Problemi u ovom dijelu uglavnom naglašavaju ideju da se molekule u plinovima nalaze na većim udaljenostima nego u tekućinama i čvrste tvari ah, sile privlačenja između njih su neznatne i stoga plinovi zauzimaju veliki volumen. (Slična izjava s obzirom na tekućine i krute tvari je, općenito govoreći, netočna. Za krute tvari velika vrijednost također ima raspored molekula.)
Drugi koncept koji se formira u VI razredu pri rješavanju zadataka iz ovog odjeljka je razlika u prirodi kretanja molekula u plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima.
58(e). Pomicanjem čepa u pištolju za krumpir štapom (slika 14) promatrajte smanjenje volumena zraka. Napravite isti pokus, napunite cijev vodom. Objasnite razliku u stišljivosti između vode i zraka na temelju molekularne strukture tvari.
59. Kako objasniti da para proizvedena kipućom vodom zauzima oko 1700 puta veći volumen od vode na vrelištu?
Odgovor. Molekule pare nalaze se na tako velikim udaljenostima jedna od druge da su privlačne sile između njih neznatne i stoga ne mogu uzrokovati kondenzaciju pare pri danoj temperaturi (pri datoj molekularnoj brzini).
60(e). Ulijte pola vode u staklenu cijev od metar, a na vrh alkohol i zatim ih pomiješajte. Kako se nakon toga promijenio volumen tekućine? Objasni zašto.
Odgovor. Ukupni volumen se smanjio kao rezultat gušćeg pakiranja molekula.
61. Znanstvenik Bridgman velikom je snagom istisnuo ulje u čelični cilindar. Kako objasniti da su čestice ulja stršile na vanjskim stijenkama cilindra, iako u njima nije bilo pukotina?
62. Ako ploče olova i zlata pritisnete zajedno, onda nakon nekog vremena možete pronaći molekule olova u zlatu, a molekule zlata u olovu. Objasni zašto.
Rješenje zadataka 61 i 62. U krutim tvarima i tekućinama postoje male praznine između molekula, unatoč njihovom gustom pakiranju. Molekule se kreću prvenstveno vibracijom. Slika podsjeća na ljude u prepunom autobusu, koji se, unatoč tijesnosti, kreću, mijenjajući mjesta jedni s drugima ili prolazeći kroz nasumično formirane prolaze.
63(e). Pregledajte ploču liskuna i razdvojite je na tanje listove. Razbijte i pregledajte komade velikog stolna sol. Kako se na temelju molekularne strukture tvari mogu objasniti nejednaka svojstva tinjca i soli u različitim smjerovima?
64(e). Razbijte dio smole i objasnite zašto prekid uvijek daje glatku površinu.
Odgovor. Var je zgusnuta tekućina, stoga njezine molekule ne tvore pravilno izmjenične slojeve, kao u kristalnom tijelu.
Sva neživa tvar se sastoji od čestica čije se ponašanje može razlikovati. Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela ima svoje karakteristike. Čestice u čvrstim tvarima se drže zajedno jer su vrlo blizu jedna drugoj, što ih čini vrlo jakima. Osim toga, mogu zadržati određeni oblik, budući da se njihove najmanje čestice praktički ne pomiču, već samo vibriraju. Molekule u tekućinama su prilično blizu jedna drugoj, ali se mogu slobodno kretati pa nemaju svoj oblik. Čestice u plinovima kreću se vrlo brzo, a oko njih obično ima dosta prostora, što sugerira da se lako stlače.
Svojstva i struktura čvrstih tijela
Koja je građa i značajke strukture čvrstih tijela? Sastoje se od čestica koje su vrlo blizu jedna drugoj. Ne mogu se pomicati i stoga njihov oblik ostaje fiksiran. Koja su svojstva čvrstog tijela? Ne skuplja se, ali ako se zagrijava, njegov volumen će se povećavati s povećanjem temperature. To je zato što čestice počinju vibrirati i kretati se, što dovodi do smanjenja gustoće.
Jedna od značajki čvrstih tijela je da imaju fiksni oblik. Kada se krutina zagrije, kretanje čestica se povećava. Brže pokretne čestice sudaraju se jače, uzrokujući da svaka čestica gura svoje susjede. Stoga povećanje temperature obično dovodi do povećanja snage tijela.
Kristalna struktura čvrstih tijela
Intermolekularne sile interakcije između susjednih molekula čvrste tvari dovoljno su jake da ih drže u fiksnom položaju. Ako su te najmanje čestice u visoko uređenoj konfiguraciji, tada se takve strukture obično nazivaju kristalnim. Unutarnjim uređenjem čestica (atoma, iona, molekula) elementa ili spoja bavi se posebna znanost - kristalografija.
Čvrsto stanje također je od posebnog interesa. Proučavajući ponašanje čestica, kako su raspoređene, kemičari mogu objasniti i predvidjeti kako određene vrste materijali će se ponašati pod određenim uvjetima. Najmanje čestice čvrstog tijela raspoređene su u obliku rešetke. Riječ je o takozvanom pravilnom rasporedu čestica, pri čemu važnu ulogu imaju različite kemijske veze među njima.
Tračna teorija strukture čvrstog tijela smatra ga skupom atoma, od kojih se svaki, pak, sastoji od jezgre i elektrona. U kristalnoj strukturi, jezgre atoma nalaze se u čvorovima kristalne rešetke, koju karakterizira određena prostorna periodičnost.
Kakva je struktura tekućine?
Struktura čvrstih tijela i tekućina slična je po tome što se čestice od kojih se sastoje nalaze na bliskoj udaljenosti. Razlika je u tome što se molekule slobodno kreću, budući da je sila privlačenja među njima mnogo slabija nego u krutom tijelu.
Koja su svojstva tekućine? Prvo, to je fluidnost, a drugo, tekućina će poprimiti oblik posude u koju se nalazi. Ako se zagrije, volumen će se povećati. Zbog blizine čestica jedna drugoj, tekućina se ne može komprimirati.
Kakva je građa i građa plinovitih tijela?
Čestice plina su nasumično raspoređene, toliko su udaljene jedna od druge da među njima ne može postojati privlačna sila. Koja svojstva ima plin i kakva je građa plinovitih tijela? Plin u pravilu jednoliko ispunjava cijeli prostor u kojem je postavljen. Lako se komprimira. Brzina čestica plinovitog tijela raste s porastom temperature. Istodobno dolazi i do povećanja tlaka.
Strukturu plinovitih, tekućih i čvrstih tijela karakteriziraju različite udaljenosti između najmanjih čestica tih tvari. Čestice plina su mnogo udaljenije nego u čvrstom ili tekućem stanju. U zraku, na primjer, prosječna udaljenost između čestica je oko deset puta veća od promjera svake čestice. Dakle, volumen molekula zauzima samo oko 0,1% ukupnog volumena. Preostalih 99,9% je prazan prostor. Nasuprot tome, čestice tekućine ispunjavaju oko 70% ukupnog volumena tekućine.
Svaka čestica plina slobodno se kreće ravnom putanjom sve dok se ne sudari s drugom česticom (plinom, tekućinom ili krutom tvari). Čestice se obično kreću dovoljno brzo da se nakon što se dvije od njih sudare, odbijaju jedna od druge i nastavljaju put same. Ovi sudari mijenjaju smjer i brzinu. Ova svojstva čestica plina omogućuju širenje plinova kako bi ispunili bilo koji oblik ili volumen.
Promjena države
Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela može se promijeniti ako se na njih izvrši određeni vanjski utjecaj. Oni se čak mogu mijenjati u jedno drugo stanje pod određenim uvjetima, kao što je tijekom grijanja ili hlađenja.
- Isparavanje. Struktura i svojstva tekućih tijela omogućuju im da, pod određenim uvjetima, prijeđu u potpuno drugačije fizičko stanje. Na primjer, ako slučajno prolijete benzin dok sipate gorivo u automobil, brzo ćete osjetiti njegov oštar miris. Kako se to događa? Čestice se kreću kroz tekućinu, kao rezultat toga, određeni dio njih dopire do površine. Njihovo usmjereno kretanje može odnijeti te molekule s površine u prostor iznad tekućine, ali će ih privlačnost povući natrag. S druge strane, ako se čestica kreće vrlo brzo, može se odvojiti od drugih na pristojnu udaljenost. Dakle, povećanjem brzine čestica, što se obično događa pri zagrijavanju, dolazi do procesa isparavanja, odnosno transformacije tekućine u plin.
Ponašanje tijela u različitim fizičkim stanjima
Struktura plinova, tekućina, krutih tvari uglavnom je posljedica činjenice da su sve te tvari sastavljene od atoma, molekula ili iona, no ponašanje tih čestica može biti potpuno drugačije. Čestice plina su kaotično udaljene jedna od druge, molekule tekućine su blizu jedna drugoj, ali nisu tako kruto strukturirane kao u krutini. Čestice plina vibriraju i kreću se velikom brzinom. Atomi i molekule tekućine vibriraju, kreću se i klize jedni pored drugih. Čestice čvrstog tijela također mogu vibrirati, ali kretanje kao takvo za njih nije svojstveno.
Značajke unutarnje strukture
Da bi se razumjelo ponašanje materije, prvo treba proučiti značajke njezine unutarnje strukture. Koje su unutarnje razlike između granita, maslinovo ulje a helij u balonu? Jednostavan model strukture materije pomoći će odgovoriti na ovo pitanje.
Model je pojednostavljena verzija stvarnog predmeta ili tvari. Na primjer, prije početka stvarne gradnje, arhitekti prvo izrađuju projekt izgradnje modela. Takav pojednostavljeni model ne podrazumijeva nužno točan opis, ali u isto vrijeme može dati grubu predodžbu o tome kakva će biti ova ili ona struktura.
Pojednostavljeni modeli
U znanosti, međutim, modeli nisu uvijek fizička tijela. U prošlom stoljeću došlo je do značajnog povećanja ljudskog razumijevanja fizičkog svijeta. Međutim, velik dio akumuliranog znanja i iskustva temelji se na iznimno složenim prikazima, na primjer u obliku matematičkih, kemijskih i fizikalnih formula.
Da biste sve ovo razumjeli, morate biti prilično upućeni u te egzaktne i složene znanosti. Znanstvenici su razvili pojednostavljene modele za vizualizaciju, objašnjenje i predviđanje fizičkih pojava. Sve to uvelike pojednostavljuje razumijevanje zašto neka tijela imaju stalan oblik i volumen na određenoj temperaturi, dok ih druga mogu mijenjati i tako dalje.
Sva materija je sastavljena od sićušnih čestica. Te su čestice u stalnom kretanju. Volumen kretanja povezan je s temperaturom. Povišena temperatura označava povećanje brzine. Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela razlikuje se po slobodi kretanja njihovih čestica, kao i po tome koliko su čestice snažno privučene jedna drugoj. Fizički ovisi o tome fizičko stanje. Vodena para, tekuća voda i led imaju isto Kemijska svojstva, ali se njihova fizička svojstva bitno razlikuju.
Obične tekućine su izotropne, strukturno su amorfna tijela. Za unutarnja struktura tekućine karakterizira poredak kratkog dometa u rasporedu molekula (uređeni raspored najbližih čestica). Udaljenosti između molekula su male, sile interakcije značajne, što dovodi do niske stišljivosti tekućina: malo smanjenje udaljenosti između molekula uzrokuje pojavu velikih međumolekularnih sila odbijanja.
Poput krutih tvari, tekućine su blago stišljive i imaju veliku gustoću; kao i plinovi, poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Ova priroda svojstava tekućina povezana je s osobitostima toplinskog gibanja njihovih molekula. U plinovima se molekule gibaju nasumično, na kratkim udaljenostima kreću naprijed, a u rasporedu čestica nema reda. U kristalnim tijelima čestice osciliraju oko određenih ravnotežnih položaja – čvorova kristalne rešetke. Prema teoriji Ya. I. Frenkela, molekule tekućine, kao i čestice čvrstog tijela, osciliraju oko ravnotežnih položaja, ali ti ravnotežni položaji nisu konstantni. Nakon nekog vremena, zvanog vrijeme "umirenog života", molekula skače u novi ravnotežni položaj na udaljenosti koja je jednaka prosječnoj udaljenosti između susjednih molekula.
Izračunajmo prosječnu udaljenost između tekućih molekula. Mentalno možete zamisliti cijeli volumen tekućine podijeljen na male identične kocke s rubom 8. Neka u svakoj kocki u prosjeku postoji jedna molekula. U ovom slučaju, 5 se može smatrati prosječnom udaljenosti između tekućih molekula. Volumen tekućine je V = δ 3 N, gdje je N ukupan broj molekula tekućine. Ako je n koncentracija molekula (broj molekula u 1 m 3), tada je N \u003d nV. Iz ovih jednadžbi dobivamo
Da bi molekula tekućine skočila iz jednog ravnotežnog položaja u drugi, veze s okolnim molekulama moraju se prekinuti i stvoriti veze s novim susjedima. Proces kidanja veza zahtijeva utrošak energije E a (aktivacijske energije) koja se oslobađa tijekom stvaranja novih veza. Takav prijelaz molekule iz jednog ravnotežnog položaja u drugi je prijelaz kroz potencijalnu barijeru visine E a. Molekula prima energiju za prevladavanje potencijalne barijere zbog energije toplinskog gibanja susjednih molekula. Ovisnost vremena relaksacije o temperaturi tekućine i energiji aktivacije izražena je formulom koja slijedi iz Boltzmannove raspodjele (vidi § 2.4).
Gdje je τ 0 prosječno razdoblje osciliranja molekule oko ravnotežnog položaja.
Poznavajući prosječni pomak molekule, koji je jednak udaljenosti između molekula δ, i prosječno vrijeme τ, možemo odrediti prosječnu brzinu kretanja molekula u tekućini:
Ova brzina je mala u usporedbi s prosječnom brzinom molekula u plinu. Tako je, na primjer, za molekule vode 20 puta manje nego za molekule pare na istoj temperaturi.
Površinska napetost
Na granici između tekućine i njezine zasićena para, dvije tekućine koje se ne miješaju, tekućina i čvrsto tijelo, sile nastaju zbog različitih međumolekularnih interakcija susjednih medija.
Svaka molekula koja se nalazi unutar volumena tekućine jednoliko je okružena susjednim molekulama i djeluje s njima, ali je rezultanta tih sila nula. Zbog nehomogenosti okoline, na molekulu koja se nalazi blizu granice dvaju medija djeluje sila koja nije kompenzirana drugim molekulama tekućine. Stoga, da bi se molekule premjestile iz volumena u površinski sloj, mora se obaviti posao.
Površinska napetost (koeficijent površinske napetosti) određuje se omjerom rada utrošenog na stvaranje određene površine tekućine pri konstantnoj temperaturi i površine ove površine:
Uvjet za stabilnu ravnotežu tekućina je minimalna energija površinskog sloja, stoga, u odsutnosti vanjskih sila ili u bestežinskom stanju, tekućina teži imati minimalnu površinu za dati volumen i poprima oblik lopta.
Površinska napetost se može odrediti ne samo energetski. Želja površinskog sloja tekućine da se skupi znači prisutnost tangencijalnih sila u ovom sloju – sila površinske napetosti. Ako odaberete segment duljine l na površini tekućine (slika 7.8), tada možete uvjetno prikazati ove sile strelicama okomitim na segment.
Prije svega, još jednom treba naglasiti da su plin, tekućina i kruto tijelo agregatna stanja tvari i u tom smislu među njima nema nepremostive razlike: svaka tvar, ovisno o temperaturi i tlaku, može biti u bilo kojem od agregatnih stanja. . Međutim, postoje značajne razlike između plinovitih, tekućih i čvrstih tijela. Budući da krute tvari i tekućine imaju mnoga zajednička svojstva, ima smisla razmotriti ova dva agregatna stanja zajedno u našem kolegiju.
Bitna razlika između plina, s jedne strane, i čvrstih i tekućih tijela, s druge strane, je u tome što plin zauzima cijeli volumen posude koja mu se daje, dok tekućina ili kruto tijelo stavljeno u posudu zauzima samo vrlo određeni volumen u njemu. To je zbog razlike u prirodi toplinskog gibanja u plinovima te u čvrstim i tekućim tijelima.
Molekule plina praktički nisu međusobno povezane međumolekularnim silama (vidi §35). U svakom slučaju, prosječna kinetička energija toplinskog gibanja molekula plina mnogo je veća od prosječne potencijalne energije zbog kohezijskih sila između njih, pa stoga molekule plina prave relativno velike slobodne staze, "raspršujući se" jedna od druge koliko god je moguće. veličina posude dopušta, a zauzima cijeli njezin volumen. U skladu s tim, difuzija u plinovima se odvija prilično brzo.
U čvrstim i tekućim tijelima kohezivne sile između molekula (atoma, iona) već igraju bitnu ulogu, držeći ih na određenim udaljenostima jedna od druge (vidi § 35, sl. 67, a). U tim tijelima prosječna potencijalna energija zbog kohezivnih sila između molekula veća je od prosjeka kinetička energija toplinsko gibanje molekula Drugim riječima, u prosjeku, kinetička energija molekula je nedovoljna za prevladavanje sila privlačenja između njih.
Zbog gustog “pakiranja” molekula u tekućini, one više ne prave slobodne putove, već “guraju” na mjestu (osciliraju oko određenog ravnotežnog položaja). Samo s vremena na vrijeme, zbog povoljne kombinacije sudara, molekula se može premjestiti na novo mjesto na udaljenost usporedivu s veličinom same molekule. Naravno, difuzija u tekućinama teče mnogo sporije nego u plinovima.
U čvrstom tijelu čestice (molekule, atomi, ioni) poredane su geometrijski strogo definiranim redoslijedom, tvoreći takozvanu kristalnu rešetku. Čestice osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja. Prijelazi čestica s mjesta na mjesto u čvrstoj tvari su mogući, ali vrlo rijetki. Stoga, iako difuzija postoji iu čvrstim tvarima, ona se ovdje odvija još sporije nego u tekućinama.
Fizička bit razlike između čvrstog, tekućeg i plinovitog stanja tvari može se još jasnije objasniti uz pomoć potencijalne krivulje međudjelovanja molekula, s kojom smo se već upoznali u § 35 (vidi sliku 67, b). Reproducirajmo ovu krivulju s nekim dodacima (slika 93).
Vrijednosti potencijalne energije interakcije molekula iscrtane su duž ordinatne osi, a udaljenosti između molekula su prikazane duž osi apscise. Vrijednosti prosječne kinetičke energije toplinskog gibanja molekula, radi pogodnosti usporedbe, bit će odgođene s razine dna B potencijalne jame.
Ako je prosječna kinetička energija toplinskog gibanja molekula mnogo manja od dubine potencijalne jame, tada molekule prave male oscilacije, ostajući u donjem dijelu potencijalne jame (ispod razine).Ovaj slučaj odgovara čvrstom tijelu. stanje materije.
Ako je prosječna kinetička energija toplinskog gibanja molekula nešto manja od dubine potencijalne jame, tada molekule čine značajna oscilatorna kretanja, ali sve ostaju unutar potencijalne jame. Ovaj slučaj odgovara tekućem stanju tvari.
Ako je prosječna kinetička energija toplinskog gibanja molekula mnogo veća od dubine potencijalne bušotine, tada će molekule izbiti iz nje i, izgubivši svoj odnos, slobodno se kretati (slobodno trčati). Ovaj slučaj odgovara plinovitom stanju tvari.
Dakle, značajna razlika između plina, s jedne strane, i čvrstih i tekućih tijela, s druge strane, posljedica je činjenice da je za molekule plina vrijednost prosječne kinetičke energije toplinskog gibanja veća od dubine potencijalna jama, a za molekule čvrstih i tekućih tijela manja je od dubine potencijalne jame.
Zbog činjenice da su molekule čvrste tvari jače povezane jedna s drugom od molekula tekućine, kruta tvar, za razliku od tekućine, karakterizira postojanost ne samo volumena, već i oblika. Razmotrimo detaljnije pitanje kristalne strukture čvrste tvari.
karakterističan vanjski znak kristal je njegov geometrijski ispravan oblik (slika 94). Tako, na primjer, kristal soli ima oblik kocke (a), ledeni kristal ima oblik šesterokutne prizme, kristal dijamanta ima oblik oktaedra (oktaedra, c) itd. Za svaku kristalnu tvar , kut između površina (lica) koji ga ograničava ima strogo
određena vrijednost (za kuhinjsku sol - 90 °, za led - 120 °, itd.). Kristali se lako cijepaju duž određenih ravnina koje se nazivaju ravninama cijepanja. To rezultira manjim kristalima, ali istog oblika. Dakle, prilikom drobljenja kristala kuhinjske soli nastaju male kocke i pravokutni paralelepipedi.
Navedene činjenice su svojedobno dovele do ideje da je kristalno tijelo građeno od elementarnih stanica (kocke, ili šesterokutne prizme, ili oktaedri, itd.), čvrsto spojenih jedna na drugu. A to znači da su čestice kristalnog tijela (molekule ili atomi, ili ioni) raspoređeni su u strogo simetričnom redoslijedu jedan u odnosu na drugi, tvoreći prostornu ili kristalnu rešetku; mjesta čestica nazivaju se čvorovi rešetke.
Ovu hipotezu iznio je 1848. francuski kristalograf Bravais.
Primjer najjednostavnije prostorne rešetke je kristalna rešetka natrijevog klorida (slika 95, a). Njegovu jediničnu ćeliju s rubom a (na slici istaknuto podebljanim linijama) čine pozitivni natrijevi ioni i negativni ioni klora, koji se nalazi na vrhovima kocke.
Oblici prostornih rešetki mogu biti različiti, ali ne bilo koji: potrebno je da su elementarne ćelije koje čine rešetku usko primijenjene jedna na drugu bez razmaka, što odgovara minimalnoj potencijalnoj energiji rešetke. Na traženi način moguće je, na primjer, položiti kubične ćelije i ćelije u obliku šesterokutnih prizmi (sl. 95, b i c), ali je nemoguće položiti ćelije u obliku peterostranih prizmi ( Slika 95, d).
Godine 1890. E. S. Fedorov je teoretski izračunao sve moguće oblike kristalnih rešetki, čije stanice omogućuju blisko pakiranje, i otkrio da samo 230 razne vrste kristalne rešetke koje tvore 32 klase simetrije. Rentgenske studije kristala provedene u ovom stoljeću (vidi § 125) potvrdile su da se kristali sastoje od simetrično raspoređenih čestica (atoma, ili molekula, ili iona) koje tvore kristalnu rešetku. Štoviše, analiza difrakcije rendgenskih zraka veliki broj prirodnih i umjetnih kristala, pronađeno je samo 230 različitih vrsta kristalnih rešetki - potpuna usklađenost s teorijskim proračunima E. S. Fedorova.
Simetrija rasporeda čestica u kristalnoj rešetki posljedica je činjenice da su u ovom slučaju sile interakcije (privlačenja i odbijanja) između čestica uravnotežene (vidi § 35). U ovom slučaju potencijalna energija čestica je minimalna.
Udaljenosti između čestica u kristalu su male, reda veličine samih čestica. Udaljenost između molekula u tekućini je istog reda, budući da, kao što je poznato, tijekom taljenja kristala nema značajnog povećanja njegovog volumena.
Izvanredna značajka kristala je njegova anizotropija; u različitim smjerovima, kristal ima različite fizikalna svojstva. Tako, na primjer, svi kristali bez iznimke imaju anizotropiju čvrstoće; velika većina kristala je anizotropna s obzirom na toplinsku vodljivost, električnu vodljivost, lom itd. Anizotropija kristala se uglavnom objašnjava činjenicom da u prostornoj rešetki postoji razlika u broju čestica koje padaju na segmente istih dužine, ali različitog smjera, kao što je prikazano na sl. 96 (na horizontalnom segmentu rešetke nalazi se 8 čestica, na nagnutom 6 čestica, a na drugom nagnutom 3 čestice). Jasno je da bi razlika u gustoći rasporeda čestica kristalne rešetke u različitim smjerovima također trebala dovesti do razlike u mnogim drugim svojstvima duž ovih smjerova kristala.
Kristalno stanje je vrlo često u prirodi: većina čvrstih tvari (minerali, metali, biljna vlakna, proteini, čađa, guma itd.) su kristali. Međutim, nemaju sva ova tijela ista jasno izražena kristalna svojstva koja smo ranije razmatrali. U tom smislu tijela se dijele u dvije skupine: monokristali i polikristali. Monokristal - tijelo čije se sve čestice uklapaju u jednu zajedničku prostornu rešetku. Monokristal je anizotropan. monokristali
je većina minerala. Polikristal - tijelo koje se sastoji od mnogo malih pojedinačnih kristala nasumično raspoređenih jedan prema drugom. Stoga su polikristali izotropni, odnosno imaju ista fizička svojstva u svim smjerovima. Metali su primjeri polikristala. Međutim, metal se može dobiti i u obliku jednog kristala, ako se talina polagano hladi tako da se u nju prvo unese jedan kristal tog metala (tzv. jezgra). Oko ove jezgre će rasti metalni monokristal.
Ovisno o tome od kojih se čestica formira kristalna rešetka, razlikuju se četiri glavne skupine rešetki: ionske, atomske, molekularne i metalne.
Ionsku rešetku čine suprotno nabijeni ioni koji se drže u čvorovima rešetke električnim silama. Velika većina kristala ima ionsku rešetku.
Atomsku rešetku čine neutralni atomi koji se drže na mjestima rešetke kemijskim (valentnim) vezama: susjedni atomi imaju zajedničke vanjske (valentne) elektrone. Grafit, na primjer, ima atomsku rešetku.
Molekulsku rešetku čine polarne (dipolne) molekule (vidi § 81), koje se također drže na mjestima rešetke električnim silama. Međutim, za polarne molekule učinak tih sila je slabiji nego za ione. Stoga, tvari molekularne rešetke relativno lako deformirati. Većina ima molekularnu kristalnu rešetku organski spojevi(celuloza, guma, parafin itd.).
Metalnu rešetku čine pozitivni metalni ioni okruženi slobodnim elektronima. Ti elektroni zajedno vežu ione metalne rešetke. Takva je rešetka karakteristična za metale.
Moderna fizika smatra da su kristalna tijela čvrsta tijela. Tekućine, kao što je već spomenuto, karakteriziraju nasumični raspored čestica, stoga su tekućine izotropne. Neke tekućine mogu biti jako prehlađene, a da ne pređu u kruto (kristalno) stanje. Međutim, viskoznost takvih tekućina je tolika da praktički gube svoju fluidnost, zadržavajući, poput krutih tvari, svoj oblik. Takva tijela nazivaju se amorfnim. Dakle, moderna fizika smatra da su amorfna tijela prehlađene tekućine ogromne viskoznosti. U amorfna tijela spadaju npr. smola, staklo, smola-kolofonija itd. Jasno je da su amorfna tijela izotropna. Međutim, treba imati na umu da amorfna tijela mogu s vremenom (dugo) prijeći u kristalno stanje. U staklu se, na primjer, s vremenom pojavljuju kristali: počinje se zamutiti, pretvarajući se u polikristalno tijelo.
NA novije vrijeme u tehnologiji se široko koriste organske amorfne tvari čije pojedinačne molekule
zbog kemijskih (valentnih) veza, one se međusobno spajaju (polimeriziraju) u duge lance, koji se u nekim slučajevima sastoje od više tisuća pojedinačnih molekula. Takve tvari nazivaju se polimeri.Tipični predstavnik polimera su plastike. Vrlo vrijedno svojstvo polimera je njihova visoka elastičnost i čvrstoća. Neki polimeri, na primjer, podnose elastično rastezanje od 2-5 puta njihove izvorne duljine. Ova svojstva polimera objašnjavaju se činjenicom da se dugi molekularni lanci mogu presavijati u guste kuglice tijekom deformacije ili, obrnuto, rastegnuti u ravne linije. Trenutno se prirodni i umjetni organski spojevi koriste za stvaranje polimera s širokim rasponom unaprijed određenih svojstava.
Značajke molekularne strukture tekućina
Tekućina zauzima srednje mjesto u svojstvima i strukturi između plinova i krutih tvari. kristalne tvari. Stoga ima svojstva i plinovitog i čvrste tvari. U molekularno-kinetičkoj teoriji različita agregatna stanja tvari povezana su s različitim stupnjem uređenosti molekula. Za krute tvari tzv narudžba na daljinu u rasporedu čestica, t.j. njihov uredan raspored, koji se ponavlja na velikim udaljenostima. U tekućinama tzv narudžba kratkog dometa u rasporedu čestica, t.j. njihov uređeni raspored, koji se ponavlja na udaljenostima, usporediv je s međuatomskim. Na temperaturama blizu temperature kristalizacije, tekuća struktura je bliska strukturi krutine. Pri visokim temperaturama, blizu točke vrelišta, struktura tekućine odgovara plinovitom stanju - gotovo sve molekule sudjeluju u kaotičnom toplinskom gibanju.
Tekućine, kao i krute tvari, imaju određeni volumen, a poput plinova poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Molekule plina praktički nisu međusobno povezane silama međumolekularne interakcije, a u ovaj slučaj prosječna energija toplinskog gibanja molekula plina mnogo je veća od prosječne potencijalne energije zbog sila privlačenja među njima, pa se molekule plina raspršuju u različitim smjerovima i plin zauzima volumen koji mu se daje. U čvrstim i tekućim tijelima sile privlačenja između molekula već su značajne i drže molekule na određenoj udaljenosti jedna od druge. U tom je slučaju prosječna energija toplinskog gibanja molekula manja od prosječne potencijalne energije zbog sila međumolekularne interakcije, a nije dovoljna da se prevladaju sile privlačenja između molekula, pa krute tvari i tekućine imaju određeni volumen .
Tlak u tekućinama raste vrlo naglo s povećanjem temperature i smanjenjem volumena. Volumetrijsko širenje tekućina je mnogo manje od para i plinova, budući da su sile koje vežu molekule u tekućini značajnije; ista primjedba vrijedi i za toplinsko širenje.
Toplinski kapaciteti tekućina obično rastu s temperaturom (iako neznatno). Omjer C p / C V je praktički jednak jedan.
Teorija tekućine do danas nije u potpunosti razvijena. Razvoj niza problema u proučavanju složenih svojstava tekućine pripada Ya.I. Frenkel (1894–1952). Toplinsko gibanje u tekućini objasnio je činjenicom da svaka molekula neko vrijeme oscilira oko određenog ravnotežnog položaja, nakon čega skače u novi položaj, koji je na udaljenosti reda međuatomske udaljenosti od početne. Dakle, molekule tekućine kreću se prilično sporo po masi tekućine. S povećanjem temperature tekućine, frekvencija oscilatornog gibanja naglo raste, a mobilnost molekula raste.
Na temelju Frenkelova modela moguće je neke objasniti karakteristične značajke svojstva tekućine. Dakle, tekućine, čak i blizu kritične temperature, imaju mnogo veću viskoznost nego plinovi, a viskoznost opada s porastom temperature (a ne raste, kao u plinovima). To se objašnjava različitom prirodom procesa prijenosa zamaha: prenose ga molekule koje skaču iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, a ti skokovi postaju sve češći s povećanjem temperature. Difuzija u tekućinama se događa samo zbog molekularnih skokova, a događa se mnogo sporije nego u plinovima. Toplinska vodljivost tekućine nastaje zbog razmjene kinetičke energije između čestica koje osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja s različitim amplitudama; oštri skokovi molekula ne igraju zamjetnu ulogu. Mehanizam provođenja topline sličan je njegovom mehanizmu u plinovima. karakteristično obilježje tekućina je njegova sposobnost da ima slobodna površina(nije ograničena čvrstim zidovima).
Predloženo je nekoliko teorija za molekularnu strukturu tekućina.
1. Model zone. U danom trenutku, tekućina se može smatrati da se sastoji od područja u kojima su molekule raspoređene ispravnim redoslijedom, tvoreći neku vrstu mikrokristala (zona). Ta su područja, takoreći, odvojena tvari u plinovitom stanju. S vremenom se ta područja formiraju na drugim mjestima i tako dalje.
2. Teorija kvazikristalne strukture. Razmotrimo kristal na temperaturi apsolutne nule (vidi sliku 9.9.)
U njemu biramo proizvoljan smjer i crtamo ovisnost vjerojatnosti P pronalaska molekule plina na određenoj udaljenosti od druge molekule smještene u ishodištu (slika 9.9.). a), dok se molekule nalaze na čvorovima kristalne rešetke. S više visoka temperatura(sl.9.9, b) molekule osciliraju oko fiksnih ravnotežnih položaja u blizini kojih provode najviše vrijeme. Stroga periodičnost ponavljanja maksimuma vjerojatnosti u idealnom kristalu proteže se proizvoljno daleko od odabrane čestice; stoga je uobičajeno reći da u čvrstom tijelu postoji „daljinski poredak“.
U slučaju tekućine (slika 9.9, u) blizu svake molekule, njezini su susjedi locirani manje-više pravilno, ali daleko je taj red narušen (redak kratkog dometa). Na grafikonu se udaljenosti mjere u dijelovima polumjera molekule (r/r 0).
