Težave v tem delu poudarjajo predvsem idejo, da se molekule v plinih nahajajo na večjih razdaljah kot v tekočinah in trdne snovi ah, privlačne sile med njimi so nepomembne in zato plini zasedajo veliko prostornino. (Podobna izjava v zvezi s tekočinami in trdnimi snovmi je na splošno napačna. Za trdne snovi dobra vrednost ima tudi vrstni red molekul.)
Drugi koncept, ki se oblikuje v VI razredu pri reševanju nalog v tem razdelku, je razlika v naravi gibanja molekul v plinih, tekočinah in trdnih snoveh.
58(e). S palico premaknite čep v pištoli za krompir (slika 14) in opazujte zmanjšanje količine zraka. Naredite podoben poskus tako, da epruveto napolnite z vodo. Pojasnite razliko v stisljivosti vode in zraka glede na strukturo molekul snovi.
59. Kako razložiti, da para, ki nastane pri vreli vodi, zavzame približno 1700-krat večji volumen kot voda pri vrelišču?
Odgovori. Molekule pare se nahajajo na tako veliki razdalji druga od druge, da so privlačne sile med njimi nepomembne in zato ne morejo povzročiti kondenzacije pare pri določeni temperaturi (pri določeni hitrosti gibanja molekul).
60(e). Polmetrsko stekleno cev napolnite z vodo in alkoholom do vrha ter ju nato premešajte. Kako se je po tem spremenila prostornina tekočine? Razloži zakaj.
Odgovori. Skupna prostornina se je zmanjšala zaradi gostejšega pakiranja molekul.
61. Znanstvenik Bridgman je stisnil olje v jeklenem valju z ogromno silo. Kako razložiti, da so delci olja štrleli na zunanjih stenah valja, čeprav v njih ni bilo razpok?
62. Če pritisnete plošče svinca in zlata eno proti drugi, lahko čez nekaj časa najdete molekule svinca v zlatu in molekule zlata v svincu. Razloži zakaj.
Rešitev nalog 61 in 62. V trdnih snoveh in tekočinah obstajajo majhne vrzeli med molekulami, kljub njihovi tesni embalaži. Molekule izvajajo predvsem vibracijska gibanja. Slika spominja na ljudi v nabito polnem avtobusu, ki se kljub utesnjenosti premikajo, med seboj menjajo mesta ali prehajajo v naključno oblikovane prehode.
63(e). Preglejte ploščo sljude in jo razdelite na tanjše lističe. Razlomite in preglejte velike kose namizna sol. Kako na podlagi molekularne zgradbe snovi razložiti neenake lastnosti sljude in soli v različnih smereh?
64(e). Odlomite košček laka in razložite, zakaj na prelomu vedno nastane gladka površina.
Odgovori. Var je zgoščena tekočina, zato njene molekule ne tvorijo pravilno izmenjujočih se plasti, kot v kristalni trdnini.
Vsa neživa snov je sestavljena iz delcev, ki se lahko obnašajo drugače. Struktura plinastih, tekočih in trdnih teles ima svoje značilnosti. Delci v trdnih snoveh se držijo skupaj tako, da so zelo blizu skupaj, zaradi česar so zelo močni. Poleg tega lahko ohranijo določeno obliko, saj se njihovi najmanjši delci praktično ne premikajo, ampak samo vibrirajo. Molekule v tekočinah so precej blizu druga drugi, vendar se lahko prosto gibljejo, zato nimajo svoje oblike. Delci v plinih se premikajo zelo hitro in okoli njih je običajno veliko prostora, kar pomeni, da jih je mogoče zlahka stisniti.
Lastnosti in zgradba trdnih snovi
Kakšna je struktura in strukturne značilnosti trdnih snovi? Sestavljeni so iz delcev, ki se nahajajo zelo blizu drug drugega. Ne morejo se premikati, zato njihova oblika ostane fiksna. Kakšne so lastnosti trdne snovi? Ne stisne se, če pa ga segrejemo, se bo njegova prostornina povečala z naraščajočo temperaturo. To se zgodi, ker delci začnejo vibrirati in se premikati, kar povzroči zmanjšanje gostote.
Ena od značilnosti trdnih snovi je, da imajo konstantno obliko. Ko se trdna snov segreje, se gibanje delcev poveča. Hitreje gibajoči se delci močneje trčijo, zaradi česar vsak delec potiska svoje sosede. Zato povišanje temperature običajno povzroči povečanje telesne moči.
Kristalna zgradba trdnih snovi
Medmolekulske sile interakcije med sosednjimi molekulami trdne snovi so dovolj močne, da jih držijo v fiksnem položaju. Če so ti najmanjši delci v zelo urejeni konfiguraciji, se takšne strukture običajno imenujejo kristalne. Z vprašanji notranjega reda delcev (atomov, ionov, molekul) elementa ali spojine se ukvarja posebna veda - kristalografija.
Posebej zanimive so tudi trdne snovi. S proučevanjem obnašanja delcev in njihove strukture lahko kemiki pojasnijo in predvidijo, kako določene vrste materiali se bodo obnašali pod določenimi pogoji. Najmanjši delci trdne snovi so razporejeni v mrežo. Gre za tako imenovano pravilno razporeditev delcev, kjer imajo pomembno vlogo različne kemične vezi med njimi.
Pasovna teorija zgradbe trdnega telesa ga obravnava kot zbirko atomov, od katerih je vsak po vrsti sestavljen iz jedra in elektronov. V kristalni strukturi se jedra atomov nahajajo v nodulah kristalna mreža, za katerega je značilna določena prostorska periodičnost.
Kakšna je struktura tekočine?
Struktura trdnih snovi in tekočin je podobna, saj se delci, iz katerih so sestavljene, nahajajo blizu. Razlika je v tem, da se molekule prosto gibljejo, saj je sila privlačnosti med njimi veliko šibkejša kot v trdnem telesu.
Kakšne lastnosti ima tekočina? Prvi je pretočnost, drugi pa ta, da bo tekočina prevzela obliko posode, v katero je postavljena. Če ga segrejete, se glasnost poveča. Zaradi neposredne bližine delcev drug drugemu se tekočina ne more stisniti.
Kakšna je struktura in zgradba plinastih teles?
Delci plina so razporejeni naključno, tako daleč so drug od drugega, da med njimi ne more nastati privlačna sila. Kakšne lastnosti ima plin in kakšna je zgradba plinastih teles? Plin praviloma enakomerno zapolni ves prostor, v katerem je bil nameščen. Z lahkoto se stisne. Hitrost delcev plinastega telesa narašča z naraščanjem temperature. Hkrati se poveča tudi pritisk.
Za zgradbo plinastih, tekočih in trdnih teles so značilne različne razdalje med najmanjšimi delci teh snovi. Delci plina so veliko bolj oddaljeni od trdnih ali tekočih delcev. V zraku je na primer povprečna razdalja med delci približno desetkrat večja od premera posameznega delca. Tako prostornina molekul zavzema le okoli 0,1 % celotne prostornine. Preostalih 99,9 % je prazen prostor. Nasprotno pa delci tekočine zapolnijo približno 70% celotne prostornine tekočine.
Vsak delec plina se prosto giblje po ravni poti, dokler ne trči z drugim delcem (plin, tekočina ali trdna snov). Delci se običajno premikajo precej hitro, po trku dveh pa se odbijejo in pot nadaljujejo sami. Ti trki spreminjajo smer in hitrost. Te lastnosti delcev plina omogočajo, da se plini razširijo in zapolnijo poljubno obliko ali prostornino.
Sprememba stanja
Struktura plinastih, tekočih in trdnih teles se lahko spremeni, če so izpostavljena določenemu zunanjemu vplivu. Pod določenimi pogoji se lahko celo spremenijo v stanja drug drugega, na primer med segrevanjem ali ohlajanjem.
- Izhlapevanje. Struktura in lastnosti tekočih teles jim omogočajo, da se pod določenimi pogoji spremenijo v popolnoma drugačno agregatno stanje. Na primer, če med točenjem avtomobila pomotoma polijete bencin, lahko hitro opazite njegov oster vonj. Kako se to zgodi? Delci se premikajo po tekočini in sčasoma dosežejo površino. Njihovo usmerjeno gibanje lahko odnese te molekule čez površino v prostor nad tekočino, vendar jih bo gravitacija potegnila nazaj. Po drugi strani pa, če se delec premika zelo hitro, se lahko od drugih loči na precejšnjo razdaljo. Tako s povečanjem hitrosti delcev, ki se običajno pojavi pri segrevanju, pride do procesa izhlapevanja, to je pretvorbe tekočine v plin.
Obnašanje teles v različnih agregatnih stanjih
Struktura plinov, tekočin in trdnih snovi je predvsem posledica dejstva, da so vse te snovi sestavljene iz atomov, molekul ali ionov, obnašanje teh delcev pa je lahko popolnoma drugačno. Delci plina so naključno razporejeni drug od drugega, molekule tekočine so blizu druga drugi, vendar niso tako togo strukturirane kot v trdni snovi. Delci plina vibrirajo in se premikajo z velikimi hitrostmi. Atomi in molekule tekočine vibrirajo, se premikajo in drsijo drug mimo drugega. Delci trdnega telesa lahko tudi vibrirajo, vendar gibanje kot tako zanje ni značilno.
Značilnosti notranje strukture
Da bi razumeli obnašanje snovi, morate najprej preučiti značilnosti njene notranje strukture. Kakšne so notranje razlike med granitom, olivno olje in helij v balonu? Preprost model strukture snovi bo pomagal odgovoriti na to vprašanje.
Model je poenostavljena različica realnega predmeta ali snovi. Na primer, preden se dejanska gradnja začne, arhitekti najprej izdelajo model gradbenega projekta. Tako poenostavljen model ne pomeni nujno natančnega opisa, hkrati pa lahko daje približno predstavo o tem, kakšna bo določena struktura.
Poenostavljeni modeli
V znanosti pa modeli niso vedno fizična telesa. V zadnjem stoletju se je človekovo razumevanje fizičnega sveta znatno povečalo. Vendar velik del zbranega znanja in izkušenj temelji na izjemno kompleksnih konceptih, kot so matematične, kemijske in fizikalne formule.
Da bi razumeli vse to, morate biti precej dobro seznanjeni s temi natančnimi in kompleksnimi znanostmi. Znanstveniki so razvili poenostavljene modele za vizualizacijo, razlago in napoved fizikalnih pojavov. Vse to zelo poenostavi razumevanje, zakaj imajo nekatera telesa pri določeni temperaturi stalno obliko in prostornino, druga pa jih lahko spreminjajo itd.
Vsa snov je sestavljena iz drobnih delcev. Ti delci so v stalnem gibanju. Količina gibanja je povezana s temperaturo. Vročina kaže na povečanje hitrosti gibanja. Struktura plinastih, tekočih in trdnih teles se razlikuje po svobodi gibanja njihovih delcev, pa tudi po tem, kako močno se delci medsebojno privlačijo. Fizično odvisno od tega fizično stanje. Enako imajo vodna para, tekoča voda in led Kemijske lastnosti, vendar se njihove fizikalne lastnosti bistveno razlikujejo.
Navadne tekočine so izotropne, po strukturi so amorfna telesa. Za notranja struktura Za tekočine je značilen red v razporeditvi molekul kratkega dosega (urejena razporeditev bližnjih delcev). Razdalje med molekulami so majhne, interakcijske sile so pomembne, kar vodi do nizke stisljivosti tekočin: majhno zmanjšanje razdalje med molekulami povzroči pojav velikih medmolekularnih odbojnih sil.
Tako kot trdne snovi so tudi tekočine rahlo stisljive in imajo veliko gostoto, podobno kot plini pa zavzamejo obliko posode, v kateri se nahajajo. Ta narava lastnosti tekočin je povezana s posebnostmi toplotnega gibanja njihovih molekul. V plinih se molekule gibljejo naključno, na majhnih odsekih poti se gibljejo progresivno in v razporeditvi delcev ni reda. V kristalnih telesih delci vibrirajo okoli določenih ravnotežnih položajev – vozlišč kristalne mreže. Po teoriji Ya. I. Frenkela molekule tekočine, tako kot delci trdnega telesa, nihajo okoli ravnotežnih položajev, vendar ti ravnotežni položaji niso konstantni. Po določenem času, imenovanem čas "ustaljene življenjske dobe", molekula skoči v nov ravnotežni položaj na razdalji, ki je enaka povprečni razdalji med sosednjimi molekulami.
Izračunajmo povprečno razdaljo med molekulami tekočine. V mislih si lahko predstavljate celotno prostornino tekočine, razdeljeno na majhne enake kocke z robom 8. Naj bo v povprečju ena molekula v vsaki kocki. V tem primeru lahko 5 štejemo za povprečno razdaljo med molekulami tekočine. Prostornina tekočine je enaka V = δ 3 N, kjer je N skupno število molekul tekočine. Če je n koncentracija molekul (število molekul v 1 m3), potem je N = nV. Iz teh enačb dobimo
Da lahko molekula tekočine preskoči iz enega ravnotežnega položaja v drugega, je treba pretrgati vezi z okoliškimi molekulami in oblikovati vezi z novimi sosedami. Proces pretrganja vezi zahteva porabo energije E a (aktivacijska energija), ki se sprosti pri nastajanju novih vezi. Takšen prehod molekule iz enega ravnotežnega položaja v drugega je prehod skozi potencialno pregrado višine E a. Molekula prejme energijo za premagovanje potencialne ovire zaradi energije toplotnega gibanja sosednjih molekul. Odvisnost relaksacijskega časa od temperature tekočine in aktivacijske energije izrazimo s formulo, ki izhaja iz Boltzmannove porazdelitve (glej § 2.4).
Kjer je τ 0 povprečno obdobje nihanja molekule okoli ravnotežnega položaja.
Če poznamo povprečno gibanje molekule, ki je enako razdalji med molekulami δ, in povprečni čas τ, lahko določimo povprečno hitrost gibanja molekul v tekočini:
Ta hitrost je majhna v primerjavi s povprečno hitrostjo molekul v plinu. Na primer, za molekule vode je 20-krat manj kot za molekule pare pri enaki temperaturi.
Površinska napetost
Na meji med tekočino in njenim nasičena para, dveh nemešljivih tekočin, tekočine in trdne snovi, nastanejo sile zaradi različnih medmolekulskih interakcij sosednjih medijev.
Vsaka molekula, ki se nahaja v prostornini tekočine, je enakomerno obdana s sosednjimi molekulami in z njimi sodeluje, vendar je rezultanta teh sil enaka nič. Zaradi heterogenosti okolja je molekula, ki se nahaja blizu meje dveh medijev, podvržena sili, ki je ne kompenzirajo druge molekule tekočine. Zato je za premikanje molekul iz mase v površinsko plast potrebno delo.
Površinska napetost (koeficient površinske napetosti) je določena z razmerjem dela, porabljenega za ustvarjanje določene površine tekočine pri konstantni temperaturi, na površino te površine:
Pogoj za stabilno ravnotežje tekočin je minimalna energija površinske plasti, zato ima tekočina v odsotnosti zunanjih sil ali v breztežnostnem stanju za dano prostornino minimalno površino in ima obliko krogla.
Površinsko napetost je mogoče določiti ne le energijsko. Želja površinske plasti tekočine, da se skrči, pomeni prisotnost tangencialnih sil v tej plasti - sile površinske napetosti. Če na površini tekočine izberete določen segment dolžine l (slika 7.8), potem lahko te sile konvencionalno predstavite s puščicami, pravokotnimi na segment.
Najprej je treba še enkrat poudariti, da so plin, tekočina in trdna snov agregatna stanja snovi in v tem smislu med njimi ni nepremostljive razlike: vsaka snov, odvisno od temperature in tlaka, je lahko v katerem koli od agregatnih stanj. . Vendar pa obstajajo pomembne razlike med plinastimi, tekočimi in trdnimi telesi. Ker imajo trdne snovi in tekočine veliko skupnih lastnosti, je smiselno, da ti dve agregatni stanji obravnavamo skupaj v našem tečaju.
Bistvena razlika med plinom na eni strani ter trdnimi in tekočimi telesi na drugi je v tem, da plin zasede celotno prostornino posode, ki mu je namenjena, medtem ko tekočina ali trdna snov, ki je v posodi, zavzame le določeno prostornino v njej. To je posledica razlike v naravi toplotnega gibanja v plinih ter v trdnih in tekočih telesih.
Molekule plina med seboj praktično niso povezane z medmolekulskimi silami (glej §35). V vsakem primeru je povprečna kinetična energija toplotnega gibanja molekul plina veliko večja od povprečne potencialne energije, ki jo povzročajo kohezijske sile med njimi, zato molekule plina naredijo razmeroma velike proste poti in se »razpršijo« druga od druge vse do velikost plovila omogoča in zavzema celotno prostornino. V skladu s tem poteka difuzija v plinih precej hitro.
V trdnih snoveh in tekočinah kohezijske sile med molekulami (atomi, ioni) že igrajo pomembno vlogo, saj jih držijo na določeni razdalji drug od drugega (glej § 35, slika 67, a). Pri teh telesih je povprečna potencialna energija zaradi adhezijskih sil med molekulami večja od povprečja kinetična energija toplotno gibanje molekul Z drugimi besedami, v povprečju je kinetična energija molekul nezadostna, da bi premagala sile privlačnosti med njimi.
Zahvaljujoč gostemu "pakiranju" molekul v tekočini, ne delajo več prostih tekov, ampak se zdi, da "tiskajo" na mestu (nihajo okoli določenega ravnotežnega položaja). Le od časa do časa se lahko molekula zaradi ugodne kombinacije trkov premakne na novo mesto na razdalji, ki je primerljiva z velikostjo same molekule. Seveda difuzija v tekočinah poteka veliko počasneje kot v plinih.
V trdnem telesu so delci (molekule, atomi, ioni) razporejeni v geometrijsko strogo določenem vrstnem redu in tvorijo tako imenovano kristalno mrežo. Delci izvajajo nihajna gibanja okoli svojih ravnotežnih položajev. Prehodi delcev iz mesta v mesto v trdni snovi so možni, a zelo redki. Čeprav torej difuzija obstaja tudi v trdnih snoveh, poteka tu še počasneje kot v tekočinah.
Fizikalno bistvo razlike med trdnim, tekočim in plinastim stanjem snovi je mogoče še bolj jasno razložiti z uporabo potencialne krivulje interakcije molekul, s katero smo se že seznanili v § 35 (glej sliko 67, b). Ponovimo to krivuljo z nekaj dodatki (slika 93).
Na ordinatni osi je prikazana potencialna energija interakcije med molekulami, na abscisni osi pa razdalja med molekulami. Za udobje primerjave bodo vrednosti povprečne kinetične energije toplotnega gibanja molekul narisane od nivoja dna B potencialne vrtine.
Če je povprečna kinetična energija toplotnega gibanja molekul bistveno manjša od globine potencialne jame, potem so molekule podvržene majhnim vibracijam in ostanejo v spodnjem delu potencialne vrtine (pod nivojem).Ta primer ustreza trdnemu stanju snovi.
Če je povprečna kinetična energija toplotnega gibanja molekul nekoliko manjša od globine potencialne jame, potem so molekule podvržene znatnim vibracijskim gibom, vendar bodo vse ostale znotraj potencialne jame. Ta primer ustreza tekočemu stanju snovi.
Če je povprečna kinetična energija toplotnega gibanja molekul bistveno večja od globine potencialne vdolbinice, se bodo molekule izločile iz nje in se po izgubi medsebojne povezave prosto gibale (naredile proste teke). Ta primer ustreza plinastemu stanju snovi.
Tako je pomembna razlika med plinom na eni strani ter trdnimi in tekočimi telesi na drugi strani posledica dejstva, da je za molekule plina vrednost povprečne kinetične energije toplotnega gibanja večja od globine potencialne jame, pri molekulah trdnih in tekočih teles pa manjša od globine potencialne jame.
Zaradi dejstva, da so molekule trdne snovi tesneje povezane med seboj kot molekule tekočine, je za trdno snov, za razliko od tekočine, značilna konstantnost ne le prostornine, ampak tudi oblike. Oglejmo si podrobneje vprašanje kristalne strukture trdne snovi.
Značilno zunanji znak Kristal je njegova geometrijsko pravilna oblika (slika 94). Tako ima na primer kristal kuhinjske soli obliko kocke (a), ledeni kristal ima obliko šesterokotne prizme, kristal diamanta ima obliko oktaedra (oktaeder, c) itd. Za vsak kristalna snov je kot med površinama (ploskvami), ki jo omejujejo, strog
določeno vrednost (za kuhinjsko sol - 90 °, za led - 120 ° itd.). Kristali se zlahka zlomijo vzdolž določenih ravnin, imenovanih cepne ravnine. Tako nastanejo kristali manjše velikosti, vendar enake oblike. Tako pri zdrobitvi kristala kuhinjske soli nastanejo majhne kocke in pravokotni paralelepipedi.
Ugotovljena dejstva so nekoč privedla do ideje, da je kristalno telo zgrajeno iz elementarnih celic (kock, ali šesterokotnih prizm, ali oktaedrov itd., tesno pritrjenih druga na drugo. In to pomeni, da so v kristalnem telesu delci ( molekule, atomi ali ioni) so razporejeni v strogo simetričnem vrstnem redu drug glede na drugega in tvorijo prostorsko ali kristalno mrežo; lokacije delcev se imenujejo vozlišča mreže.
To hipotezo je leta 1848 izrazil francoski kristalograf Bravais.
Primer najpreprostejše prostorske mreže je kristalna mreža kuhinjske soli (slika 95, a). Njeno enotsko celico z robom a (na sliki označeno s krepkimi črtami) tvorijo pozitivni natrijevi ioni in negativni ioni klor, ki se nahaja na vrhovih kocke.
Oblike prostorskih mrež so lahko različne, vendar ne poljubne: potrebno je, da so elementarne celice, ki sestavljajo mrežo, tesno druga ob drugi, brez vrzeli, kar ustreza minimalni potencialni energiji mreže. Na zahtevani način je mogoče na primer položiti kubične celice in celice v obliki šesterokotnih prizem (sl. 95, b in c), nemogoče pa je položiti celice v obliki pentaedrskih prizem (sl. 95, d).
Leta 1890 je E. S. Fedorov teoretično izračunal vse možne oblike kristalnih mrež, katerih celice omogočajo tesno pakiranje, in ugotovil, da jih v naravi lahko obstaja samo 230. različne vrste kristalne mreže, ki tvorijo 32 simetrijskih razredov. Študije kristalov z uporabo rentgenskih žarkov, izvedene v tem stoletju (glej § 125), so potrdile, da so kristali sestavljeni iz simetrično razporejenih delcev (atomov, ali molekul ali ionov), ki tvorijo kristalno mrežo. Poleg tega analiza rentgenske difrakcije velika količina V naravnih in umetnih kristalih je bilo odkritih le 230 različnih vrst kristalnih mrež - popolna skladnost s teoretičnimi izračuni E. S. Fedorova.
Simetričnost razporeditve delcev v kristalni mreži je posledica dejstva, da so v tem primeru sile medsebojnega delovanja (privlaka in odboja) med delci uravnotežene (glej § 35). V tem primeru je potencialna energija delcev minimalna.
Razdalje med delci v kristalu so majhne – na ravni velikosti samih delcev. Razdalja med molekulami v tekočini je enakega reda, saj, kot je znano, pri taljenju kristala ne pride do bistvenega povečanja njegove prostornine.
Izjemna lastnost kristala je njegova anizotropija; v različnih smereh ima kristal različne fizične lastnosti. Na primer, za vse kristale brez izjeme je značilna anizotropija trdnosti; Velika večina kristalov je anizotropnih glede toplotne prevodnosti, električne prevodnosti, loma itd. Anizotropnost kristalov je razložena predvsem s tem, da se v prostorski mreži obrača število delcev na segment enake dolžine, vendar različnih smeri. drugačen, kot je prikazano na sl. 96 (na vodoravnem odseku rešetke je 8 delcev, na nagnjenem odseku 6 delcev, na drugem nagnjenem odseku 3 delci). Jasno je, da bi morala razlika v gostoti delcev kristalne mreže v različnih smereh voditi do razlik v številnih drugih lastnostih v teh smereh kristala.
Kristalno stanje je v naravi zelo pogosto: večina trdnih snovi (minerali, kovine, rastlinska vlakna, beljakovinske snovi, saje, guma itd.) so kristali. Vendar pa vsa ta telesa nimajo enako jasno izraženih kristalnih lastnosti, o katerih smo govorili prej. Glede na to so telesa razdeljena v dve skupini: monokristali in polikristali. Monokristal je telo, v katerem se vsi delci prilegajo v eno skupno prostorsko mrežo. Monokristal je anizotropen. Monokristali
je večina mineralov. Polikristal je telo, sestavljeno iz številnih majhnih posameznih kristalov, ki so naključno nameščeni drug glede na drugega. Zato so polikristali izotropni, to pomeni, da imajo v vseh smereh enake fizikalne lastnosti. Kovine so primeri polikristalov. Kovino pa lahko dobimo tudi v obliki monokristala, če talino počasi ohlajamo tako, da vanjo najprej vnesemo en kristal te kovine (ti zarodek). Okoli tega zarodka bo zrasel kovinski monokristal.
Glede na to, iz katerih delcev je sestavljena kristalna mreža, ločimo štiri glavne skupine mrež: ionske, atomske, molekularne in kovinske.
Ionsko mrežo tvorijo nasprotno nabiti ioni, ki jih električne sile zadržujejo na mestih rešetke. Velika večina kristalov ima ionsko mrežo.
Atomsko mrežo tvorijo nevtralni atomi, ki se držijo na mrežnih mestih s kemičnimi (valentnimi) vezmi: sosednji atomi si delijo zunanje (valentne) elektrone. Na primer, grafit ima atomsko mrežo.
Molekularno mrežo tvorijo polarne (dipolne) molekule (glej § 81), ki jih v vozliščih mreže prav tako zadržujejo električne sile. Vendar je pri polarnih molekulah učinek teh sil šibkejši kot pri ionih. Zato se snovi z molekularno mrežo relativno zlahka deformirajo. Večina ima molekularno kristalno mrežo organske spojine(celuloza, guma, parafin itd.).
Kovinsko mrežo tvorijo pozitivni kovinski ioni, obdani s prostimi elektroni. Ti elektroni vežejo ione kovinske mreže skupaj. Ta mreža je značilna za kovine.
Sodobna fizika obravnava kristalna telesa kot trdna telesa. Za tekočine je, kot smo že omenili, značilna naključna razporeditev delcev, zato so tekočine izotropne. Nekatere tekočine je mogoče močno prehladiti, ne da bi postale trdne (kristalne). Vendar pa je viskoznost takšnih tekočin tako ogromna, da praktično izgubijo svojo tekočnost in ohranijo svojo obliko, kot so trdne snovi. Takšna telesa imenujemo amorfna. Tako sodobna fizika obravnava amorfna telesa kot preohlajene tekočine z ogromno viskoznostjo. Med amorfna telesa spadajo na primer var, steklo, smola-kolofonija itd. Jasno je, da so amorfna telesa izotropna. Vendar je treba upoštevati, da lahko amorfna telesa v daljšem časovnem obdobju preidejo v kristalno stanje. V steklu se na primer sčasoma pojavijo kristali: začne postajati motno in se spreminjati v polikristalno telo.
IN Zadnje čase V tehnologiji organske amorfne snovi, katerih posamezne molekule
Zaradi kemičnih (valenčnih) vezi se med seboj povezujejo (polimerizirajo) v dolge verige, ki so v nekaterih primerih sestavljene iz več tisoč posameznih molekul. Take snovi imenujemo polimeri.Tipični predstavniki polimerov so plastične mase. Zelo dragocena lastnost polimerov je njihova visoka elastičnost in trdnost. Nekateri polimeri lahko na primer prenesejo elastični raztezek, ki je 2- do 5-krat večji od njihove prvotne dolžine. Te lastnosti polimera je razloženo z dejstvom, da se lahko dolge molekularne verige, ko se deformirajo, zvijejo v goste kroglice ali, nasprotno, raztegnejo v ravne črte. Trenutno so polimeri z najrazličnejšimi vnaprej določenimi lastnostmi ustvarjeni iz naravnih in umetnih organskih spojin.
Značilnosti molekularne strukture tekočin
Tekočine zasedajo vmesni položaj v lastnostih in strukturi med plini in trdnimi snovmi. kristalne snovi. Zato ima lastnosti tako plinastega kot trdne snovi. V molekularni kinetični teoriji so različna agregacijska stanja snovi povezana z različnimi stopnjami molekularne urejenosti. Za trdne snovi, t.i red na dolge razdalje v razporeditvi delcev, tj. njihova urejena razporeditev, ki se ponavlja na velikih razdaljah. V tekočinah obstaja t.i zapri naročilo v razporeditvi delcev, tj. njihova urejena razporeditev, ki se ponavlja na razdaljah, je primerljiva z medatomskimi. Pri temperaturah blizu kristalizacijske temperature je struktura tekočine blizu trdne snovi. Pri visokih temperaturah blizu vrelišča struktura tekočine ustreza plinastemu stanju - skoraj vse molekule sodelujejo v kaotičnem toplotnem gibanju.
Tekočine imajo tako kot trdne snovi določeno prostornino, podobno kot plini pa zavzamejo obliko posode, v kateri se nahajajo. Molekule plina med seboj praktično niso povezane s silami medmolekularne interakcije in v v tem primeru povprečna energija toplotnega gibanja molekul plina je veliko večja od povprečne potencialne energije, ki jo povzročajo sile privlačnosti med njimi, zato molekule plina razletijo različne strani in plin zasede prostornino, ki mu je na voljo. V trdnih snoveh in tekočinah so sile privlačnosti med molekulami že znatne in držijo molekule na določeni medsebojni razdalji. V tem primeru je povprečna energija toplotnega gibanja molekul manjša od povprečne potencialne energije zaradi sil medmolekularne interakcije in ni dovolj za premagovanje sil privlačnosti med molekulami, zato imajo trdne snovi in tekočine določeno prostornino.
Tlak v tekočinah zelo močno narašča z naraščanjem temperature in zmanjševanjem volumna. Volumetrična ekspanzija tekočin je veliko manjša kot pri hlapih in plinih, saj so sile, ki povezujejo molekule v tekočini, pomembnejše; enaka pripomba velja za toplotno raztezanje.
Toplotne kapacitete tekočin običajno naraščajo s temperaturo (čeprav le malo). Razmerje Ср/СV je praktično enako enoti.
Teorija tekočin še ni v celoti razvita. Razvoj številnih problemov pri preučevanju kompleksnih lastnosti tekočin pripada Ya.I. Frenkel (1894–1952). Toplotno gibanje v tekočini je pojasnil z dejstvom, da vsaka molekula nekaj časa niha okoli določenega ravnotežnega položaja, nato pa se nenadoma premakne v nov položaj, ločen od prvotnega na razdalji reda medatomov. Tako se molekule tekočine premikajo precej počasi po celotni masi tekočine. Ko se temperatura tekočine poveča, se frekvenca nihajnega gibanja močno poveča in gibljivost molekul se poveča.
Na podlagi Frenklovega modela je mogoče razložiti nekatere značilne značilnosti lastnosti tekočine. Tako imajo tekočine, tudi blizu kritične temperature, veliko več viskoznost kot plini, viskoznost pa se zmanjšuje z naraščajočo temperaturo (in se ne povečuje, kot pri plinih). To je razloženo z drugačno naravo procesa prenosa gibalne količine: prenašajo ga molekule, ki skočijo iz enega ravnotežnega stanja v drugega, ti skoki pa postanejo bistveno pogostejši z naraščajočo temperaturo. Difuzija v tekočinah nastane le zaradi molekularnih skokov, in sicer veliko počasneje kot v plinih. Toplotna prevodnost tekočine nastane zaradi izmenjave kinetične energije med delci, ki nihajo okoli svojih ravnotežnih položajev z različnimi amplitudami; nenadni skoki molekul ne igrajo opazne vloge. Mehanizem toplotne prevodnosti je podoben mehanizmu v plinih. Značilna lastnost tekočina je njegova sposobnost imeti prosta površina(ni omejeno s trdnimi stenami).
Za molekularno strukturo tekočin je bilo predlaganih več teorij.
1. Conski model. IN ta trenutek Sčasoma lahko tekočino obravnavamo kot sestavljeno iz območij, kjer so molekule razporejene v pravilnem vrstnem redu in tvorijo nekakšen mikrokristal (območje). Zdi se, da sta ta območja ločena s snovjo v plinastem stanju. Sčasoma se ta območja oblikujejo na drugih mestih itd.
2. Teorija kvazikristalne strukture. Oglejmo si kristal, ki se nahaja pri temperaturi absolutne ničle (glej sliko 9.9.)
Izberimo poljubno smer v njej in zgradimo graf verjetnosti P, da najdemo molekulo plina na določeni razdalji od druge molekule, postavljene v izhodišče koordinat (slika 9.9. A), medtem ko se molekule nahajajo na vozliščih kristalne mreže. Z več visoka temperatura(Slika 9.9, b) molekule nihajo okoli fiksnih ravnotežnih položajev, blizu katerih prevajajo večinačas. Stroga periodičnost ponavljanja verjetnostnih maksimumov v idealnem kristalu sega poljubno daleč od izbranega delca; Zato je običajno reči, da v trdni snovi obstaja "red na velike razdalje".
V primeru tekočine (slika 9.9, V) v bližini vsake molekule so njeni sosedje razporejeni bolj ali manj enakomerno, na daljavo pa je ta vrstni red kršen (vrstni red kratkega dosega). V grafu so razdalje merjene v delih polmera molekule (r/r 0).
