое физическое состояние. Например, случайно пролив бензин при заправке автомобиля, можно довольно быстро почувствовать его резкий запах. Как это происходит? Частицы двигаются по всей жидкости, в итоге определенная их часть достигает поверхности. Их направленное движение может вынести эти молекулы за пределы поверхности в пространство над жидкостью, но притяжение будет затягивать их обратно. С другой стороны, если частица движется очень быстро, она может оторваться от других на приличное расстояние. Таким образом, при увеличении скорости частиц, которое случается обычно при нагревании, происходит процесс испарения, то есть преобразования жидкости в газ.

Поведение тел в разных физических состояниях

Строение газов, жидкостей, твердых тел главным образом обусловлено тем, что все эти вещества состоят из атомов, молекул или ионов, однако поведение этих частиц может быть совершенно разным. Частицы газа хаотичным образом удалены друг от друга, молекулы жидкости находятся близко друг к другу, но они не так жестко структурированы, как в твердом теле. Частицы газа вибрируют и передвигаются на высоких скоростях. Атомы и молекулы жидкости вибрируют, перемещаются и скользят мимо друг друга. Частицы твердого тела также могут вибрировать, но движение как таковое для них не свойственно.

Особенности внутренней структуры

Для того чтобы понять поведение материи, нужно сначала изучить особенности ее внутренней структуры. Каковы внутренние различия между гранитом, оливковым маслом и гелием в воздушном шарике? Простая модель структуры материи поможет найти ответ на этот вопрос.

Модель является упрощенным вариантом реального предмета или вещества. Например, до того как начинается непосредственное строительство, архитекторы сначала конструируют модель строительного проекта. Такая упрощенная модель не обязательно предполагает точное описание, но в то же время она может дать приблизительное представление того, что будет собой представлять та или иная структура.

Упрощенные модели

В науке, однако, моделями не всегда выступают физические тела. За последнее столетие наблюдался значительный рост человеческого понимания о физическом мире. Однако большая часть накопленных знаний и опыта основана на чрезвычайно сложных представлениях, например в виде математических, химических и физических формул.

Для того чтобы разобраться во всем этом, нужно быть достаточно хорошо подкованным в этих точных и сложнейших науках. Ученые разработали упрощенные модели для визуализации, объяснения и предсказания физических явлений. Все это значительным образом упрощает понимание того, почему некоторые тела имеют постоянную форму и объем при определенной температуре, а другие могут их менять и так далее.

Вся материя состоит из мельчайших частиц. Эти частицы находятся в постоянном движении. Объем движения связан с температурой. Повышенная температура свидетельствует об увеличении скорости движения. Строение газообразных, жидких и твердых тел отличается свободой передвижения их частиц, а также тем, насколько сильно частицы притягиваются друг к другу. Физические зависят от его физического состояния. Водяной пар, жидкая вода и лед имеют одинаковые химические свойства, но их физические свойства значительно отличаются.

Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближний порядок в расположении молекул (упорядоченное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к 1 малой сжимаемости жидкостей: небольшое уменьшение расстоя­ния между молекулами вызывает появление больших сил межмолекулярного отталкивания.

Подобно твердым телам, жидкости мало сжимаемы и обладают большой плотностью, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. В газах молекулы движутся беспорядочно, на малых отрезках пути - поступательно, в расположении частиц отсутствует какой-либо порядок. В кристаллических телах частицы колеблются около определенных положений равновесия - узлов кристаллической решетки. По теории Я. И. Френкеля молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.

Вычислим среднее расстояние между молекулами жидкости. Можно мысленно представить весь объем жидкости разделенным на небольшие одинаковые кубики с ребром 8. Пусть в среднем в каждом кубике находится одна молекула. В этом случае 5 можно рассматривать как среднее расстояние между молекулами жидкости. Объем жидкости равен V = δ 3 N, где N - общее количество молекул жидкости. Если n - концентрация молекул (количество молекул в 1 м 3), то N = nV. Из этих уравнений получаем

Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного по­ложения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окру­жавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседя­ми. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Е а (энергии активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое яв­ляется переходом через потенциальный барьер высотой Е а. Энергию для преодоления потенциального барьера молекула по­лучает за счет энергии теплового движения соседних молекул. За­висимость времени релаксации от температуры жидкости и энер­гии активации выражается формулой, вытекающей из распреде­ления Больцмана (см. § 2.4).

Где τ 0 - средний период колебаний молекулы около положения равновесия.

Зная среднее перемещение молекулы, равное расстоянию меж­ду молекулами δ, и среднее время τ, можно определить среднюю скорость движения молекул в жидкости:

Эта скорость мала по сравнению со средней скоростью движе­ния молекул в газе. Так, например, для молекул воды она в 20 раз меньше, чем для молекул пара при той же температуре.

Поверхностное натяжение

На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела воз­никают силы, обусловленные различным межмолекулярным вза­имодействием граничащих сред.

Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднород­ности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости. Поэтому для переме­щения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.

Поверхностное натяжение (коэффициент поверхностного натяжения) определяется от­ношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при посто­янной температуре, к площади этой поверхности:

Условием устойчивого равновесия жидкостей является мини­мум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внеш­них сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь Минимальную площадь поверхности при данном объеме и прини­мает форму шара.

Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сокра­титься означает наличие в этом слое касательных сил - сил по­верхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жид­кости некоторый отрезок длиной l (рис. 7.8), то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.

Прежде всего следует еще раз подчеркнуть, что газ, жидкость и твердое тело представляют собой агрегатные состояния вещества и в этом смысле между ними нет непреодолимого различия: всякое вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в любом из агрегатных состояний. Вместе с тем между газообразным, жидким и твердым телами имеются существенные различия. Поскольку у твердых и жидких тел есть много общих свойств, имеет смысл рассматривать в нашем курсе эти два агрегатных состояния совместно.

Существенное различие между газом с одной стороны и твердым и жидким телами с другой стороны состоит в том, что газ занимает весь предоставленный ему объем сосуда, тогда как жидкость или твердое тело, помещенные в сосуд, занимают в нем лишь вполне определенный объем. Это обусловлено различием в характере теплового движения в газах и в твердых и жидких телах.

Молекулы газа практически не связаны между собой межмолекулярными силами (см. §35). Во всяком случае средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии обусловленной силами сцепления между ними Поэтому молекулы газа совершают сравнительно большие свободные пробеги, «разлетаясь» друг от друга так далеко, как позволяет размер сосуда, и занимая весь его обьем. В соответствии с этим диффузия в газах протекает достаточно быстро.

В твердых и жидких телах силы сцепления между молекулами (атомами, ионами) играют уже существенную роль, удерживая их на определенных расстояниях друг от друга (см. § 35, рис. 67, а). В этих телах средняя потенциальная энергия, обусловленная силами сцепления между молекулами, больше средней кинетической энергии теплового движения молекул Иначе говоря, в среднем кинетическая энергия молекул недостаточна для преодоления сил притяжения между ними.

Благодаря плотной «упаковке» молекул в жидкости они уже не совершают свободных пробегов, а как бы «толкутся» на месте (колеблются около некоторого положения равновесия). Лишь время от времени молекула вследствие благоприятной комбинации столкновений может перейти на новое место на расстояние, сравнимое с размером самой молекулы. Естественно, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах.

В твердом теле частицы (молекулы, атомы, ионы) расположены в геометрически строго определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. Частицы совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Переходы частиц с места на место в твердом теле возможны, но весьма редки. Поэтому, хотя диффузия существует и в твердых телах, она протекает здесь еще медленнее, чем в жидкостях.

Физическую сущность различия между твердым, жидким и газообразным состояниями вещества можно еще нагляднее объяснить с помощью потенциальной кривой взаимодействия молекул, с которой мы уже знакомились в § 35 (см. рис. 67, б). Воспроизведем эту кривую с некоторыми дополнениями (рис. 93).

По оси ординат отложены значения потенциальной энергии взаимодействия молекул, по оси абсцисс - расстояния между молекулами. Значения средней кинетической энергии теплового движения молекул будем для удобства сравнения откладывать от уровня дна В потенциальной ямы.

Если средняя кинетическая энергия теплового движения молекул значительно меньше глубины потенциальной ямы то молекулы совершают небольшие колебания, оставаясь в нижней части потенциальной ямы (ниже уровня Этот случай соответствует твердому состоянию вещества.

Если средняя кинетическая энергия теплового движения молекул немного меньше глубины потенциальной ямы то молекулы совершают значительные колебательные движения, но все останутся в пределах потенциальной ямы. Этот случай соответствует жидкому состоянию вещества.

Если же средняя кинетическая энергия теплового движения молекул значительно больше глубины потенциальной ямы то молекулы вырвутся из нее и, утеряв взаимосвязь, будут двигаться свободно (совершать свободные пробеги). Этот случай соответствует газообразному состоянию вещества.

Таким образом, существенное различие между газом с одной стороны и твердым и жидким телами с другой стороны обусловлено тем что у молекул газа значение средней кинетической энергии теплового движения больше глубины потенциальной ямы, а у молекул твердого и жидкого тел - меньше глубины потенциальной ямы.

Благодаря тому что молекулы твердого тела связаны между собой прочнее, чем молекулы жидкости, для твердого тела в отличие от жидкости характерно постоянство не только объема, но и формы. Рассмотрим несколько подробнее вопрос о кристаллическом строении твердого тела.

Характерным внешним признаком кристалла является его геометрически правильная форма (рис. 94). Так, например, кристалл поваренной соли имеет форму куба (а), кристалл льда - форму шестигранной призмы кристалл алмаза - форму октаэдра (восьмигранника, в) и т. д. У каждого кристаллического вещества угол между ограничивающими его поверхностями (гранями) имеет строго

определенное значение (у поваренной соли - 90°, у льда - 120° и т. п.). Кристаллы легко раскалываются по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности. При этом получаются кристаллики меньшего размера, но той же формы. Так, при дроблении кристалла поваренной соли образуются мелкие кубики и прямоугольные параллелепипеды.

Отмеченные факты навели в свое время на мысль о том, что кристаллическое тело построено из элементарных ячеек (кубиков, или шестигранных призм, или октаэдров и т. п. плотно приложенных друг к другу. А это означает, что в кристаллическом теле частицы (молекулы или атомы, или ионы) расположены в строго симметричном порядке относительно друг друга, образуя пространственную, или кристаллическую, решетку; места расположения частиц называются узлами решетки.

Эта гипотеза была высказана в 1848 г. французским кристаллографом Браве.

Примером простейшей пространственной решетки может служить кристаллическая решетка поваренной соли (рис. 95, а). Ее элементарная ячейка с ребром а (выделена на рисунке полужирными линиями) образована положительными ионами натрия и отрицательными ионами хлора, расположенными в вершинах куба.

Формы пространственных решеток могут быть разнообразными, но не любыми: необходимо, чтобы элементарные ячейки, составляющие решетку, вплотную, без зазоров прикладывались друг к другу, что соответствует минимуму потенциальной энергии решетки. Требуемым образом можно, например, уложить кубические ячейки и ячейки в виде шестигранных призм (рис. 95, б и в), но нельзя уложить ячейки в виде пятигранных призм (рис. 95, г).

В 1890 г. Е. С. Федоров теоретически рассчитал все возможные формы кристаллических решеток, ячейки которых допускают плотную упаковку, и установил, что в природе может существовать только 230 различных видов кристаллических решеток, образующих 32 класса симметрии. Проведенные в текущем столетии исследования кристаллов с помощью рентгеновских лучей (см. § 125) подтвердили, что кристаллы состоят из симметрично расположенных частиц (атомов, или молекул, или ионов), образующих кристаллическую решетку. Причем рентгеноструктурным анализом большого количества естественных и искусственных кристаллов было обнаружено только 230 различных видов кристаллических решеток - полное соответствие с теоретическими расчетами Е. С. Федорова.

Симметричность расположения частиц в кристаллической решетке обусловлена тем, что в этом случае силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) между частицами уравновешиваются (см. § 35). При этом потенциальная энергия частиц минимальна.

Расстояния между частицами в кристалле малы - порядка размера самих частиц . Такого же порядка и расстояние между молекулами в жидкости, поскольку, как известно, при плавлении кристалла не происходит существенного увеличения его объема.

Замечательной особенностью кристалла является его анизотропия; в различных направлениях кристалл обладает различными физическими свойствами. Так, например, всем без исключения кристаллам присуща анизотропия прочности; подавляющее большинство кристаллов анизотропно в отношении теплопроводности, электропроводности, лучепреломления и т. п. Анизотропия кристаллов объясняется в основном тем, что в пространственной решетке оказывается различным число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но различные по направлению отрезки, как это показано на рис. 96 (на горизонтальном отрезке решетки 8 частиц, на наклонном - 6 частиц, на другом наклонном - 3 частицы). Понятно, что различие в плотности расположения частиц кристаллической решетки по различным направлениям должно приводить и к различию во многих других свойствах по этим направлениям кристалла.

Кристаллическое состояние весьма распространено в природе: большинство твердых тел (минералы, металлы, растительные волокна, белковые вещества, сажа, резина и т. д.) являются кристаллами. Однако не у всех этих тел одинаково отчетливо выражены рассмотренные ранее кристаллические свойства. В этом отношении тела подразделяют на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристалл - тело, все частицы которого укладываются в одну общую пространственную решетку. Монокристалл анизотропен. Монокристаллами

является большинство минералов. Поликристалл - тело, состоящее из множества мелких монокристалликов, беспорядочно расположенных друг относительно друга. Поэтому поликристаллы изотропны, т. е. обладают одинаковыми физическими свойствами по всем направлением. Примером поликристаллов могут служить металлы. Однако металл можно получить и в виде монокристалла, если обеспечить медленное охлаждение расплава, предварительно введя в него один кристаллик данного металла (так называемый зародыш). Вокруг этого зародыша и будет расти металлический монокристалл.

В зависимости от того, из каких именно частиц образована кристаллическая решетка, различают четыре основных группы решеток: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

Ионная решетка образована разноименно заряженными ионами, удерживающимися в узлах решетки электрическими силами. Ионную решетку имеет подавляющее большинство кристаллов.

Атомная решетка образована нейтральными атомами, удерживающимися в узлах решетки химическими (валентными) связями: у соседних атомов обобществлены внешние (валентные) электроны. Атомную решетку имеет, например, графит.

Молекулярная решетка образована полярными (дипольными) молекулами (см. § 81), удерживающимися в узлах решетки также электрическими силами. Однако для полярных молекул действие этих сил сказывается слабее, чем для ионов. Поэтому вещества с молекулярной решеткой сравнительно легко деформируются. Молекулярную кристаллическую решетку имеет большинство органических соединений (целлюлоза, резина, парафин и т. п.).

Металлическая решетка образована положительными ионами металла, окруженными свободными электронами. Эти электроны и связывают между собой ионы металлической решетки. Такая решетка свойственна металлам.

Современная физика считает твердыми телами именно кристаллические тела. Жидкостям, как уже отмечалось, свойственно беспорядочное расположение частиц, поэтому жидкости изотропны. Некоторые жидкости могут быть сильно переохлаждены, не переходя при этом в твердое (кристаллическое) состояние. Однако вязкость таких жидкостей столь огромна, что они практически теряют текучесть, сохраняя, как и твердые тела, свою форму. Подобные тела называются аморфными. Таким образом, современная физика считает аморфные тела переохлажденными жидкостями, обладающими огромной вязкостью. К аморфным телам относятся, например, вар, стекло, смола-канифоль и т. п. Понятно, что аморфные тела изотропны. Следует, однако, иметь в виду, что аморфные тела могут с течением времени (длительного) переходить в кристаллическое состояние. В стекле, например, с течением времени появляются кристаллики: оно начинает мутнеть, превращаться в поликристаллическое тело.

В последнее время в технике широкое распространение получили органические аморфные вещества, отдельные молекулы которых

благодаря химическим (валентным) связям соединяются друг с другом (полимеризуются) в длинные цепочки, состоящие в некоторых случаях из многих тысяч отдельных молекул. Такие вещества называются полимерами Типичным представителем полимера являются пластмассы. Очень ценным свойством полимеров является их высокая эластичность и прочность. Некоторые полимеры, например, выдерживают упругое растяжение, в 2-5 раз превышающее их первоначальную длину. Эти свойства полимера объясняются тем, что длинные молекулярные цепочки могут при деформации сворачиваться в плотные клубки или наоборот, вытягиваться в прямые линии. В настоящее время из естественных и искусственных органических соединений создают полимеры с самыми разнообразными наперед заданными свойствами.

Особенности молекулярного строения жидкостей

Жидкость занимает по свойствам и строению промежуточное положение между газами и твердыми кристаллическими веществами. Поэтому обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. В молекулярно-кинетической теории различные агрегатные состояния вещества связывают с различной степенью упорядоченности молекул. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимы с межатомными. При температурах, близких к температуре кристаллизации, структура жидкости близка к твердому телу. При высоких температурах, близких к температуре кипения, структура жидкости соответствует газообразному состоянию – практически все молекулы участвуют в хаотическом тепловом движении.

Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, и в данном случае средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Давление в жидкостях с увеличением температуры и уменьшением объема возрастает весьма резко. Объемное расширение жидкостей гораздо меньше, чем паров и газов, так как более значительны силы, связывающие молекулы в жидкости; то же замечание касается теплового расширения.

Теплоемкости жидкостей обычно растут с температурой (хотя и незначительно). Отношение С р /С V практически равно единице.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я.И. Френкелю (1894–1952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул.

На основе модели Френкеля можно объяснить некоторые отличительные особенности свойств жидкости. Так, жидкости даже вблизи критической температуры обладают гораздо большей вязкостью , чем газы, и вязкость с ростом температуры уменьшается (а не растет, как у газов). Объясняется это иным характером процесса передачи импульса: он передается молекулами, совершающими перескок из одного равновесного состояния в другое, а эти перескоки с ростом температуры существенно учащаются. Диффузия в жидкостях происходит только за счет перескоков молекул, и она происходит гораздо медленнее, чем в газах. Теплопроводность жидкостей обусловлена обменом кинетической энергии между частицами, колеблющимися около своих положений равновесия с различными амплитудами; резкие перескоки молекул заметной роли не играют. Механизм теплопроводности похож на механизм ее в газах. Характерной особенностью жидкости является ее способность иметь свободную поверхность (не ограниченную твердыми стенками).

Было предложено несколько теорий молекулярного строения жидкостей.

1. Зонная модель. В данный момент времени жидкость можно рассматривать как состоящую из областей, где молекулы расположены в правильном порядке, образуя своего рода микрокристалл (зона). Эти области как бы разделены веществом, находящимся в газообразном состоянии. С течением времени эти области образуются в других местах и т.д.

2. Теория квазикристаллического строения. Рассмотрим кристалл, находящийся при абсолютном нуле температуры (см. рис.9.9.)

Выделим в нем произвольное направление и построим график зависимости вероятности Р нахождения молекулы газа на некотором расстоянии от другой молекулы, помещенной в начале координат (рис. 9.9. а ), при этом молекулы находятся в узлах кристаллической решетки. При более высокой температуре (рис.9.9, б ) молекулы колеблются вокруг неподвижных положений равновесия, вблизи которых и проводят большую часть времени. Строгая периодичность повторения максимумов вероятности в идеальном кристалле распространяется сколь угодно далеко от выбранной частицы; поэтому принято говорить, что в твердом теле существует «дальний порядок».

В случае жидкости (рис.9.9, в ) вблизи каждой молекулы ее соседки расположены более или менее закономерно, но вдали этот порядок нарушается (ближний порядок). На графике расстояния измерены в долях радиуса молекулы (r/r 0).