Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

Содержание

Взаимодействие молекул. Строение твердых, жидких и газообразных тел

Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

ФИЗИКА. 11 класс. Задание № 49

Тема: Взаимодействие молекул. Строение твердых, жидких и газообразных тел

I уровень. Познакомимся с параграфом

1. Взаимодействие молекул

Наблюдения показывают, что между молекулами одновре­менно действуют и силы притяжения, и силы отталкивания.

Силы взаимодействия молекул являются короткодействующими, их действие проявляется лишь на расстояниях, не превышающих нескольких собственных размеров молекулы.

Область простран­ства, в которой проявляется действие молекулярных сил, назы­вают сферой молекулярного действия. Радиус этой сферы равен примерно .

Силы молекулярного взаимодействия зависят от расстояния между молекулами. При этом характер зависимости от расстоя­ния у сил притяжения и сил отталкивания различен. При увели­чении расстояния между молекулами силы отталкивания убы­вают быстрее, чем силы притяжения, а при уменьшении этого расстояния возрастают быстрее, чем силы притяжения.

Установлено, что силы взаимодействия молекул обратно про­порциональны -й степени расстояния г между центрами масс молекул. Для сил притяжения , а для сил отталкивания принимает значения от до . (Например, для молекулы воды , а .)

Сила отталкивания считается положительной, а сила притя­жения отрицательной. На рисунке изображены графики зави­симостей от расстояния между молекулами силы отталкивания, силы притяжения и результирующей этих сил.

Существует такое расстояние между моле­кулами , на котором сила притяжения равна силе отталкива­ния, т. е. их результирующая сила равна нулю. Это расстояние называется равновесным. Если расстояние между молекулами , преобладают силы их взаимного притя­жения, если же , преобладают силы отталкивания.

Таким образом, результирующая сил молекулярного взаимодействия на больших расстояниях явля­ется силой притяжения, а на малых – силой отталкивания.

Следовательно, – это такое равновесное расстояние между молекулами, на котором они находились бы, если бы тепло­вое движение молекул не нару­шало этого равновесия.

Описанный характер зави­симости сил взаимодействия молекул от их расстояния друг от друга объясняет появление силы упругости при деформа­ции тел.

Если под действием внешних сил тело сжимается, расстояние между молекула­ми становится меньше, чем , и появляется сила, препятст­вующая взаимному сближению молекул.

Если же под действием внешних сил тело растягивает­ся, то расстояние становится больше, чем , и появляется сила, препятствующая взаимному удалению молекул.

Вблизи точки на графике участок кривой является почти прямо­линейным, так как при небольшом смещении молекул из положе­ния равновесия силы притяжения или отталкивания между ними возрастают линейно с увеличением смещения. Именно по этой причине при малых деформациях тела (т. е. в пределах его упру­гости) выполняется закон Гука.

2. Строение газообразных, твердых и жидких тел

Характер теплового движения молекул, атомов и ионов зависит от агрегатного состояния вещества и определяется силами межмолекулярного взаимодействия.

Если минимальная потенциальная энергия молекул вещества много меньше средней кинетической энергии их теплового движения , то вещество находится в газообразном состоянии. Если , то вещество находится в жидком состоянии. Если же , то вещество находится в твердом состоянии.

Рассмотрим, какой характер имеет движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

a) В газах при не высоких давлениях и не низких температурах молекулы находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих их размеры. В таких условиях молекулы газа не связаны между собой межмолекулярными силами притяжения.

Они хаотически поступательно движутся по всему объему, занимаемому газом. Взаимодействие молекул газа происходит только при их столкновении между собой и со стенками сосуда, в котором газ находится.

Передача импульса при этих столкновениях обуславливает давление, производимое газом.

§ Расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями, называют длиной свободного пробега молекул.

Длина свободного пробега зависит от давления и температуры. В газах при нормальных условиях средняя длина свободного пробега молекул составляет приближенно .

Если молекулы газа состоят из двух или нескольких атомов, то при столкновении они приобретают вращательное движение.

Таким образом, в газах молекулы совершают преимущественно поступательное и вращательное движение.

б. В жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их эффективным диаметром. Силы взаимодействия молекул друг с другом достаточно велики. Молекулы жидкости колеблются около временных положений равновесия.

Однако в жидкостях , поэтому, получив в результате хаотических столкновений избыток кинетической энергии, отдельные молекулы преодолевают притяжение соседних молекул и переходят в новые положение равновесия, вокруг которых вновь совершают колебательное движение.

Я. Френкель создал теорию жидкого состояния, согласно которой время колебаний молекул жидкости возле положения равновесия очень мало (порядка ), после чего молекулы совершают переход в новые положения. Следовательно, молекулы жидкости совершают колебательное движение вокруг временных центров равновесия и скачкообразно перемещаются из одних положений равновесия в другие.

Таким образом, в жидкостях молекулы совершают в основном колебательное и поступательное движения.

Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обуславливает свойство текучести жидкости. Тело в жидком состоянии как и газообразном, не имеет постоянной формы. Форма жидкого тела определяется формой сосуда, в котором находится жидкость, действием внешних сил и сил поверхностного натяжения.

в. В твердых телах расстояние между молекулами еще меньше, чем в жидкостях. Силы взаимодействия молекул твердых тел между собой настолько велики, что молекулы удерживаются относительно друг друга в определенных положениях и колеблются около постоянных центров равновесия.

Для кристаллических тел характерны так называемые кристаллические решетки – упорядоченное и периодически повторяющееся в пространстве расположение молекул, атомов или ионов. В твердых телах молекулы совершают преимущественно колебательное движение (хотя имеются отдельные молекулы, движущиеся поступательно, о чем свидетельствует явление диффузии).

II уровень. Вспомним основные положения теории

1. Что называют сферой молекулярного взаимодействия? Каков радиус этой сферы?

2. Как силы взаимодействия между молекулами зависят от расстояния между ними?

3. Что такое равновесное расстояние?

4. Какова природа межмолекулярных сил?

5. Опишите характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

1. Какие опытные факты указывают на существование сил взаимодействия между молекулами?

2. Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодействия?

3. Около какой точки происходят колебания молекул твердого и жидкого тела, если оно находится в недеформированном состоянии?

4. Как объяснить с молекулярной точки зрения появление силы упругости, существование закона Гука и ограниченность области его применения?

5. Чем различаются газ, жидкость и твердое тело?

III уровень. Попробуйте выполнить задания

1. Между молекулами вещества действуют …

А. … только силы притяжения;

Б. … силы отталкивания;

В. … нет взаимодействия;

Г. … силы притяжения и отталкивания.

2. Если расстояние между центрами молекул меньше диаметра молекулы, то:

А. Сила притяжения молекул больше силы отталкивания;

Б. Сила отталкивания молекул больше силы притяжения;

В. Сила отталкивания молекул равна силе притяжения;

Г. Молекулы только притягиваются;

Д. Молекулы только отталкиваются.

3. На рисунке представлен график зависимости по­тенциальной энергии от расстояния при взаимо­действии двух атомов в двухатомной молекуле. Какое из приведенных ниже утверждений об атомах в этой молекуле относится к значению , отмеченному на рисунке?

А. Это минимально возможное расстояние между атомами в молекуле;

Б. Это максимально возможное расстояние между атомами в молекуле;

В. Это расстояние, на котором сила вза­имодействия между атомами равна нулю;

Г. Это расстояние соответствует минимуму кинетической энергии атомов в мо­лекуле;

Д. Это расстояние, на котором молекула разрушается.

4. Установите соответствие:

1. Частицы движутся хаотически …

2. Частицы колеблются около определенных положений равновесия …

3. Частицы совершают хаотические колебания вокруг центров, положения которых в пространстве скачкообразно изменяются, время от времени частицы движутся поступательно …

5. Вещество находится в газообразном состоянии, если …

А. … средняя кинетическая энергия его молекул много меньше средней потенциальной энергии их взаимодействия;

Б. … средняя кинетическая энергия его молекул приближенно равна средней потенциальной энергии их взаимодействия;

В. … средняя кинетическая энергия его молекул много больше средней потенциальной энергии их взаимодействия;

Г. … средняя кинетическая энергия его молекул равна нулю.

IV уровень.Проверьте, все ли Вы усвоили

  1. Как изменилось бы давление в сосуде с газом, если бы внезапно исчезли силы притяжения между его молекулами?

V уровень. Это сложная задача, однако, если Вы ее решите, то сделаете заметный шаг в познании физики, у Вас будут все основания относиться к себе с большим уважением, чем прежде

  1. а) число атомов в железа; б) расстояние между центрами соседних атомов железа.

Урок 4. Взаимодействие молекул – HIMI4KA

Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул
Архив уроков › Основные законы химии

В уроке 4 «Взаимодействие молекул» из курса «Химия для чайников» выясним что из себя представляет межмолекулярное взаимодействие; рассмотрим влияние сил Ван-дер-Ваальса на температуры плавления и кипения; определим роль электроотрицательности в образовании ковалентной полярной и водородной связи. Но нельзя обсуждать взаимодействие молекул, не зная их строения, поэтому не пройдите мимо прошлого урока «Схема образования молекул».

Межмолекулярное взаимодействие

Между молекулами в веществе всегда присутствует некоторое притяжение друг к другу, которое называется межмолекулярным взаимодействием. Притяжение молекул друг к другу не такое сильное, как взаимодействие между атомами в молекуле, и недостаточно для образования химических связей, но достаточно для того, чтобы сделать их слегка «клейкими» друг к другу.

Силы Ван-дер-Ваальса

Силы взаимодействия молекул, вызываемые мгновенными флюктуациями распределения электронов в атомах, называются силами Ван-дер-Ваальса. Заумно прозвучало? Далее все встанет на свои места.

Силы Ван-дер-Ваальса являются одним из видов межмолекулярного взаимодействия, но можно считать эти силы взаимодействия молекул основными.

Просто запомните, что именно благодаря силам Ван-дер-Ваальса в природе существуют три агрегатных состояния вещества.

Температура плавления и кипения

Возможно вы уже слышали, что температура представляет собой меру энергии теплового движения молекул, т.е. скорость движения и колебаний молекул (и атомов) зависит от температуры.

При низких температурах энергия теплового движения молекул очень мала, поэтому молекулы как бы «сонные» и Ван-дер-Ваальсовы силы без труда удерживают их вместе в упорядоченной плотноупакованной кристаллической решетке. Очевидно, что эта ситуация описывает твердое кристаллическое состояние.

Если к телу в твердом кристаллическом состоянии подводится тепло, то молекулы «просыпаются» и начинают все сильнее колебаться относительно своих равновесных положений в кристаллической решетке.

В том случае, если к кристаллу подведено достаточное количество энергии, молекулы начинают «бодрствовать»: они разрушают кристаллическую решетку и начинают свободно скользить одна вдоль другой, но пока еще соприкасаются друг с другом.

Эта ситуация иллюстрирует жидкое состояние, а температура перехода из твердого состояние в жидкое называется температурой плавления вещества. Но молекулы жидкости по-прежнему удерживается силами Ван-дер-Ваальса, хотя уже имеют достаточную энергию, чтобы не оставаться в фиксированном положении.

Если к жидкости подводится дополнительная энергия, молекулы превращаются в суперменов и начинают двигаться очень быстро и даже способны преодолевать Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения, полностью отдаляясь одна от другой. Это соответствует переходу жидкости в газовую фазу. Молекулы в газе двигаются хаотично (по независимым молекулярным траекториям). Температура кипения вещества – это температура, которая необходима для полного преодоления сил Ван-дер-Ваальса в жидкости.

В таблице, которая расположена ниже, сопоставлены температуры плавления и кипения некоторых веществ, состоящих из простых молекул.

Как правило, большим по размеру молекулам соответствуют более высокие температуры плавления и кипения, потому что такие молекулы обладают бОльшей поверхностью, что приводит к большим силам Ван-дер-Ваальса.

Вот почему при одном и том же давлении H2 кипит при -252°С, а CH4 при -164°C, а C8H18 следует нагреть до +125,7°C, чтобы его молекулы отделились одна от другой и перешли в газовую фазу.

Ковалентная полярная химическая связь

Помимо Ван-дер-Ваальсовых сил есть и другие силы межмолекулярного взаимодействия, связанные с типом химической связи, а именно с полярностью молекул.

Если два атома связаны друг с другом ковалентной связью, но один из них притягивает к себе электронную пару сильнее, чем другой атом, то электронная пара смещается в сторону более «сильного» атома.

На «сильном» атоме возникает некоторый избыток отрицательного заряда, записываемый символом δ— (а не знаком минус, так как это означало бы полный электронный заряд), а на другом появляется небольшой положительный заряд δ+, и подобно разноименным зарядам они начинают притягиваться друг к другу, образуя ковалентную полярную химическую связь.

«Силу» атома определяет его электроотрицательность: чем больше электроотрицательность химического элемента, тем сильнее он притягивает к себе электроны.

Приведем примеры молекул, образованных ковалентной полярной связью: CO, H2O, HCl.

Из примеров видно что, ковалентная полярная химическая связь, как и неполярная, возникает только между атомами неметаллов и разница в электроотрицательности между ними должна быть более 0.4, но менее 2.0. Если разница в электроотрицательности атомов менее 0.

4, то связь между ними считается ковалентной неполярной. Думаю, что теперь у вас сложилось некоторое представление о различиях ковалентной полярной и ковалентной неполярной химической связи.

Постарайтесь запомнить самые электроотрицательные химические элементы в порядке возрастания их электроотрицательности: I, Br, N, Cl, O, F. За помощью вы всегда можете обратиться к таблице электроотрицательности, которая расположена ниже.

Образование водородной связи

Очевидно, что молекулы воды образованы ковалентной полярной химической связью, поскольку электроотрицательность кислорода больше, чем у водорода. Поэтому атом кислорода в молекуле воды несет в себе небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — небольшие положительные заряды.

Подобные молекулы называются полярными, поскольку они ведут себя как крошечные электрические диполи; другими словами, отрицательный заряд на атоме кислорода притягивает расположенные поблизости положительные заряды, а положительно заряженные атомы водорода притягивают другие отрицательные заряды.

Так возникает еще один тип сил притяжения между молекулами, помимо вандерваальсовых сил притяжения.

Вследствие наличия дополнительных сил взаимодействия между полярными молекулами метанола CH3OH (метилового спирта) он плавится и кипит при гораздо более высоких температурах, чем метан CH4, который имеет сходные с метанолом размеры молекул. При комнатной температуре метанол представляет собой жидкость, а метан — газ.

В воде силы притяжения между атомами водорода и кислорода, принадлежащими различным молекулам, столь велики, что получили название водородных связей. Водородные связи играют чрезвычайно важную роль в белках и других гигантских молекулах, из которых построены живые организмы.

Если бы не полярность молекул воды и наличие между ними водородных связей, вода плавилась бы и кипела при более низких температурах, чем даже сероводород (см. табл. в начале урока). При комнатной температуре она находилась бы в газообразном состоянии, а не в виде наиболее распространенной на Земле жидкости.

Надеюсь урок 4 «Взаимодействие молекул» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Взаимодействие молекул

Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

Вы уже зна­е­те, что все тела со­сто­ят из мо­ле­кул, между мо­ле­ку­ла­ми есть про­ме­жут­ки, и все мо­ле­ку­лы и атомы, из ко­то­рых они со­сто­ят, непре­рыв­но дви­жут­ся. Но по­че­му твер­дые тела или жид­ко­сти так труд­но сжать,  рас­тя­нуть, раз­ло­мать, если между мо­ле­ку­ла­ми есть про­ме­жут­ки?

По­про­бу­ем раз­ло­мать несколь­ко твер­дых тел: ку­со­чек мела, ку­со­чек пла­сти­ли­на, ку­со­чек ре­зи­но­во­го жгута, пласт­мас­сы. Чтобы тело раз­ло­ма­лось, нам при­хо­дит­ся при­ла­гать неко­то­рое уси­лие. И в неко­то­рых слу­ча­ях силы рук для этого не хва­та­ет.

В чем при­чи­на того, что для раз­ру­ше­ния твер­до­го тела при­хо­дит­ся при­кла­ды­вать уси­лие? Все дело в при­тя­же­нии, ко­то­рое су­ще­ству­ет между мо­ле­ку­ла­ми. Мо­ле­ку­ла при­тя­ги­ва­ет все бли­жай­шие к ней мо­ле­ку­лы и сама при­тя­ги­ва­ет­ся к ним.

2. На каком расстоянии взаимодействие молекул становится заметным?

Если между мо­ле­ку­ла­ми су­ще­ству­ет при­тя­же­ние, то, на­вер­ное, воз­мож­но из оскол­ков вновь со­здать целое тело? С ку­соч­ком мела, как бы мы ни ста­ра­лись, сде­лать это не удаст­ся. А вот ку­соч­ки пла­сти­ли­на при сжа­тии вновь ста­нут одним целым телом.

Если вни­ма­тель­но рас­смот­реть сколы ку­соч­ков мела, то можно уви­деть, что они неров­ные, ше­ро­хо­ва­тые. А зна­чит, при их со­еди­не­нии мы не можем при­бли­зить мо­ле­ку­лы на по­верх­но­стях двух со­еди­ня­е­мых ча­стей так близ­ко, чтобы между ними воз­ник­ло при­тя­же­ние.

Рис. 1. По­верх­ность мела ше­ро­хо­ва­тая

В от­ли­чие от мела, пла­сти­лин – ма­те­ри­ал по­дат­ли­вый, и при сжа­тии ку­соч­ков мы рас­по­ла­га­ем мо­ле­ку­лы пла­сти­ли­на до­ста­точ­но близ­ко друг от друга. Но что озна­ча­ют слова «до­ста­точ­но близ­ко»? На­сколь­ко близ­ко?

Ока­зы­ва­ет­ся, что вза­им­ное при­тя­же­ние мо­ле­кул на­чи­на­ет за­мет­но про­яв­лять­ся тогда, когда мо­ле­ку­лы при­бли­жа­ют­ся друг к другу на­столь­ко, что между ними может по­ме­стить­ся толь­ко одна такая же по раз­ме­ру мо­ле­ку­ла.

Рис. 2. Рас­сто­я­ние, на ко­то­ром ста­но­вит­ся за­мет­ным при­тя­же­ние между мо­ле­ку­ла­ми

3. Не только притяжение, но и отталкивание

А что будет про­ис­хо­дить, если про­дол­жать умень­шать рас­сто­я­ние между мо­ле­ку­ла­ми? Жиз­нен­ный опыт под­ска­зы­ва­ет нам, что при сжа­тии твер­до­го тела, при по­пыт­ке его де­фор­ма­ции резко воз­рас­та­ет сила от­тал­ки­ва­ния между мо­ле­ку­ла­ми.

При­ме­ров из по­все­днев­ной жизни и тех­ни­ки, где ярко про­яв­ля­ет­ся при­тя­же­ние и от­тал­ки­ва­ние мо­ле­кул, можно при­ве­сти много. Это сжа­тие рес­сор в ав­то­мо­би­ле, на­тя­же­ние те­ти­вы лука при стрель­бе. Это такие про­из­вод­ствен­ные про­цес­сы, как штам­пов­ка или ковка.

Рис. 3. При ковке и штам­пов­ке пре­одо­ле­ва­ет­ся при­тя­же­ние и от­тал­ки­ва­ние мо­ле­кул

Итак, если мо­ле­ку­лы рас­по­ла­га­ют­ся до­ста­точ­но близ­ко, то про­яв­ля­ют­ся силы при­тя­же­ния между ними, но если про­дол­жить сбли­же­ние мо­ле­кул, то между ними на­чи­на­ют про­яв­лять­ся силы от­тал­ки­ва­ния. 

4. Сцепление свинцовых цилиндров

Вот еще одна де­мон­стра­ция, до­ка­зы­ва­ю­щая, что между мо­ле­ку­ла­ми су­ще­ству­ет вза­им­ное при­тя­же­ние. Возь­мем два оди­на­ко­вых свин­цо­вых ци­лин­дра. Вна­ча­ле их по­верх­но­сти ше­ро­хо­ва­тые, и если при­жать ци­лин­дры ос­но­ва­ни­я­ми друг к другу, то за­мет­но­го вза­и­мо­дей­ствия между ними не про­изой­дет.

Рис. 4. Свин­цо­вые ци­лин­дры со стру­гом

Но си­ту­а­ция из­ме­ня­ет­ся, если по­верх­но­сти ци­лин­дров об­ра­бо­тать с по­мо­щью спе­ци­аль­но­го ин­стру­мен­та – так на­зы­ва­е­мо­го стру­га. Это ин­стру­мент, поз­во­ля­ю­щий за­то­чить торцы ци­лин­дров так, что их по­верх­но­сти ста­нут очень глад­ки­ми, от­по­ли­ро­ван­ны­ми.

Если те­перь на неко­то­рое время плот­но при­жать торцы свин­цо­вых ци­лин­дров друг к другу, то по всей пло­ща­ди со­при­кос­но­ве­ния рас­сто­я­ние между их по­верх­но­стя­ми умень­шит­ся на­столь­ко, что «вклю­чат­ся» силы меж­мо­ле­ку­ляр­но­го при­тя­же­ния. Эти силы до­ста­точ­ны, чтобы безо вся­ко­го со­еди­не­ния ци­лин­дры могли удер­жать зна­чи­тель­ный груз.

Рис. 5. Сцеп­ле­ние свин­цо­вых ци­лин­дров объ­яс­ня­ет­ся вза­им­ным при­тя­же­ни­ем мо­ле­кул

5. Явление смачивания

Сма­чи­ва­ние – это также про­яв­ле­ние вза­им­но­го при­тя­же­ния мо­ле­кул.

Возь­мем две стек­лян­ных пла­стин­ки. Если про­сто при­жать их друг к другу чи­сты­ми плос­ки­ми по­верх­но­стя­ми, а затем по­пы­тать­ся разъ­еди­нить, то ни­ка­ко­го эф­фек­та не будет.

Но если на по­верх­ность од­но­го из сте­кол на­не­сти несколь­ко ка­пель воды, а потом вновь при­ло­жить вто­рое стек­ло и плот­но при­жать стек­ла друг к другу, то от­со­еди­нить их друг от друга будет до­ста­точ­но слож­но.

И если мы все-та­ки от­со­еди­ним их друг от друга, мы уви­дим, что обе по­верх­но­сти стек­ла – и од­но­го, и вто­ро­го – ока­зы­ва­ют­ся смо­чен­ны­ми водой.

Это озна­ча­ет, что вза­им­ное при­тя­же­ние между мо­ле­ку­ла­ми стек­ла и воды боль­ше, чем между са­ми­ми мо­ле­ку­ла­ми воды.

Рис. 6. Для де­мон­стра­ции яв­ле­ния сма­чи­ва­ния можно ис­поль­зо­вать два стек­ла, на ко­то­рые по­ме­сти­ли несколь­ко ка­пель воды

Яв­ле­ние сма­чи­ва­ния до­ста­точ­но часто встре­ча­ет­ся в нашей жизни.

Имен­но бла­го­да­ря сма­чи­ва­нию мы можем вы­ти­рать по­ло­тен­цем по­су­ду, пи­сать по бу­ма­ге чер­ни­ла­ми (по­про­буй­те вы­те­реть та­рел­ку по­ли­эти­ле­но­вым па­ке­том или на­пи­сать что-ни­будь на нем ав­то­руч­кой!). От­сут­ствие сма­чи­ва­ния поз­во­ля­ет во­до­пла­ва­ю­щей птице оста­вать­ся сухой в воде даже под про­лив­ным до­ждем.

Рис. 7. Перья во­до­пла­ва­ю­щей птицы не сма­чи­ва­ют­ся водой

Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Взаимодействие молекул Как взаимодействуют между собой молекулы примеры

Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

Ещё со школы мы знаем – все вокруг нас состоит из молекул, мельчайших частиц, что беспрестанно взаимодействуют между собой. Давайте обновим наши знания и вспомним, почему камень трудно сжать в руках, а вода может склеить разорвавшийся лист дерева.

Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

Все вокруг нас: жидкие и твёрдые предметы, газообразные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые непрерывно и постоянно двигаются между собой. Основной причиной того, что предметы не рассыпаются на молекулы, является их притяжение друг к другу. Наука доказала, что взаимное притяжение действует всегда. Каждая молекула притягивается к другой и к ним тянутся все остальные.

  • Твёрдые тела остаются в своей форме, а жидкости не распадаются на капли за счёт межмолекулярного соединения. Такое притяжение мы не увидим глазами, оно слишком мало. Действует эта сила на сверхмалых расстояниях, таких как размеры самих частиц.
  • Разбив тарелку и пытаясь соединить два куска вместе она не восстановится. Пытаясь приблизить части разбитой тарелки мы приближаем только малую часть молекул, из которых она состоит. Большая часть частиц остаётся на довольно большом расстоянии, недостаточном для вступления в силу действия притяжения молекул. Однако смочив разорванный лист с дерева водой, он слипнется. Мы создадим достаточное межмолекулярного притяжение молекул воды к молекулам листика для того, чтобы склеить разорванный лист.
  • В природе сила притяжения молекул просматривается в намокании твёрдых тел. Возьмем кусок стекла и горизонтально его соприкоснём с поверхность воды. При поднятии вверх от воды нам придется применить небольшое усилие, чтобы «оторвать» стекло от поверхности. Нижняя часть, которая соприкасалась с водой, после поднятия стекла будет мокрой. Это означает, что при отрыве стекла от поверхности воды мы преодолеваем силу притяжения молекул воды между собой. Сам разрыв происходил не между молекулами стекла, а между молекулами воды. Тем самым мы убеждаемся, что притяжение между молекулами разных веществ не одинаково. У одних предметов притяжение частиц больше и их труднее разломать или растянуть, а у других – слабее.
  • Лист бумаги проще порвать, преодолев притяжение молекул, чем лист железа. В приведённом примере молекулы воды притягиваются сильнее, чем молекулы стекла. Однако вода не смачивается жирными веществами. Например, опустив кусок парафина в воду мы вытащим его сухим. Это докажет что притяжение молекул парафина сильнее притяжения молекул воды.

Как взаимодействуют между собой молекулы – отталкивание молекул

Молекулы притягиваются друг к другу, но не слипаются вместе. Между крохотными частицами есть промежутки. Если молекулы сжать слишком близко, то они оттолкнутся друг от друга.

Межмолекулярное отталкивание вступает в силу, когда расстояние между молекулами становится меньше размера самих частиц и стремится к нулю. Наглядно силу отталкивания демонстрирует губка, которая после сжатия в руке восстанавливает свою первоначальную форму.

При сжатии губки мы усилием сжимаем её молекулы на очень близкое расстояние, меньшее чем размеры молекул, когда и возникает сила взаимного отталкивания всех молекул.

Молекулы, взаимодействуют между собой путём взаимного притяжение и отталкивания. Эти процессы зависят от расстояния, на котором находятся молекулы друг от друга: если межмолекулярного расстояние больше размера самих частиц – они притягиваются, если меньше – отталкиваются.

Действие притяжения и отталкивания молекул также зависит от рода вещества. Твёрдые тела имеют более сильное притяжение, чем молекулы жидких веществ и более слабое отталкивание.

Монету не сжать в руке, а молекулы газообразных веществ сильнее отталкиваются друг от друга, что позволяет газам не формироваться в предметы.

При хаотическом движении молекул происходят многочисленные столкновения молекул газа друг с другом.

Расстояние, которое пролетает молекула между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега и обозначается λдлины свободного пробега между отдельными столкновениями молекулы могут значительно отличаться друг от друга. Поэтому пользуются средней длиной свободного пробегаλ 1:

λ = (λ 1 + λ 2 +…+ λz) / z.

Если z обозначает среднее число столкновений молекулы за 1 сек., то

λ = υ/z.

Броуновское движение-движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием не скомпенсированных ударов молекул вещества.

Диффузия- процесс выравнивания концентраций, обусловленный переносом вещества посредством молекулярного движения.

Масса и размер молекул.

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10 –10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше. (1 нм = 10 -9 м). Например: диаметр молекулы воды (H 2 O) равен 0,26 нм.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12C.Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро N A:

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N A:

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12 C называется относительной массой.

Закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковым давлении и температуре содержится одинаковое количество молекул.

Идеальный газ.

Идеальным считается газ, удовлетворяющий следующим условиям:

· объемом всех молекул газа можно пренебречь по сравнению с объемом сосуда, в котором этот газ находится;

· время столкновения молекул друг с другом пренебрежимо мало по сравнению со временем между двумя столкновениями;

· молекулы взаимодействуют между собой только при непосредственном столкновении;

· силы притяжения между молекулами идеального газа ничтожны малы и ими можно пренебречь;

· движение молекул подчиняется закона Ньютона.

Идеальный газ оказывает давление на стенки сосуда за счет упругих ударов его молекул о стенки.

То, что молекулы взаимодействуют друг с другом, следует хотя бы из того, что существуют жидкости и твердые тела: ведь иначе они распались бы на отдельные молекулы, превратившись в газы!

Как взаимодействуют молекулы? Ответ на этот вопрос можно получить, исследуя свойства твердых тел в следующих простых опытах.

Попробуйте сжать камень – вряд ли у вас это получится. Дело в том, что в твердых телах молекулы расположены вплотную друг к другу и поэтому при сжатии молекулы как бы «упираются» одна в другую. Другими словами, когда молекулы находятся на очень близком расстоянии, они отталкиваются друг от друга.

Благодаря этому отталкиванию вы не проваливаетесь сквозь пол: молекулы, из которых состоит материал подошв, «упираются» в молекулы, из которых состоит пол. Эти силы отталкивания между молекулами схематически изображены на рис. 6.3, а.

Однако твердые тела сопротивляются не только сжатию, но и растяжению. А это означает, что при увеличении расстояния отталкивание между молекулами сменяется притяжением.

Рис. 6.3. Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря отталкиванию молекул друг от друга (а); пытаясь разорвать нить, вы чувствуете силы притяжения между молекулами в малом сечении нити (б)

Поставим опыт

Чтобы почувствовать, насколько велики силы притяжения между молекулами, попробуйте разорвать руками капроновую нить сечением 1 мм 2 . Трудно? А ведь усилиям вашего тела противостоят силы притяжения крошечных молекул в малом сечении нити. Эти силы схематически показаны на рис. 6.3, б.

Наблюдения и опыты показывают, что притягиваются друг к другу не только молекулы одного и того же вещества, но и молекулы разных веществ.

Почему слипаются мокрые волосы?

Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. – Класс!ная физика

Как взаимодействуют между собой молекулы 7. Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярная физика. Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул

Молекулярная физика – это просто!

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др. Причина взаимодействия молекул – это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе.

Как это объяснить? Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна.

Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул. Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать.

На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет. Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения.

При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания.

На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания. Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.

Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна. В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул.

Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией.

Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул. Сильное взаимодействие частиц.

Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел.

Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах – узлах кристаллической решетки.

Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.

Такие твердые тела называются кристаллическими.

Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул. Слабое взаимодействие частиц.

Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями

Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места.

Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости. В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.

По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами.

Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газ

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул. Частицы вещества практически не взаимодействуют.

Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.

Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.

Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

Назад в раздел «10-11 класс»

Молекулярная физика. Термодинамика – Класс!ная физика

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. — Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. — Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. — Температура. Тепловое равновесие.

Абсолютная шкала температур. — Уравнение состояния идеального газа. — Изопроцессы. Газовые законы. — Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. — Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.