Šio skyriaus problemos daugiausia pabrėžia mintį, kad molekulės dujose yra didesniu atstumu nei skysčiuose ir kietosios medžiagos ai, traukos jėgos tarp jų yra nereikšmingos ir todėl dujos užima didelį tūrį. (Panašus teiginys apie skysčius ir kietas medžiagas paprastai yra klaidingas. Kietoms medžiagoms Gera vertė taip pat turi molekulių išdėstymą.)

Antroji sąvoka, kuri susidaro VI klasėje sprendžiant šio skyriaus uždavinius, yra molekulių judėjimo dujose, skysčiuose ir kietose medžiagose pobūdžio skirtumas.

58(e). Bulvių pistolete pagaliuku judindami kamštį (14 pav.), stebėkite oro tūrio mažėjimą. Atlikite tą patį eksperimentą, užpildydami vamzdelį vandeniu. Paaiškinkite vandens ir oro suspaudžiamumo skirtumą pagal medžiagų molekulinę struktūrą.

59. Kaip paaiškinti, kad verdant vandenį susidarantys garai virimo temperatūroje užima apie 1700 kartų daugiau tūrio nei vanduo?

Atsakymas. Garų molekulės yra viena nuo kitos tokiais dideliais atstumais, kad traukos jėgos tarp jų yra nereikšmingos ir todėl negali sukelti garų kondensacijos tam tikroje temperatūroje (tam tikru molekuliniu greičiu).

60 (e). Supilkite pusę vandens į metro stiklinį vamzdelį, ant viršaus supilkite alkoholį ir išmaišykite. Kaip po to pasikeitė skysčio tūris? Paaiškink kodėl.

Atsakymas. Bendras tūris sumažėjo dėl tankesnio molekulių pakavimo.

61. Mokslininkas Bridžmanas su didele jėga išspaudė aliejų plieniniame cilindre. Kaip paaiškinti, kad ant išorinių cilindro sienelių kyšojo alyvos dalelės, nors jose nebuvo įtrūkimų?

62. Jei suspausite švino ir aukso plokšteles, tai po kurio laiko aukse galite rasti švino molekulių, o švino - aukso molekulių. Paaiškink kodėl.

61 ir 62 uždavinių sprendimas. Kietosiose medžiagose ir skysčiuose tarp molekulių yra nedideli tarpai, nepaisant jų tankaus sandarumo. Molekulės juda pirmiausia dėl vibracijos. Vaizdas primena žmones sausakimšame autobuse, kurie, nepaisydami ankštumo, juda, keisdamiesi vietomis tarpusavyje arba eidami atsitiktinai suformuotais perėjimais.

63 straipsnio e punktas. Apžiūrėkite žėručio plokštelę ir padalinkite ją į plonesnius lapus. Sulaužykite ir ištirkite didelius gabalus Valgomoji druska. Kaip, remiantis medžiagos molekuline sandara, galima paaiškinti nevienodas žėručio ir druskos savybes skirtingomis kryptimis?

64 straipsnio e punktas. Sulaužykite pikio gabalėlį ir paaiškinkite, kodėl pertrauka visada sukuria lygų paviršių.

Atsakymas. Var yra sutirštintas skystis, todėl jo molekulės nesudaro teisingai besikeičiančių sluoksnių, kaip kristaliniame kūne.

Visa negyva medžiaga susideda iš dalelių, kurių elgsena gali skirtis. Dujinių, skystų ir kietų kūnų struktūra turi savo ypatybes. Kietosiose medžiagose esančios dalelės laikomos kartu, nes yra labai arti viena kitos, todėl jos yra labai stiprios. Be to, jie gali išlaikyti tam tikrą formą, nes jų mažiausios dalelės praktiškai nejuda, o tik vibruoja. Molekulės skysčiuose yra gana arti viena kitos, tačiau gali laisvai judėti, todėl neturi savo formos. Dujose esančios dalelės juda labai greitai, o aplink jas paprastai yra daug erdvės, o tai rodo, kad jos lengvai suspaudžiamos.

Kietųjų kūnų savybės ir struktūra

Kokia yra kietųjų kūnų sandara ir ypatumai? Jie sudaryti iš dalelių, kurios yra labai arti viena kitos. Jie negali judėti, todėl jų forma išlieka fiksuota. Kokios yra kieto kūno savybės? Jis nesusitraukia, bet kaitinant jo tūris padidės kylant temperatūrai. Taip yra todėl, kad dalelės pradeda vibruoti ir judėti, o tai lemia tankio mažėjimą.

Viena iš kietųjų kūnų savybių yra tai, kad jie turi fiksuotą formą. Kaitinant kietą medžiagą, padidėja dalelių judėjimas. Greičiau judančios dalelės smarkiau susiduria, todėl kiekviena dalelė stumia savo kaimynus. Todėl temperatūros padidėjimas dažniausiai padidina kūno stiprumą.

Kietųjų kūnų kristalinė struktūra

Tarpmolekulinės sąveikos jėgos tarp gretimų kietosios medžiagos molekulių yra pakankamai stiprios, kad išlaikytų jas fiksuotoje padėtyje. Jei šios mažiausios dalelės yra labai tvarkingos konfigūracijos, tokios struktūros paprastai vadinamos kristalinėmis. Elemento ar junginio dalelių (atomų, jonų, molekulių) vidinę tvarką nagrinėja specialus mokslas – kristalografija.

Kietoji būsena taip pat yra ypač įdomi. Tyrinėdami dalelių elgseną, jų išsidėstymą, chemikai gali paaiškinti ir nuspėti, kaip tai padaryti tam tikrų tipų medžiagos elgsis tam tikromis sąlygomis. Mažiausios kieto kūno dalelės yra išsidėsčiusios gardelės pavidalu. Tai vadinamasis reguliarus dalelių išsidėstymas, kai svarbų vaidmenį atlieka įvairūs cheminiai ryšiai tarp jų.

Kietojo kūno sandaros juostos teorija jį laiko atomų rinkiniu, kurių kiekvienas savo ruožtu susideda iš branduolio ir elektronų. Kristalinėje struktūroje atomų branduoliai išsidėstę kristalinės gardelės mazguose, kuriems būdingas tam tikras erdvinis periodiškumas.

Kokia yra skysčio struktūra?

Kietųjų medžiagų ir skysčių struktūra yra panaši, nes dalelės, iš kurių jie susideda, yra arti. Skirtumas tas, kad molekulės juda laisvai, nes traukos jėga tarp jų yra daug silpnesnė nei kietajame kūne.

Kokios yra skysčio savybės? Pirma, tai yra sklandumas, antra, skystis įgaus indo, į kurį jis dedamas, formą. Jei jis šildomas, tūris padidės. Dėl dalelių artumo viena kitai skystis negali būti suspaustas.

Kokia yra dujinių kūnų sandara ir sandara?

Dujų dalelės yra atsitiktinai išsidėsčiusios, jos yra taip toli viena nuo kitos, kad tarp jų negali būti jokios traukos jėgos. Kokias savybes turi dujos ir kokia yra dujinių kūnų sandara? Paprastai dujos tolygiai užpildo visą erdvę, kurioje jos buvo patalpintos. Lengvai susispaudžia. Dujinio kūno dalelių greitis didėja didėjant temperatūrai. Tuo pačiu metu padidėja slėgis.

Dujinių, skystų ir kietų kūnų struktūrai būdingi skirtingi atstumai tarp mažiausių šių medžiagų dalelių. Dujų dalelės yra daug toliau viena nuo kitos nei kietos ar skystos būsenos. Pavyzdžiui, ore vidutinis atstumas tarp dalelių yra maždaug dešimt kartų didesnis už kiekvienos dalelės skersmenį. Taigi molekulių tūris užima tik apie 0,1% viso tūrio. Likę 99,9% yra tuščia vieta. Priešingai, skystos dalelės užpildo apie 70% viso skysčio tūrio.

Kiekviena dujų dalelė laisvai juda tiesiu keliu, kol susiduria su kita dalele (dujomis, skysčiu ar kieta medžiaga). Dalelės paprastai juda pakankamai greitai, kad po dviejų iš jų susidūrimo jos atsimuštų viena į kitą ir toliau keliautų vienos. Šie susidūrimai keičia kryptį ir greitį. Šios dujų dalelių savybės leidžia dujoms plėstis, kad užpildytų bet kokią formą ar tūrį.

Valstybės pasikeitimas

Dujinių, skystų ir kietų kūnų struktūra gali pasikeisti, jei jiems bus daromas tam tikras išorinis poveikis. Tam tikromis sąlygomis, pavyzdžiui, kaitinant ar vėsinant, jie netgi gali pereiti į vienas kito būsenas.

• Garavimas. Skystų kūnų struktūra ir savybės leidžia jiems tam tikromis sąlygomis pereiti į visiškai kitokią fizinę būseną. Pavyzdžiui, jei netyčia išpylėte benziną pildami degalus į automobilį, greitai pajusite aštrų jo kvapą. Kaip tai atsitinka? Dalelės juda visame skystyje, todėl tam tikra jų dalis pasiekia paviršių. Jų kryptingas judėjimas gali nunešti šias molekules nuo paviršiaus ir į erdvę virš skysčio, tačiau trauka jas trauks atgal. Kita vertus, jei dalelė juda labai greitai, ji gali atitrūkti nuo kitų tinkamu atstumu. Taigi, padidėjus dalelių greičiui, kuris paprastai atsitinka kaitinant, vyksta garavimo procesas, tai yra, skystis virsta dujomis.

Kūnų elgesys esant skirtingoms fizinėms būsenoms

Dujų, skysčių, kietųjų medžiagų struktūrą daugiausia lemia tai, kad visos šios medžiagos yra sudarytos iš atomų, molekulių ar jonų, tačiau šių dalelių elgesys gali būti visiškai kitoks. Dujų dalelės yra chaotiškai nutolusios viena nuo kitos, skysčių molekulės yra arti viena kitos, tačiau jos nėra tokios standžios struktūros kaip kietoje medžiagoje. Dujų dalelės vibruoja ir juda dideliu greičiu. Skysčio atomai ir molekulės vibruoja, juda ir slysta vienas pro kitą. Kieto kūno dalelės taip pat gali vibruoti, tačiau judėjimas kaip toks joms nėra būdingas.

Vidinės struktūros ypatybės

Norint suprasti materijos elgesį, pirmiausia reikia ištirti jos vidinės sandaros ypatybes. Kokie yra vidiniai granito skirtumai, alyvuogių aliejus o helio balione? Į šį klausimą padės atsakyti paprastas materijos sandaros modelis.

Modelis yra supaprastinta realaus objekto ar medžiagos versija. Pavyzdžiui, prieš pradedant faktines statybas, architektai pirmiausia sukuria pavyzdinį pastato projektą. Toks supaprastintas modelis nebūtinai reiškia tikslų aprašymą, tačiau tuo pat metu jis gali suteikti apytikslį supratimą apie tai, kokia bus ta ar kita struktūra.

Supaprastinti modeliai

Tačiau moksle modeliai ne visada fiziniai kūnai. Praėjusį šimtmetį žmonių supratimas apie fizinį pasaulį labai išaugo. Tačiau didžioji dalis sukauptų žinių ir patirties yra pagrįstos itin sudėtingais vaizdiniais, pavyzdžiui, matematinėmis, cheminėmis ir fizikinėmis formulėmis.

Norint visa tai suprasti, reikia gana gerai išmanyti šiuos tiksliuosius ir sudėtingus mokslus. Mokslininkai sukūrė supaprastintus modelius fiziniams reiškiniams vizualizuoti, paaiškinti ir numatyti. Visa tai labai supaprastina supratimą, kodėl vieni kūnai tam tikroje temperatūroje turi pastovią formą ir tūrį, o kiti gali juos keisti ir pan.

Visa medžiaga susideda iš mažyčių dalelių. Šios dalelės nuolat juda. Judėjimo apimtis yra susijusi su temperatūra. Padidėjusi temperatūra rodo greičio padidėjimą. Dujinių, skystų ir kietų kūnų struktūra išsiskiria jų dalelių judėjimo laisve, taip pat tuo, kaip stipriai dalelės traukia viena kitą. Nuo to priklauso fizinė fizinė būklė. Vandens garai, skystas vanduo ir ledas turi tą patį Cheminės savybės, tačiau jų fizinės savybės gerokai skiriasi.

Paprasti skysčiai yra izotropiniai, struktūriškai jie yra amorfiniai kūnai. Dėl vidinė struktūra skysčiams būdinga trumpo nuotolio molekulių išsidėstymo tvarka (tvarkingas artimiausių dalelių išsidėstymas). Atstumai tarp molekulių maži, sąveikos jėgos reikšmingos, todėl skysčių suspaudžiamumas yra mažas: nedidelis atstumo tarp molekulių sumažėjimas sukelia didelių tarpmolekulinių atstūmimo jėgų atsiradimą.

Kaip ir kietos medžiagos, skysčiai yra šiek tiek suspaudžiami ir turi didelį tankį; kaip ir dujos, jie įgauna indo, kuriame yra, formą. Toks skysčių savybių pobūdis yra susijęs su jų molekulių šiluminio judėjimo ypatumais. Dujose molekulės juda atsitiktinai, nedideliais atstumais juda į priekį, o dalelių išsidėstymo tvarka nėra. Kristaliniuose kūnuose dalelės svyruoja aplink tam tikras pusiausvyros padėtis – kristalinės gardelės mazgus. Pagal Ya. I. Frenkelio teoriją, skysčio molekulės, kaip ir kieto kūno dalelės, svyruoja apie pusiausvyros padėtis, tačiau šios pusiausvyros padėtys nėra pastovios. Po kurio laiko, vadinamo „nustatytos gyvybės“ laiku, molekulė peršoka į naują pusiausvyros padėtį atstumu, lygiu vidutiniam atstumui tarp kaimyninių molekulių.

Apskaičiuokime vidutinį atstumą tarp skysčio molekulių. Galite mintyse įsivaizduoti visą skysčio tūrį, padalytą į mažus identiškus kubelius, kurių kraštas yra 8. Tegul vidutiniškai kiekviename kube yra viena molekulė. Šiuo atveju 5 galima laikyti vidutiniu atstumu tarp skysčio molekulių. Skysčio tūris yra V = δ 3 N, kur N yra bendras skysčio molekulių skaičius. Jei n yra molekulių koncentracija (molekulių skaičius 1 m 3), tada N \u003d nV. Iš šių lygčių gauname

Kad skysčio molekulė peršoktų iš vienos pusiausvyros padėties į kitą, turi būti nutraukti ryšiai su aplinkinėmis molekulėmis ir susiformuoti ryšiai su naujais kaimynais. Ryšių nutraukimo procesui reikia išleisti energiją E a (aktyvacijos energija), išsiskiriančią formuojantis naujiems ryšiams. Toks molekulės perėjimas iš vienos pusiausvyros padėties į kitą yra perėjimas per E a aukščio potencialų barjerą. Molekulė gauna energiją, kad įveiktų potencialų barjerą dėl gretimų molekulių šiluminio judėjimo energijos. Atsipalaidavimo laiko priklausomybė nuo skysčio temperatūros ir aktyvacijos energijos išreiškiama formule, išplaukiančia iš Boltzmanno skirstinio (žr. § 2.4).

Kur τ 0 yra vidutinis molekulės svyravimų periodas aplink pusiausvyros padėtį.

Žinodami vidutinį molekulės poslinkį, kuris lygus atstumui tarp molekulių δ, ir vidutinį laiką τ, galime nustatyti vidutinį molekulių judėjimo skystyje greitį:

Šis greitis yra mažas, palyginti su vidutiniu molekulių greičiu dujose. Taigi, pavyzdžiui, vandens molekulėms jis yra 20 kartų mažesnis nei garų molekulėms toje pačioje temperatūroje.

Paviršiaus įtempimas

Skysčio ir jo sąsajose sočiųjų garų, du nesimaišantys skysčiai, skystas ir kietas kūnas, jėgos atsiranda dėl įvairios tarpmolekulinės gretimų terpių sąveikos.

Kiekviena molekulė, esanti skysčio tūrio viduje, yra tolygiai apsupta gretimų molekulių ir sąveikauja su jomis, tačiau šių jėgų rezultatas yra lygus nuliui. Dėl aplinkos nehomogeniškumo molekulę, esančią netoli dviejų terpių ribos, veikia jėga, kurios nekompensuoja kitos skysčio molekulės. Todėl, norint perkelti molekules iš tūrio į paviršinį sluoksnį, reikia atlikti darbą.

Paviršiaus įtempis (paviršiaus įtempimo koeficientas) nustatomas pagal darbo, sugaišto kuriant tam tikrą skysčio paviršių pastovioje temperatūroje, santykį su šio paviršiaus plotu:

Stabilios skysčių pusiausvyros sąlyga yra minimali paviršinio sluoksnio energija, todėl nesant išorinių jėgų arba esant nesvarumo būsenai, skystis turi minimalų paviršiaus plotą tam tikram tūriui ir yra kamuolys.

Paviršiaus įtempimą galima nustatyti ne tik energetiškai. Skysčio paviršinio sluoksnio noras susitraukti reiškia, kad šiame sluoksnyje yra tangentinės jėgos – paviršiaus įtempimo jėgos. Jei pasirinksite l ilgio segmentą skysčio paviršiuje (7.8 pav.), tuomet šias jėgas galite sąlygiškai pavaizduoti segmentui statmenomis rodyklėmis.

Visų pirma, dar kartą reikia pabrėžti, kad dujos, skystis ir kietoji medžiaga yra agreguotos medžiagos būsenos ir šia prasme tarp jų nėra neįveikiamo skirtumo: bet kuri medžiaga, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio, gali būti bet kurioje iš agreguotų būsenų. . Tačiau yra didelių skirtumų tarp dujinių, skystų ir kietų kūnų. Kadangi kietosios medžiagos ir skysčiai turi daug bendrų savybių, mūsų kurse prasminga kartu nagrinėti šias dvi agregacijos būsenas.

Esminis skirtumas tarp dujų ir kietų bei skystų kūnų, kita vertus, yra tas, kad dujos užima visą joms suteikto indo tūrį, o į indą patalpintas skystis ar kieta medžiaga – tik labai apibrėžtas tūris jame. Taip yra dėl to, kad dujose ir kietuose bei skystuose kūnuose šiluminio judėjimo pobūdis skiriasi.

Dujų molekulės praktiškai nėra tarpusavyje sujungtos tarpmolekulinėmis jėgomis (žr. §35). Bet kokiu atveju vidutinė dujų molekulių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra daug didesnė už vidutinę potencinę energiją dėl jų tarpusavio sukibimo jėgų.Todėl dujų molekulės daro santykinai didelius laisvus kelius, „išsklaidydamos“ viena nuo kitos iki pat toli. kaip leidžia indo dydis, ir užimantis visą jo tūrį. Atsižvelgiant į tai, difuzija dujose vyksta gana greitai.

Kietuose ir skystuose kūnuose esminį vaidmenį jau atlieka rišančios jėgos tarp molekulių (atomų, jonų), išlaikančios jas tam tikru atstumu viena nuo kitos (žr. § 35, 67 pav., a). Šiuose kūnuose vidutinė potenciali energija dėl molekulių tarpusavio sanglaudos jėgų yra didesnė už vidutinę kinetinė energija molekulių šiluminis judėjimas Kitaip tariant, vidutiniškai molekulių kinetinės energijos nepakanka, kad įveiktų traukos jėgas tarp jų.

Dėl tankaus molekulių „pakavimo“ skystyje jos nebedaro laisvų kelių, o „stumia“ į vietą (svyruoja aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį). Tik kartas nuo karto dėl palankaus susidūrimų derinio molekulė gali persikelti į naują vietą atstumu, palyginamu su pačios molekulės dydžiu. Natūralu, kad difuzija skysčiuose vyksta daug lėčiau nei dujose.

Kietame kūne dalelės (molekulės, atomai, jonai) išsidėsčiusios geometriškai griežtai apibrėžta tvarka, sudarydamos vadinamąją kristalinę gardelę. Dalelės svyruoja aplink savo pusiausvyros padėtį. Galimi dalelių perėjimai iš vienos vietos į kitą kietoje medžiagoje, tačiau labai retai. Todėl, nors difuzija egzistuoja ir kietose medžiagose, čia ji vyksta dar lėčiau nei skysčiuose.

Fizinę skirtumo tarp kietos, skystos ir dujinės medžiagos būsenos esmę galima dar aiškiau paaiškinti molekulių sąveikos potencialo kreivės pagalba, kurią jau sutikome § 35 (žr. 67 pav., b). . Atkurkime šią kreivę su kai kuriais papildymais (93 pav.).

Molekulių sąveikos potencialios energijos reikšmės brėžiamos išilgai ordinačių ašies, o atstumai tarp molekulių – išilgai abscisių ašies. Molekulių šiluminio judėjimo vidutinės kinetinės energijos vertės palyginimo patogumui bus atidėtos nuo potencialaus šulinio dugno B lygio.

Jei vidutinė molekulių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra daug mažesnė už potencialo šulinio gylį, tai molekulės daro nedidelius svyravimus, pasilikdamos apatinėje potencialo šulinio dalyje (žemiau lygio).Šis atvejis atitinka kietąjį. materijos būsena.

Jei vidutinė molekulių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra šiek tiek mažesnė už potencialo šulinio gylį, tada molekulės atlieka reikšmingus svyruojančius judesius, tačiau visos lieka potencialo šulinio ribose. Šis atvejis atitinka skystą medžiagos būseną.

Jei vidutinė molekulių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra daug didesnė už potencialinio šulinio gylį, tai molekulės iš jos išsiveržs ir, praradusios ryšį, judės laisvai (darys laisvus bėgimus). Šis atvejis atitinka dujinę medžiagos būseną.

Taigi reikšmingas skirtumas tarp dujų, viena vertus, ir kietųjų bei skystųjų kūnų, kita vertus, yra dėl to, kad dujų molekulėms vidutinės šiluminio judėjimo kinetinės energijos vertė yra didesnė už šilumokaičio gylį. potencialo šulinys, o kietųjų ir skystųjų kūnų molekulėms jis yra mažesnis už potencialo šulinio gylį.

Dėl to, kad kietosios medžiagos molekulės yra tarpusavyje susijusios stipriau nei skysčio molekulės, kietai medžiagai, priešingai nei skysčiui, būdingas ne tik tūrio, bet ir formos pastovumas. Išsamiau panagrinėkime kietosios medžiagos kristalinės struktūros klausimą.

charakteristika išorinis ženklas krištolas yra geometriškai teisinga jo forma (94 pav.). Taigi, pavyzdžiui, druskos kristalas turi kubo formą (a), ledo kristalas – šešiakampės prizmės formą, deimantų kristalas – oktaedro (oktaedras, c) formą ir tt Kiekvienai kristalinei medžiagai , kampas tarp jį ribojančių paviršių (veidų) turi griežtai

tam tikra vertė (valgomai druskai - 90 °, ledui - 120 ° ir tt). Kristalai lengvai skyla išilgai tam tikrų plokštumų, vadinamų skilimo plokštumomis. Dėl to kristalai yra mažesni, bet tos pačios formos. Taigi, smulkinant valgomosios druskos kristalą, susidaro nedideli kubeliai ir stačiakampiai gretasieniai.

Pažymėti faktai kažkada paskatino idėją, kad kristalinis kūnas yra sudarytas iš elementarių ląstelių (kubų, arba šešiakampių prizmių, arba oktaedrų ir pan.), tvirtai sujungtų viena su kita. O tai reiškia, kad kristaliniame kūne dalelės (molekulės ar atomai, arba jonai) yra išdėstyti griežtai simetriška tvarka vienas kito atžvilgiu, sudarydami erdvinę arba kristalinę gardelę; dalelių vietos vadinamos gardelės mazgais.

Šią hipotezę 1848 m. iškėlė prancūzų kristalografas Bravais.

Paprasčiausios erdvinės gardelės pavyzdys yra natrio chlorido kristalinė gardelė (95 pav., a). Jo vienetinį elementą su briauna a (paryškinta paveiksle paryškintomis linijomis) sudaro teigiami natrio jonai ir neigiamų jonų chloro, esančio kubo viršūnėse.

Erdvinių gardelių formos gali būti įvairios, bet ne bet kokios: būtina, kad elementarios ląstelės, sudarančios groteles, būtų glaudžiai prigludusios viena prie kitos be tarpų, o tai atitinka mažiausią potencinę gardelės energiją. Reikiamu būdu galima, pavyzdžiui, išdėstyti kubines ląsteles ir ląsteles šešiakampių prizmių pavidalu (95 pav., b ir c), bet neįmanoma išdėstyti penkiakampių prizmių ( 95 pav., d).

1890 metais E. S. Fedorovas teoriškai apskaičiavo visas įmanomas kristalinių gardelių formas, kurių ląstelės leidžia glaudžiai supakuoti, ir nustatė, kad tik 230 Įvairios rūšys kristalinės gardelės, sudarančios 32 simetrijos klases. Šiame amžiuje atlikti kristalų rentgeno tyrimai (žr. § 125) patvirtino, kad kristalai susideda iš simetriškai išsidėsčiusių dalelių (atomų, molekulių ar jonų), kurios sudaro kristalinę gardelę. Be to, rentgeno spindulių difrakcijos analizė didelis skaičius natūralių ir dirbtinių kristalų, rasta tik 230 skirtingų tipų kristalų gardelių – visiškai atitinka E. S. Fedorovo teorinius skaičiavimus.

Dalelių išsidėstymo kristalinėje gardelėje simetrija atsiranda dėl to, kad šiuo atveju dalelių sąveikos (traukos ir atstūmimo) jėgos yra subalansuotos (žr. § 35). Šiuo atveju dalelių potencinė energija yra minimali.

Atstumai tarp kristalo dalelių yra maži, atsižvelgiant į pačių dalelių dydį. Atstumas tarp molekulių skystyje yra tos pačios eilės, nes, kaip žinoma, kristalo lydymosi metu jo tūris reikšmingai nepadidėja.

Nepaprasta kristalo savybė yra jo anizotropija; skirtingomis kryptimis kristalas turi skirtingą fizines savybes. Taigi, pavyzdžiui, visi be išimties kristalai turi stiprumo anizotropiją; didžioji dauguma kristalų yra anizotropiniai šilumos laidumo, elektros laidumo, lūžio ir tt atžvilgiu. Kristalų anizotropija daugiausia paaiškinama tuo, kad erdvinėje gardelėje skiriasi dalelių, patenkančių į to paties segmentus, skaičius. ilgio, bet skirtingos krypties, kaip parodyta Fig. 96 (horizontaliame grotelių segmente yra 8 dalelės, pasvirusioje – 6, o kitoje pasvirusioje – 3 dalelės). Akivaizdu, kad kristalinės gardelės dalelių išsidėstymo skirtingomis kryptimis tankio skirtumas turėtų lemti ir daugelio kitų savybių skirtumus šiomis kristalo kryptimis.

Gamtoje labai paplitusi kristalinė būsena: dauguma kietųjų medžiagų (mineralų, metalų, augaliniai pluoštai, baltymai, suodžiai, guma ir kt.) yra kristalai. Tačiau ne visi šie kūnai turi tas pačias aiškiai išreikštas kristalines savybes, apie kurias buvo kalbama anksčiau. Šiuo atžvilgiu kūnai skirstomi į dvi grupes: pavienius kristalus ir polikristalus. Monokristalas – kūnas, kurio visos dalelės telpa į vieną bendrą erdvinę gardelę. Vienas kristalas yra anizotropinis. pavieniai kristalai

yra mineralų dauguma. Polikristalas – kūnas, susidedantis iš daugybės mažų pavienių kristalų, atsitiktinai išsidėsčiusių vienas kito atžvilgiu. Todėl polikristalai yra izotropiniai, tai yra, jų fizinės savybės visomis kryptimis yra vienodos. Metalai yra polikristalų pavyzdžiai. Tačiau metalą galima gauti ir vieno kristalo pavidalu, jei lydalas lėtai aušinamas, pirmiausia į jį įleidžiant vieną šio metalo kristalą (vadinamąjį branduolį). Būtent aplink šį branduolį išaugs metalinis monokristalas.

Priklausomai nuo to, iš kokių dalelių susidaro kristalinė gardelė, išskiriamos keturios pagrindinės gardelių grupės: joninės, atominės, molekulinės ir metalinės.

Joninę gardelę sudaro priešingai įkrauti jonai, gardelės mazguose laikomi elektrinių jėgų. Didžioji dauguma kristalų turi joninę gardelę.

Atominę gardelę sudaro neutralūs atomai, gardelės vietose laikomi cheminiais (valentingais) ryšiais: kaimyniniai atomai turi bendrų išorinių (valentinių) elektronų. Pavyzdžiui, grafitas turi atominę gardelę.

Molekulinę gardelę sudaro polinės (dipolio) molekulės (žr. § 81), kurias gardelės vietose taip pat laiko elektrinės jėgos. Tačiau poliarinėms molekulėms šių jėgų poveikis yra silpnesnis nei jonams. Todėl medžiagos molekulinė gardelė gana lengva deformuotis. Dauguma jų turi molekulinę kristalinę gardelę organiniai junginiai(celiuliozė, guma, parafinas ir kt.).

Metalo gardelę sudaro teigiami metalo jonai, apsupti laisvųjų elektronų. Šie elektronai sujungia metalinės gardelės jonus. Tokia gardelė būdinga metalams.

Šiuolaikinė fizika kristalinius kūnus laiko kietaisiais kūnais. Skysčiams, kaip jau minėta, būdingas atsitiktinis dalelių išsidėstymas, todėl skysčiai yra izotropiniai. Kai kurie skysčiai gali būti labai peršaldyti, netapdami kietos (kristalinės) būsenos. Tačiau tokių skysčių klampumas yra toks didžiulis, kad jie praktiškai praranda savo skystumą, išlaiko, kaip ir kietos medžiagos, formą. Tokie kūnai vadinami amorfiniais. Taigi šiuolaikinė fizika amorfinius kūnus laiko peršaldytais skysčiais, kurių klampumas yra didžiulis. Amorfiniai kūnai yra, pavyzdžiui, pikis, stiklas, derva-kanifolija ir kt. Akivaizdu, kad amorfiniai kūnai yra izotropiniai. Tačiau reikia turėti omenyje, kad amorfiniai kūnai ilgainiui (ilgai) gali pereiti į kristalinę būseną. Pavyzdžiui, stikle laikui bėgant atsiranda kristalų: jis pradeda drumsti, virsdamas polikristaliniu kūnu.

AT paskutiniais laikais technologijoje plačiai naudojamos organinės amorfinės medžiagos, kurių atskiros molekulės

dėl cheminių (valentinių) ryšių jie jungiasi vienas su kitu (polimerizuojasi) į ilgas grandines, kai kuriais atvejais susidedančias iš daugybės tūkstančių atskirų molekulių. Tokios medžiagos vadinamos polimerais.Tipiškas polimero atstovas yra plastikai. Labai vertinga polimerų savybė yra didelis jų elastingumas ir stiprumas. Pavyzdžiui, kai kurie polimerai atlaiko elastingą tempimą, 2–5 kartus didesnį už pradinį ilgį. Šios polimero savybės paaiškinamos tuo, kad ilgos molekulinės grandinės deformacijos metu gali būti sulankstytos į tankius kamuoliukus arba, atvirkščiai, ištemptos į tiesias linijas. Šiuo metu natūralūs ir dirbtiniai organiniai junginiai naudojami polimerams, turintiems daug įvairių iš anksto nustatytų savybių, sukurti.

Skysčių molekulinės sandaros ypatumai

Skystis pagal savybes ir struktūrą užima tarpinę padėtį tarp dujų ir kietųjų medžiagų. kristalinės medžiagos. Todėl jis turi savybių tiek dujinių, tiek kietosios medžiagos. Molekulinės kinetikos teorijoje skirtingos medžiagos agregatinės būsenos yra susijusios su skirtingu molekulinės tvarkos laipsniu. Kietosioms medžiagoms vadinamasis ilgo nuotolio užsakymas dalelių išsidėstymu, t.y. tvarkingas jų išdėstymas, pasikartojantis dideliais atstumais. Skysčiuose vadinamasis trumpo nuotolio užsakymas dalelių išsidėstymu, t.y. jų tvarkingas išdėstymas, pasikartojantis per atstumą, yra panašus į tarpatominius. Esant temperatūrai, artimai kristalizacijos temperatūrai, skysčio struktūra yra artima kietos medžiagos struktūrai. Esant aukštai temperatūrai, artimai virimo temperatūrai, skysčio struktūra atitinka dujinę būseną – beveik visos molekulės dalyvauja chaotiškame šiluminiame judėjime.

Skysčiai, kaip ir kietos medžiagos, turi tam tikrą tūrį ir, kaip ir dujos, įgauna indo, kuriame yra, formą. Dujų molekulės praktiškai nėra tarpusavyje susijusios tarpmolekulinės sąveikos jėgų, o viduje Ši byla vidutinė dujų molekulių šiluminio judėjimo energija yra daug didesnė už vidutinę potencinę energiją dėl tarp jų veikiančių traukos jėgų, todėl dujų molekulės išsisklaido įvairiomis kryptimis ir dujos užima joms suteiktą tūrį. Kietuose ir skystuose kūnuose traukos jėgos tarp molekulių jau yra reikšmingos ir išlaiko molekules tam tikru atstumu viena nuo kitos. Šiuo atveju vidutinė molekulių šiluminio judėjimo energija yra mažesnė už vidutinę potencialią energiją dėl tarpmolekulinės sąveikos jėgų ir jos nepakanka įveikti traukos jėgas tarp molekulių, todėl kietosios medžiagos ir skysčiai turi tam tikrą tūrį. .

Slėgis skysčiuose labai smarkiai didėja didėjant temperatūrai ir mažėjant tūriui. Skysčių tūrinis plėtimasis yra daug mažesnis nei garų ir dujų, nes jėgos, jungiančios molekules skystyje, yra reikšmingesnės; ta pati pastaba taikoma šiluminiam plėtimuisi.

Skysčių šiluminės talpos paprastai didėja didėjant temperatūrai (nors ir šiek tiek). C p /C V santykis praktiškai lygus vienetui.

Skysčių teorija iki šiol nėra iki galo išvystyta. Daugelio problemų, susijusių su sudėtingų skysčio savybių tyrimu, plėtra priklauso Ya.I. Frenkelis (1894–1952). Jis paaiškino šiluminį judėjimą skystyje tuo, kad kiekviena molekulė tam tikrą laiką svyruoja aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį, o po to peršoka į naują padėtį, kuri yra tarpatominio atstumo eilės atstumu nuo pradinės. Taigi skysčio molekulės gana lėtai juda per visą skysčio masę. Didėjant skysčio temperatūrai, svyruojančių judesių dažnis smarkiai padidėja, o molekulių mobilumas didėja.

Remiantis Frenkelio modeliu, galima kai ką paaiškinti skiriamieji bruožai skysčio savybės. Taigi skysčiai, net arti kritinės temperatūros, turi daug didesnę klampumas nei dujų, o klampumas mažėja kylant temperatūrai (o ne didėja, kaip dujose). Tai paaiškinama kitokiu impulsų perdavimo proceso pobūdžiu: jį perneša molekulės, kurios šokinėja iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą, ir šie šuoliai daugėja didėjant temperatūrai. Difuzija skysčiuose atsiranda tik dėl molekulinių šuolių, ir tai vyksta daug lėčiau nei dujose. Šilumos laidumas skysčiai atsiranda dėl kinetinės energijos mainų tarp dalelių, svyruojančių aplink savo pusiausvyros padėtį skirtingomis amplitudėmis; staigūs molekulių šuoliai nevaidina pastebimo vaidmens. Šilumos laidumo mechanizmas yra panašus į jo mechanizmą dujose. būdingas bruožas skystis yra jo gebėjimas turėti laisvas paviršius(neriboja vientisos sienos).

Buvo pasiūlyta keletas skysčių molekulinės struktūros teorijų.

1. Zonos modelis. Tam tikru laiko momentu skystis gali būti laikomas susidedančiu iš sričių, kuriose molekulės yra išsidėsčiusios teisinga tvarka ir sudaro tam tikrą mikrokristalą (zoną). Šios sritys yra tarsi atskirtos dujinės būsenos medžiaga. Laikui bėgant šios zonos susidaro kitose vietose ir pan.

2. Kvazikristalinės struktūros teorija. Apsvarstykite kristalą absoliučioje nulinėje temperatūroje (žr. 9.9 pav.)

Jame pasirenkame savavališką kryptį ir nubraižome tikimybės P rasti dujų molekulę tam tikru atstumu nuo kitos pradinėje vietoje esančios molekulės priklausomybę (9.9 pav.). a), o molekulės yra kristalinės gardelės mazguose. Su daugiau aukštos temperatūros(9.9 pav., b) molekulės svyruoja aplink fiksuotas pusiausvyros padėtis, šalia kurių jos laida dauguma laikas. Griežtas tikimybės maksimumų pasikartojimo periodiškumas idealiame kristale savavališkai tęsiasi nuo pasirinktos dalelės; todėl įprasta sakyti, kad kietajame kūne egzistuoja „ilgojo nuotolio tvarka“.

Skysčio atveju (9.9 pav., in) šalia kiekvienos molekulės, jos kaimynai yra daugiau ar mažiau reguliariai, tačiau toli ši tvarka pažeidžiama (trumpojo nuotolio tvarka). Grafike atstumai matuojami molekulės spindulio dalimis (r/r 0).