Problémy v tejto časti zdôrazňujú hlavne myšlienku, že molekuly v plynoch sa nachádzajú vo väčších vzdialenostiach ako v kvapalinách a pevné látky ach, príťažlivé sily medzi nimi sú zanedbateľné, a preto plyny zaberajú veľký objem. (Podobné tvrdenie vo vzťahu k kvapalinám a tuhým látkam vo všeobecnosti nie je pravdivé. Pre tuhé látky veľkú hodnotu má tiež poradie molekúl.)

Druhým konceptom, ktorý sa tvorí v triede VI pri riešení úloh v tejto časti, je rozdiel v charaktere pohybu molekúl v plynoch, kvapalinách a tuhých látkach.

58 (e). Pomocou tyče posuňte zástrčku v pištoli na zemiaky (obr. 14), aby ste pozorovali zníženie objemu vzduchu. Opakujte rovnaký experiment naplnením skúmavky vodou. Vysvetlite rozdiel v stlačiteľnosti vody a vzduchu na základe molekulárnej štruktúry látok.

59. Ako vysvetliť, že para vyrobená vriacou vodou zaberá pri bode varu asi 1700-krát väčší objem ako voda?

Odpoveď. Molekuly pary sa nachádzajú v takej veľkej vzdialenosti od seba, že príťažlivé sily medzi nimi sú zanedbateľné, a preto nemôžu spôsobiť kondenzáciu pary pri danej teplote (pri danej molekulovej rýchlosti).

60 (e). Polovicu vody nalejte do metrovej sklenenej skúmavky a na vrch alkohol a potom ich premiešajte. Ako sa potom zmenil objem kvapaliny? Vysvetli prečo.

Odpoveď. Celkový objem sa znížil v dôsledku hustejšieho balenia molekúl.

61. Vedec Bridgman stláčal olej v oceľovom valci obrovskou silou. Ako môžete vysvetliť, že častice oleja sa objavili na vonkajších stenách valca, hoci v nich neboli žiadne praskliny?

62. Ak stlačíte platne olova a zlata k sebe, potom po chvíli nájdete molekuly olova v zlate a molekuly zlata v olove. Vysvetli prečo.

Riešenie úloh 61 a 62. V tuhých látkach a kvapalinách sú medzi molekulami napriek ich hustému zhlukovaniu malé medzery. Molekuly vykonávajú predovšetkým oscilačné pohyby. Obraz pripomína ľudí v preplnenom autobuse, ktorí sa napriek preplnenosti pohybujú, navzájom si menia miesta alebo prechádzajú náhodne vytvorenými priechodmi.

63 (e). Preskúmajte plát sľudy a rozdeľte ho na tenšie kúsky. Rozbite a preskúmajte veľké kusy stolová soľ... Ako možno na základe molekulárnej štruktúry látky vysvetliť nerovnaké vlastnosti sľudy a soli v rôznych smeroch?

64 (e). Odlomte kúsok varu a vysvetlite, prečo sa pri zlome vždy vytvorí hladký povrch.

Odpoveď. Var je zahustená kvapalina, takže jej molekuly netvoria pravidelne sa striedajúce vrstvy, ako v kryštalickom tele.

Všetka neživá hmota pozostáva z častíc, ktorých správanie sa môže líšiť. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies má svoje vlastné charakteristiky. Častice v pevných látkach sú držané pohromade, pretože sú umiestnené veľmi blízko pri sebe, čo ich robí veľmi silnými. Okrem toho si môžu zachovať určitý tvar, pretože ich najmenšie častice sa prakticky nepohybujú, ale iba vibrujú. Molekuly v kvapalinách sú dosť blízko seba, ale môžu sa voľne pohybovať, takže nemajú svoj vlastný tvar. Častice v plynoch sa pohybujú veľmi rýchlo, zvyčajne je okolo nich veľa miesta, čo znamená ich mierne stlačenie.

Vlastnosti a štruktúra pevných látok

Aká je štruktúra a štrukturálne vlastnosti pevných látok? Sú tvorené časticami, ktoré sú veľmi blízko seba. Nemôžu sa pohybovať a preto ich tvar zostáva nemenný. Aké sú vlastnosti pevnej látky? Nezmršťuje sa, ale ak sa zahreje, potom sa jeho objem bude zväčšovať so zvyšujúcou sa teplotou. Častice totiž začnú vibrovať a pohybovať sa, čo vedie k zníženiu hustoty.

Jednou z vlastností pevných látok je, že majú konštantný tvar. Keď sa pevná látka zahrieva, pohyb častíc sa zvyšuje. Rýchlejšie sa pohybujúce častice sa zrážajú prudšie, čo núti každú časticu tlačiť na svojich susedov. V dôsledku toho zvýšenie teploty zvyčajne vedie k zvýšeniu sily tela.

Kryštalická štruktúra pevných látok

Intermolekulové sily interakcie medzi susednými molekulami tuhej látky sú dostatočne silné na to, aby ich udržali v pevnej polohe. Ak sú tieto najmenšie častice vo vysoko usporiadanej konfigurácii, potom sa takéto štruktúry zvyčajne nazývajú kryštalické. Vnútorným usporiadaním častíc (atómov, iónov, molekúl) prvku alebo zlúčeniny sa zaoberá špeciálna veda - kryštalografia.

Mimoriadne zaujímavé je aj pevné telo. Štúdiom správania častíc, ako fungujú, môžu chemici vysvetliť a predpovedať ako určité typy materiály sa budú správať za určitých podmienok. Najmenšie častice tuhej látky sú usporiadané v mriežke. Ide o takzvané pravidelné usporiadanie častíc, kde dôležitú úlohu zohrávajú rôzne chemické väzby medzi nimi.

Pásová teória štruktúry pevnej látky sa považuje za súbor atómov, z ktorých každý pozostáva z jadra a elektrónov. V kryštálovej štruktúre sa jadrá atómov nachádzajú v uzloch kryštálovej mriežky, ktorá sa vyznačuje určitou priestorovou periodicitou.

Aká je štruktúra kvapaliny?

Štruktúra pevných látok a kvapalín je podobná v tom, že častice, z ktorých sa skladajú, sú v tesnej blízkosti. Rozdiel je v tom, že molekuly sa voľne pohybujú, pretože sila príťažlivosti medzi nimi je oveľa slabšia ako v pevnej látke.

Aké vlastnosti má kvapalina? Po prvé, je to tekutosť a po druhé, kvapalina bude mať tvar nádoby, v ktorej je umiestnená. Ak sa zahreje, objem sa zvýši. Kvôli tesnej blízkosti častíc k sebe nemôže dôjsť k stlačeniu kvapaliny.

Aká je štruktúra a štruktúra plynných telies?

Častice plynu sú umiestnené náhodne, sú tak ďaleko od seba, že medzi nimi nemôže vzniknúť príťažlivá sila. Aké vlastnosti má plyn a aká je štruktúra plynných telies? Plyn spravidla vyplní rovnomerne celý priestor, v ktorom bol umiestnený. Ľahko sa zmršťuje. Rýchlosť častíc plynného telesa sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Tým sa zvyšuje aj tlak.

Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa vyznačuje rôznymi vzdialenosťami medzi najmenšími časticami týchto látok. Častice plynu sú od seba oveľa ďalej ako v pevnom alebo kvapalnom stave. Napríklad vo vzduchu je priemerná vzdialenosť medzi časticami asi desaťnásobkom priemeru každej častice. Objem molekúl je teda len asi 0,1 % z celkového objemu. Zvyšných 99,9 % je prázdne miesto. Naproti tomu častice kvapaliny vypĺňajú asi 70 % celkového objemu kvapaliny.

Každá plynová častica sa voľne pohybuje po priamočiarej dráhe, kým sa nezrazí s inou časticou (plynnou, kvapalnou alebo pevnou). Častice sa zvyčajne pohybujú dostatočne rýchlo a po zrážke dvoch sa od seba odrazia a pokračujú v ceste samé. Tieto kolízie menia smer a rýchlosť. Tieto vlastnosti častíc plynu umožňujú plynom expandovať a vyplniť akýkoľvek tvar alebo objem.

Zmena stavu

Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa môže meniť, ak na ne pôsobí určitý vonkajší vplyv. Môžu sa dokonca za určitých podmienok, napríklad počas vykurovania alebo chladenia, meniť do jedného stavu.

• Odparovanie. Štruktúra a vlastnosti kvapalných telies im umožňujú za určitých podmienok prejsť do úplne iného fyzikálneho stavu. Ak napríklad náhodou rozlejete benzín pri tankovaní do auta, rýchlo ucítite jeho štipľavý zápach. Ako sa to stane? Častice sa pohybujú v kvapaline, prípadne sa určitá časť z nich dostane na povrch. Ich smerový pohyb môže tieto molekuly odniesť z povrchu do priestoru nad kvapalinou, ale príťažlivosť ich stiahne späť. Na druhej strane, ak sa častica pohybuje veľmi rýchlo, môže sa od ostatných odtrhnúť na slušnú vzdialenosť. So zvýšením rýchlosti častíc, ku ktorému zvyčajne dochádza pri zahrievaní, teda dochádza k procesu vyparovania, to znamená k premene kvapaliny na plyn.

Správanie telies v rôznych fyzikálnych stavoch

Štruktúra plynov, kvapalín, pevných látok je spôsobená najmä tým, že všetky tieto látky pozostávajú z atómov, molekúl alebo iónov, ale správanie týchto častíc môže byť úplne odlišné. Častice plynu sú od seba chaoticky vzdialené, molekuly kvapaliny sú blízko seba, ale nie sú tak pevne štruktúrované ako v pevnej látke. Častice plynu vibrujú a pohybujú sa vysokou rýchlosťou. Atómy a molekuly kvapaliny vibrujú, pohybujú sa a kĺžu jeden po druhom. Častice tuhej látky môžu tiež vibrovať, ale pohyb ako taký nie je pre ne charakteristický.

Vlastnosti vnútornej štruktúry

Aby sme pochopili správanie hmoty, musíme najprv študovať vlastnosti jej vnútornej štruktúry. Aké sú vnútorné rozdiely medzi žulou, olivový olej a hélium v ​​balóne? Odpoveď na túto otázku pomôže nájsť jednoduchý model štruktúry hmoty.

Model je zjednodušenou verziou skutočného objektu alebo látky. Napríklad predtým, ako sa začne skutočná výstavba, architekti najprv postavia model stavebného projektu. Takýto zjednodušený model nemusí nevyhnutne znamenať presný popis, ale zároveň môže poskytnúť približnú predstavu o tom, aká bude štruktúra.

Zjednodušené modely

Vo vede však modely nie sú vždy fyzické telá... V priebehu minulého storočia došlo k výraznému nárastu ľudského chápania fyzického sveta. Väčšina nahromadených vedomostí a skúseností je však založená na mimoriadne zložitých konceptoch, napríklad vo forme matematických, chemických a fyzikálnych vzorcov.

Aby ste to všetko pochopili, musíte sa dobre orientovať v týchto presných a zložitých vedách. Vedci vyvinuli zjednodušené modely na vizualizáciu, vysvetlenie a predpovedanie fyzikálnych javov. To všetko výrazne zjednodušuje pochopenie toho, prečo niektoré telesá majú pri určitej teplote stály tvar a objem, iné ich môžu meniť atď.

Všetka hmota sa skladá z malých častíc. Tieto častice sú v neustálom pohybe. Objem pohybu súvisí s teplotou. Zvýšená teplota naznačuje zvýšenie rýchlosti pohybu. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa vyznačuje voľnosťou pohybu ich častíc, ako aj tým, ako silne sú častice navzájom priťahované. Fyzické závisí od toho fyzická kondícia... Vodná para, tekutá voda a ľad majú to isté Chemické vlastnosti, ale ich fyzikálne vlastnosti sú výrazne odlišné.

Bežné kvapaliny sú izotropné, štrukturálne sú to amorfné telesá. Pre vnútorná štruktúra kvapaliny sa vyznačujú krátkodosahovým usporiadaním v usporiadaní molekúl (usporiadané usporiadanie najbližších častíc). Vzdialenosti medzi molekulami sú malé, sily interakcie sú významné, čo vedie k malej stlačiteľnosti kvapalín: malé zníženie vzdialenosti medzi molekulami spôsobuje výskyt veľkých síl medzimolekulového odpudzovania.

Kvapaliny sú podobne ako pevné látky málo stlačiteľné a majú vysokú hustotu, podobne ako plyny, majú formu nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Táto povaha vlastností kvapalín je spojená so zvláštnosťami tepelného pohybu ich molekúl. V plynoch sa molekuly pohybujú náhodne, na malých segmentoch dráhy - translačne, v usporiadaní častíc nie je poriadok. V kryštalických telesách častice kmitajú okolo určitých rovnovážnych polôh – uzlov kryštálovej mriežky. Podľa teórie Ya.I. Frenkela molekuly kvapaliny, podobne ako častice pevnej látky, vibrujú okolo rovnovážnych polôh, ale tieto rovnovážne polohy nie sú konštantné. Po určitom čase, nazývanom čas „usadeného života“, molekula preskočí do novej rovnovážnej polohy vo vzdialenosti rovnajúcej sa priemernej vzdialenosti medzi susednými molekulami.

Vypočítajme priemernú vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny. Môžete si v duchu predstaviť celý objem kvapaliny rozdelený na malé rovnaké kocky s hranou 8. Nech je v priemere jedna molekula v každej kocke. V tomto prípade možno 5 považovať za priemernú vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny. Objem kvapaliny je V = δ 3 N, kde N je celkový počet molekúl kvapaliny. Ak n je koncentrácia molekúl (počet molekúl v 1 m 3), potom N = nV. Z týchto rovníc dostaneme

Aby molekula kvapaliny mohla preskočiť z jednej rovnovážnej polohy do druhej, musia sa prerušiť väzby s okolitými molekulami a musia sa vytvoriť väzby s novými susedmi. Proces štiepenia väzieb vyžaduje vynaloženie energie E a (aktivačnej energie), uvoľnenej pri tvorbe nových väzieb. Takýto prechod molekuly z jednej rovnovážnej polohy do druhej je prechodom cez potenciálnu bariéru výšky E a. Molekula dostáva energiu na prekonanie potenciálnej bariéry v dôsledku energie tepelného pohybu susedných molekúl. Závislosť relaxačného času od teploty kvapaliny a aktivačnej energie vyjadruje vzorec vyplývajúci z Boltzmannovho rozdelenia (pozri § 2.4).

Kde τ 0 je priemerná perióda oscilácie molekuly okolo rovnovážnej polohy.

Keď poznáme priemerný pohyb molekuly, ktorý sa rovná vzdialenosti medzi molekulami δ a priemernému času τ, môžeme určiť priemernú rýchlosť pohybu molekúl v kvapaline:

Táto rýchlosť je malá v porovnaní s priemernou rýchlosťou pohybu molekúl v plyne. Takže napríklad pre molekuly vody je to 20-krát menej ako pre molekuly pary pri rovnakej teplote.

Povrchové napätie

Na rozhraniach medzi kvapalinou a jej nasýtená para, dve nemiešateľné kvapaliny, kvapalina a tuhá látka, sily vznikajú v dôsledku rôznych medzimolekulových interakcií susedných médií.

Každá molekula nachádzajúca sa vo vnútri objemu kvapaliny je rovnomerne obklopená susednými molekulami a interaguje s nimi, ale výslednica týchto síl je nulová. Na molekule umiestnenej v blízkosti rozhrania dvoch prostredí pôsobí v dôsledku nehomogenity prostredia sila, ktorá nie je kompenzovaná inými molekulami kvapaliny. Preto, aby sa molekuly presunuli z objemu do povrchovej vrstvy, musí byť vykonaná práca.

Povrchové napätie (koeficient povrchového napätia) je určené pomerom práce vynaloženej na vytvorenie určitého povrchu kvapaliny pri konštantnej teplote k ploche tohto povrchu:

Podmienkou stabilnej rovnováhy kvapalín je minimálna energia povrchovej vrstvy, preto v neprítomnosti vonkajších síl alebo v stave beztiaže má kvapalina tendenciu mať Minimálny povrch pre daný objem a nadobúda tvar loptu.

Povrchové napätie možno určiť nielen energeticky. Tendencia zmršťovania povrchovej vrstvy kvapaliny znamená prítomnosť tangenciálnych síl v tejto vrstve - sily povrchového napätia. Ak si na hladine kvapaliny vyberieme nejaký segment dĺžky l (obr. 7.8), tak tieto sily môžeme konvenčne znázorniť šípkami kolmými na segment.

V prvom rade treba ešte raz zdôrazniť, že plyn, kvapalina a tuhá látka sú agregované stavy hmoty a v tomto zmysle medzi nimi nie je neprekonateľný rozdiel: každá látka, v závislosti od teploty a tlaku, môže byť v akomkoľvek agregovanom stave. . Zároveň existujú značné rozdiely medzi plynnými, kvapalnými a pevnými telesami. Keďže pevné látky a kvapaliny majú mnoho spoločných vlastností, má zmysel uvažovať v našom kurze o týchto dvoch agregovaných stavoch spoločne.

Podstatný rozdiel medzi plynom na jednej strane a pevnými a kvapalnými telesami na strane druhej je v tom, že plyn zaberá celý objem nádoby, ktorá je mu k dispozícii, zatiaľ čo kvapalina alebo pevná látka umiestnená v nádobe zaberá v nej len celkom určitý objem. . Je to spôsobené rozdielom v povahe tepelného pohybu v plynoch a v pevných látkach a kvapalinách.

Molekuly plynu prakticky nie sú navzájom spojené medzimolekulovými silami (pozri § 35). V každom prípade je priemerná kinetická energia tepelného pohybu molekúl plynu oveľa väčšia ako priemerná potenciálna energia v dôsledku síl súdržnosti medzi nimi. Preto molekuly plynu vytvárajú relatívne veľké voľné dráhy, "rozptyľujú sa" od seba až do vzdialenosti ako to veľkosť nádoby dovoľuje a zaberá celý jej objem. V súlade s tým difúzia v plynoch prebieha pomerne rýchlo.

V pevných látkach a kvapalinách už zohrávajú podstatnú úlohu sily adhézie medzi molekulami (atómami, iónmi), ktoré ich udržiavajú v určitej vzdialenosti od seba (pozri § 35, obr. 67, a). V týchto telesách je priemerná potenciálna energia v dôsledku síl súdržnosti medzi molekulami väčšia ako priemer Kinetická energia tepelný pohyb molekúl Inými slovami, kinetická energia molekúl je v priemere nedostatočná na prekonanie príťažlivých síl medzi nimi.

Kvôli hustému „nabaľovaniu“ molekúl v kvapaline už nerobia voľné chody, ale skôr „tlačia“ na miesto (vibrujú o určitej rovnovážnej polohe). Len z času na čas sa molekula vďaka priaznivej kombinácii zrážok môže presunúť na nové miesto na vzdialenosť porovnateľnú s veľkosťou samotnej molekuly. Prirodzene, difúzia v kvapalinách je oveľa pomalšia ako v plynoch.

V pevnej látke sú častice (molekuly, atómy, ióny) usporiadané v geometricky presne definovanom poradí a tvoria takzvanú kryštálovú mriežku. Častice oscilujú okolo svojich rovnovážnych polôh. Prechody častíc z miesta na miesto v pevnej látke sú možné, ale veľmi zriedkavé. Preto aj keď difúzia existuje aj v pevných látkach, tu prebieha ešte pomalšie ako v kvapalinách.

Fyzikálnu podstatu rozdielu medzi pevným, kvapalným a plynným skupenstvom hmoty možno ešte jasnejšie vysvetliť pomocou potenciálovej krivky interakcie molekúl, s ktorou sme sa už oboznámili v § 35 (pozri obr. 67). , b). Zopakujme túto krivku s niekoľkými dodatkami (obr. 93).

Na osi y je potenciálna energia interakcie molekúl, na vodorovnej osi je vzdialenosť medzi molekulami. Pre pohodlie porovnania budú hodnoty priemernej kinetickej energie tepelného pohybu molekúl posunuté od spodnej úrovne B potenciálnej studne.

Ak je priemerná kinetická energia tepelného pohybu molekúl oveľa menšia ako hĺbka potenciálnej jamy, potom molekuly vykonávajú malé vibrácie a zostávajú v spodnej časti potenciálnej jamy (pod úrovňou Tento prípad zodpovedá pevnému stavu záležitosť.

Ak je priemerná kinetická energia tepelného pohybu molekúl o niečo menšia ako hĺbka potenciálnej studne, potom molekuly vykonávajú významné vibračné pohyby, ale všetky zostanú v potenciálnej studni. Tento prípad zodpovedá kvapalnému stavu látky.

Ak je priemerná kinetická energia tepelného pohybu molekúl oveľa väčšia ako hĺbka potenciálnej studne, potom z nej molekuly uniknú a po strate prepojenia sa budú voľne pohybovať (voľne jazdiť). Tento prípad zodpovedá plynnému stavu látky.

Významný rozdiel medzi plynom na jednej strane a pevnými látkami a kvapalinami na druhej strane je spôsobený tým, že pre molekuly plynu je hodnota priemernej kinetickej energie tepelného pohybu väčšia ako hĺbka potenciálu studňa a pre molekuly pevných a kvapalných telies je menšia ako hĺbka potenciálnej studne.

Vzhľadom na to, že molekuly pevnej látky sú navzájom spojené silnejšie ako molekuly kvapaliny, pevná látka sa na rozdiel od kvapaliny vyznačuje nielen objemovou, ale aj tvarovou stálosťou. Pozrime sa trochu podrobnejšie na otázku kryštalickej štruktúry pevnej látky.

Charakteristický vonkajší znak kryštál je jeho geometricky pravidelný tvar (obr. 94). Takže napríklad kryštál kuchynskej soli má tvar kocky (a), ľadový kryštál má tvar šesťhranného hranolu, diamantový kryštál má tvar osemstenu (oktaedra, c) atď. kryštalická látka, uhol medzi plochami (plochami), ktorý ju obmedzuje, má prísne

určitá hodnota (pre stolovú soľ - 90 °, pre ľad - 120 ° atď.). Kryštály sa ľahko delia pozdĺž určitých rovín, ktoré sa nazývajú štiepne roviny. V tomto prípade sa získajú kryštály menšej veľkosti, ale rovnakého tvaru. Keď sa teda rozdrví kryštál kuchynskej soli, vytvoria sa malé kocky a pravouhlé rovnobežnosteny.

Poznamenané skutočnosti naznačovali svojho času predstavu, že kryštalické telo je postavené z elementárnych buniek (kociek, alebo šesťhranných hranolov, alebo oktaedrov atď., ktoré sú navzájom pevne spojené. A to znamená, že častice kryštalického tela (molekuly alebo atómy) alebo ióny) sú navzájom usporiadané v striktne symetrickom poradí a tvoria priestorovú alebo kryštalickú mriežku; umiestnenia častíc sa nazývajú mriežkové miesta.

Túto hypotézu predložil v roku 1848 francúzsky kryštalograf Bravais.

Príkladom najjednoduchšej priestorovej mriežky je kryštálová mriežka kuchynskej soli (obr. 95, a). Jeho základná bunka s okrajom a (na obrázku zvýraznená hrubými čiarami) je tvorená kladnými iónmi sodíka a záporné ióny chlór umiestnený na vrcholoch kocky.

Tvary priestorových mriežok môžu byť rôzne, ale nie ľubovoľné: je potrebné, aby elementárne bunky tvoriace mriežku boli blízko seba, bez medzier, čo zodpovedá minimálnej potenciálnej energii mriežky. Požadovaným spôsobom môžete napríklad položiť kubické bunky a bunky vo forme šesťhranných hranolov (obr. 95, b a c), ale nemôžete položiť bunky vo forme päťstenných hranolov (obr. 95, d) .

V roku 1890 E.S. Fedorov teoreticky vypočítal všetky možné formy kryštálových mriežok, ktorých bunky umožňujú tesné balenie, a zistil, že iba 230 odlišné typy kryštálové mriežky tvoriace 32 tried symetrie. Röntgenové štúdie kryštálov uskutočnené v súčasnom storočí (pozri § 125) potvrdili, že kryštály sú zložené zo symetricky usporiadaných častíc (atómov, alebo molekúl, alebo iónov), ktoré tvoria kryštálovú mriežku. Okrem toho röntgenová štrukturálna analýza Vysoké číslo prírodných a umelých kryštálov sa našlo len 230 rôznych typov kryštálových mriežok - úplná zhoda s teoretickými výpočtami E. S. Fedorova.

Symetria usporiadania častíc v kryštálovej mriežke je spôsobená tým, že v tomto prípade sú sily vzájomného pôsobenia (priťahovania a odpudzovania) medzi časticami vyrovnané (pozri § 35). V tomto prípade je potenciálna energia častíc minimálna.

Vzdialenosti medzi časticami v kryštáli sú malé - rádovo podľa veľkosti častíc samotných. Vzdialenosť medzi molekulami v kvapaline je rovnakého rádu, pretože, ako je známe, počas topenia kryštálu nedochádza k výraznému zväčšeniu jeho objemu.

Pozoruhodnou vlastnosťou kryštálu je jeho anizotropia; v rôznych smeroch má kryštál rôzne fyzikálne vlastnosti... Napríklad anizotropia pevnosti je vlastná všetkým kryštálom bez výnimky; prevažná väčšina kryštálov je anizotropná, čo sa týka tepelnej vodivosti, elektrickej vodivosti, lomu atď. Anizotropia kryštálov sa vysvetľuje najmä tým, že v priestorovej mriežke je rôzny počet častíc na rovnakú dĺžku, ale rozdielne smerové segmenty. ako je znázornené na obr. 96 (na vodorovnom reze mriežky je 8 častíc, na naklonenej časti - 6 častíc, na druhej naklonenej časti - 3 častice). Je zrejmé, že rozdiel v hustote usporiadania častíc kryštálovej mriežky v rôznych smeroch by mal viesť k rozdielu v mnohých ďalších vlastnostiach v týchto smeroch kryštálu.

Kryštalický stav je v prírode veľmi bežný: väčšina pevných látok (minerály, kovy, rastlinné vlákna, bielkovinové látky, sadze, guma atď.) sú kryštály. Nie všetky tieto telesá však majú rovnaké zreteľne vyjadrené kryštalické vlastnosti, o ktorých sme uvažovali vyššie. Z tohto hľadiska sú telesá rozdelené do dvoch skupín: monokryštály a polykryštály. Monokryštál je teleso, ktorého všetky častice zapadajú do jednej spoločnej priestorovej mriežky. Monokryštál je anizotropný. Monokryštály

je väčšina minerálov. Polykryštál je teleso pozostávajúce z mnohých malých monokryštálov náhodne umiestnených voči sebe navzájom. Preto sú polykryštály izotropné, to znamená, že majú rovnaké fyzikálne vlastnosti vo všetkých smeroch. Príkladmi polykryštálov sú kovy. Kov však možno získať aj vo forme monokryštálu, ak sa tavenina pomaly ochladzuje, pričom sa do nej predtým vnesie jeden kryštál daného kovu (tzv. jadro). Okolo tohto jadra vyrastie kovový monokryštál.

V závislosti od toho, ktoré častice sa tvoria z kryštálovej mriežky, existujú štyri hlavné skupiny mriežok: iónové, atómové, molekulárne a kovové.

Iónová mriežka je tvorená opačne nabitými iónmi, ktoré sú na miestach mriežky držané elektrickými silami. Prevažná väčšina kryštálov má iónovú mriežku.

Atómovú mriežku tvoria neutrálne atómy držané na miestach mriežky chemickými (valenčnými) väzbami: vonkajšie (valenčné) elektróny sú socializované v susedných atómoch. Napríklad grafit má atómovú mriežku.

Molekulová mriežka je tvorená polárnymi (dipólovými) molekulami (pozri § 81), ktoré sú tiež držané v miestach mriežky elektrickými silami. Avšak pre polárne molekuly je účinok týchto síl slabší ako pre ióny. Preto látky s molekulárna mriežka sa pomerne ľahko deformujú. Molekulárna kryštálová mriežka má väčšinu Organické zlúčeniny(celulóza, guma, parafín atď.).

Kovová mriežka je tvorená kladnými kovovými iónmi obklopenými voľnými elektrónmi. Práve tieto elektróny spájajú ióny kovovej mriežky. Táto mriežka je typická pre kovy.

Moderná fyzika považuje kryštalické telesá za pevné látky. Kvapaliny, ako už bolo uvedené, sa vyznačujú náhodným usporiadaním častíc, a preto sú kvapaliny izotropné. Niektoré kvapaliny môžu byť veľmi podchladené bez toho, aby prešli do pevného (kryštalického) stavu. Viskozita takýchto kvapalín je však taká obrovská, že prakticky strácajú svoju tekutosť a zachovávajú si, podobne ako tuhé látky, svoj tvar. Takéto telesá sa nazývajú amorfné. Moderná fyzika teda považuje amorfné telesá za podchladené kvapaliny s obrovskou viskozitou. Medzi amorfné telesá patrí napríklad smola, sklo, živica a kolofónia atď. Je zrejmé, že amorfné telesá sú izotropné. Treba si však uvedomiť, že amorfné telesá môžu časom (dlho) prejsť do kryštalického stavu. Napríklad v skle sa postupom času objavujú kryštály: začína sa zakalovať, mení sa na polykryštalické telo.

V nedávne časy v technike sú rozšírené organické amorfné látky, ktorých jednotlivé molekuly

v dôsledku chemických (valenčných) väzieb sa navzájom spájajú (polymerizujú) do dlhých reťazcov, v niektorých prípadoch pozostávajúcich z mnohých tisícok jednotlivých molekúl. Takéto látky sa nazývajú polyméry Typickými polymérmi sú plasty. Veľmi cennou vlastnosťou polymérov je ich vysoká elasticita a pevnosť. Niektoré polyméry napríklad vydržia elastické natiahnutie 2-5-násobku svojej pôvodnej dĺžky. Tieto vlastnosti polyméru sú vysvetlené skutočnosťou, že dlhé molekulové reťazce sa môžu pri deformácii zvinúť do tesných zvitkov alebo naopak, natiahnuť sa do priamych línií. V súčasnosti sa z prírodných a umelých organických zlúčenín vyrábajú polyméry so širokou škálou vopred určených vlastností.

Vlastnosti molekulárnej štruktúry kvapalín

Kvapalina zaujíma medziľahlú polohu vo vlastnostiach a štruktúre medzi plynmi a pevnými látkami kryštalické látky... Preto má vlastnosti ako plynné, tak aj pevné látky... V molekulárnej kinetickej teórii sú rôzne stavy agregácie látky spojené s rôznym stupňom usporiadania molekúl. Pri pevných látkach sa používa tzv dlhodobá objednávka v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa na veľké vzdialenosti. V kvapalinách, tzv uzavrieť objednávku v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa na vzdialenosti, je porovnateľné s medziatómovými. Pri teplotách blízkych teplote kryštalizácie je štruktúra kvapaliny blízka pevnej látke. Pri vysokých teplotách, blízko bodu varu, štruktúra kvapaliny zodpovedá plynnému stavu - takmer všetky molekuly sa podieľajú na chaotickom tepelnom pohybe.

Kvapaliny, podobne ako pevné látky, majú určitý objem a podobne ako plyny majú podobu nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Molekuly plynu prakticky nie sú navzájom spojené silami intermolekulárnej interakcie a v tento prípad priemerná energia tepelného pohybu molekúl plynu je oveľa väčšia ako priemerná potenciálna energia v dôsledku príťažlivých síl medzi nimi, preto sa molekuly plynu rozptyľujú v rôznych smeroch a plyn zaberá objem, ktorý je im poskytnutý. V pevných látkach a kvapalinách sú už príťažlivé sily medzi molekulami významné a udržujú molekuly v určitej vzdialenosti od seba. V tomto prípade je priemerná energia tepelného pohybu molekúl menšia ako priemerná potenciálna energia v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie a nestačí na prekonanie príťažlivých síl medzi molekulami; preto pevné látky a kvapaliny majú určitý objem.

Tlak v kvapalinách sa veľmi prudko zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a zmenšujúcim sa objemom. Objemová expanzia kvapalín je oveľa menšia ako objemová expanzia pár a plynov, pretože sily viažuce molekuly v kvapaline sú výraznejšie; rovnaká poznámka platí pre tepelnú rozťažnosť.

Tepelné kapacity kvapalín sa zvyčajne zvyšujú s teplotou (aj keď len mierne). Pomer C p / CV sa prakticky rovná jednotke.

Teória tekutín ešte nie je úplne rozvinutá. Vývoj množstva problémov pri štúdiu komplexných vlastností kvapalín patrí Ya.I. Frenkel (1894-1952). Tepelný pohyb v kvapaline vysvetlil tak, že každá molekula nejaký čas vibruje okolo určitej rovnovážnej polohy, po ktorej preskočí do novej polohy, ktorá je vo vzdialenosti rádovo medziatómovej vzdialenosti od pôvodnej. Molekuly kvapaliny sa teda pohybujú pomerne pomaly v celej hmote kvapaliny. So zvyšujúcou sa teplotou kvapaliny sa frekvencia vibračného pohybu prudko zvyšuje a pohyblivosť molekúl sa zvyšuje.

Frenkelov model môže niektoré vysvetliť charakteristické rysy vlastnosti kvapaliny. Kvapaliny teda aj blízko kritickej teploty majú oveľa vyššiu viskozita ako plyny a viskozita so zvyšujúcou sa teplotou klesá (a nezvyšuje sa, ako pri plynoch). Vysvetľuje sa to odlišnou povahou procesu prenosu hybnosti: prenášajú ho molekuly, ktoré preskakujú z jedného rovnovážneho stavu do druhého a tieto skoky so zvyšujúcou sa teplotou sú výrazne častejšie. Difúzia v kvapalinách sa vyskytuje iba v dôsledku skokov molekúl a vyskytuje sa oveľa pomalšie ako v plynoch. Tepelná vodivosť kvapalina je spôsobená výmenou kinetickej energie medzi časticami vibrujúcimi okolo svojich rovnovážnych polôh s rôznymi amplitúdami; prudké skoky molekúl nehrajú významnú úlohu. Mechanizmus vedenia tepla je podobný ako v plynoch. Charakteristický znak tekutina je jej schopnosť mať voľný povrch(neobmedzuje sa len na pevné steny).

Pre molekulárnu štruktúru kvapalín bolo navrhnutých niekoľko teórií.

1. Zónový model. V danom časovom okamihu sa kvapalina môže považovať za pozostávajúcu z oblastí, v ktorých sú molekuly usporiadané v správnom poradí a tvoria určitý druh mikrokryštálov (zóny). Tieto oblasti sú akoby oddelené látkou v plynnom stave. Postupom času sa tieto oblasti tvoria na iných miestach atď.

2. Teória kvázikryštalickej štruktúry. Uvažujme kryštál pri absolútnej nulovej teplote (pozri obr. 9.9.)

Vyberme si v ňom ľubovoľný smer a zostavme graf závislosti pravdepodobnosti P nájdenia molekuly plynu v určitej vzdialenosti od inej molekuly umiestnenej v počiatku (obr. 9.9.). a), zatiaľ čo molekuly sú umiestnené v miestach kryštálovej mriežky. S viac vysoká teplota(Obrázok 9.9, b) molekuly kmitajú okolo pevných rovnovážnych polôh, v blízkosti ktorých sa pohybujú najviacčas. Striktná periodicita opakovania maxima pravdepodobnosti v ideálnom kryštáli siaha ľubovoľne ďaleko od vybranej častice; preto sa zvykne hovoriť, že „riadok na veľké vzdialenosti“ existuje v pevnej forme.

V prípade kvapaliny (obrázok 9.9, v) v blízkosti každej molekuly sa jej susedia nachádzajú viac-menej pravidelne, ale ďaleko je toto poradie porušené (poradie krátkeho dosahu). V grafe sú vzdialenosti merané v zlomkoch molekulového polomeru (r / r 0).