Značajke molekularne strukture tekućina

Tekućina zauzima srednje mjesto u svojstvima i strukturi između plinova i čvrstih kristalnih tvari. Stoga ima svojstva i plinovitog i čvrste tvari. U molekularno kinetičkoj teoriji različita agregatna stanja tvari povezana su s različitim stupnjem uređenosti molekula. Za krute tvari tzv narudžba na daljinu u rasporedu čestica, t.j. njihov uredan raspored, koji se ponavlja na velikim udaljenostima. U tekućinama tzv narudžba kratkog dometa u rasporedu čestica, t.j. njihov uređeni raspored, koji se ponavlja na udaljenostima, usporediv je s međuatomskim. Na temperaturama blizu temperature kristalizacije, tekuća struktura je bliska strukturi krutine. Pri visokim temperaturama, blizu točke vrelišta, struktura tekućine odgovara plinovitom stanju - gotovo sve molekule sudjeluju u kaotičnom toplinskom gibanju.

Tekućine, kao i krute tvari, imaju određeni volumen, a poput plinova poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Molekule plina praktički nisu međusobno povezane silama međumolekularne interakcije, au ovom slučaju prosječna energija toplinsko kretanje molekule plina su mnogo veće od prosječne potencijalne energije zbog sila privlačenja među njima, pa se molekule plina raspršuju u različitim smjerovima i plin zauzima volumen koji mu se pruža. U čvrstim i tekućim tijelima sile privlačenja između molekula već su značajne i drže molekule na određenoj udaljenosti jedna od druge. U tom je slučaju prosječna energija toplinskog gibanja molekula manja od prosječne potencijalne energije zbog sila međumolekularne interakcije, a nije dovoljna da se prevladaju sile privlačenja između molekula, pa krute tvari i tekućine imaju određeni volumen .

Tlak u tekućinama raste vrlo brzo s povećanjem temperature i smanjenjem volumena. Volumetrijsko širenje tekućina je mnogo manje od para i plinova, budući da su sile koje vežu molekule u tekućini značajnije; ista primjedba vrijedi i za toplinsko širenje.

Toplinski kapaciteti tekućina obično se povećavaju s temperaturom (iako neznatno). Omjer C p / C V je praktički jednak jedan.

Teorija tekućine do danas nije u potpunosti razvijena. Razvoj niza problema u proučavanju složenih svojstava tekućine pripada Ya.I. Frenkel (1894–1952). Toplinsko gibanje u tekućini objasnio je činjenicom da svaka molekula neko vrijeme oscilira oko određenog ravnotežnog položaja, nakon čega skače u novi položaj, koji je na udaljenosti reda međuatomske udaljenosti od početne. Dakle, molekule tekućine kreću se prilično sporo po masi tekućine. S povećanjem temperature tekućine, frekvencija oscilatornog gibanja naglo raste, a mobilnost molekula raste.

Na temelju Frenkelova modela moguće je neke objasniti karakteristične značajke svojstva tekućine. Dakle, tekućine, čak i blizu kritične temperature, imaju mnogo veću viskoznost nego plinovi, a viskoznost opada s porastom temperature (a ne raste, kao u plinovima). To se objašnjava različitom prirodom procesa prijenosa zamaha: prenose ga molekule koje skaču iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, a ti skokovi postaju sve češći s povećanjem temperature. Difuzija u tekućinama se događa samo zbog molekularnih skokova, a događa se mnogo sporije nego u plinovima. Toplinska vodljivost tekućine nastaje zbog razmjene kinetičke energije između čestica koje osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja s različitim amplitudama; oštri skokovi molekula ne igraju zamjetnu ulogu. Mehanizam provođenja topline sličan je njegovom mehanizmu u plinovima. karakteristično obilježje tekućina je njegova sposobnost da ima slobodna površina(nije ograničena čvrstim zidovima).

Predloženo je nekoliko teorija za molekularnu strukturu tekućina.

1. Model zone. NA ovaj trenutak U vrijeme, tekućina se može smatrati da se sastoji od područja u kojima su molekule raspoređene ispravnim redoslijedom, tvoreći neku vrstu mikrokristala (zona). Ta su područja, takoreći, odvojena tvari u plinovitom stanju. S vremenom se ta područja formiraju na drugim mjestima i tako dalje.

2. Teorija kvazikristalne strukture. Razmotrimo kristal na temperaturi apsolutne nule (vidi sliku 9.9.)

U njemu biramo proizvoljan smjer i crtamo ovisnost vjerojatnosti P pronalaska molekule plina na određenoj udaljenosti od druge molekule smještene u ishodištu (slika 9.9.). a), dok se molekule nalaze na čvorovima kristalne rešetke. Na višoj temperaturi (slika 9.9, b) molekule osciliraju oko fiksnih ravnotežnih položaja u blizini kojih provode većinu vremena. Stroga periodičnost ponavljanja maksimuma vjerojatnosti u idealnom kristalu proteže se proizvoljno daleko od odabrane čestice; stoga je uobičajeno reći da u čvrstom tijelu postoji „daljinski poredak“.

U slučaju tekućine (slika 9.9, u) blizu svake molekule, njezini su susjedi locirani manje-više pravilno, ali daleko je taj red narušen (redak kratkog dometa). Na grafikonu se udaljenosti mjere u dijelovima polumjera molekule (r/r 0).

DISTRIBUCIJA MOLEKULA U POTENCIJALNOM POLJU

SILE GRAVITACIJE (BOLTZMANNOVA DISTRIBUCIJA)

Prilikom izvođenja osnovne jednadžbe MKT plinova i Maxwellove distribucije pretpostavljeno je da vanjske sile ne djeluju na molekule plina, što znači da su molekule raspoređene jednoliko po volumenu. Međutim, molekule bilo kojeg plina uvijek su u potencijalnom polju Zemljine gravitacije. Gravitacija, s jedne strane, i toplinsko gibanje molekula, s druge strane, dovode do određenog stacionarnog stanja, u kojem tlak plina opada s povećanjem visine.

Dobijmo zakon promjene tlaka s visinom, uz pretpostavku da je po cijeloj visini: gravitacijsko polje jednoliko (g = const); temperatura je ista (T = const); mase svih molekula su iste.

Neka je tlak p na visini h. Tada je na visini h + dh tlak p + dp. Štoviše, ako je dh >0, tada je dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Sada ili .

Integrirajmo desnu i lijevu stranu:

; .

Gdje, . (26)

Ovo je takozvana barometrijska formula. Omogućuje vam da odredite tlak atmosfere kao funkciju nadmorske visine:

. (27)

Jer tlak je izravno proporcionalan koncentraciji molekula, tada možete dobiti zakon promjene koncentracije molekula s visinom, pod uvjetom da se temperatura ne mijenja s visinom (T = const):

. (28)

S obzirom da je M = m∙N A , i R = k∙N A iz (27) dobivamo:

Jer mgh = U(h) je tada potencijalna energija jedne molekule na visini h

(30)

je Boltzmannova distribucija.

BROJ SUDOVA I PROSJEČAN SLOBODAN PUTEŽ IDEALNIH MOLEKULA PLINA.

Kao rezultat kaotičnog kretanja, molekule plina neprestano se sudaraju jedna s drugom. Između dva uzastopna sudara, molekula putuje određeni put λ, koji se naziva srednjim slobodnim putem . U općem slučaju, duljina ovog puta je drugačija, ali pošto broj sudara je vrlo velik, a kretanje je nasumično, tada pod stalnim vanjskim uvjetima možemo govoriti o Srednja dužina slobodno trčanje - . Ako molekule danog plina u prosjeku dožive 1 sekundu sudara, onda

gdje je aritmetička srednja brzina molekula.

Idealne molekule plina smatramo sferama. Očito će doći do sudara ako se dvije molekule približe na udaljenost jednaku dvama polumjerima, tj. promjeru molekula d. Minimalna udaljenost, kojim se središta dviju molekula približavaju tijekom sudara, naziva se efektivnim promjerom molekula. Ovaj parametar ovisi o , a time i o temperaturi plina.

Za definiranje, zamislimo molekulu efektivnog promjera d, koja se kreće brzinom među ostalim molekulama, koje u isto vrijeme ostaju nepomične. Ova molekula će se sudariti sa svim molekulama čija središta leže unutar "slomljenog" cilindra polumjera d. To znači da je jednako broju molekula u volumenu ovog cilindra

gdje je n koncentracija molekula, a V volumen cilindra: . Imajući ovo na umu -

. (32)

Uzimanje u obzir gibanja drugih molekula povećava broj sudara za faktor. Konačno, za z dobivamo:

. (33)

Zatim (34)

Jer p ~ n, zatim za različite vanjski uvjeti imamo:

Za zrak na br. (p = 760 mm Hg; t 0 = 0 0 S): z \u003d 10 9 s -1, a = 5 ∙ 10 -8 m.

PRIJENOSNI FENOMENI

U termodinamički neravnotežnim sustavima, t.j. u sustavima za koje su vrijednosti makroparametara (T, p, ) različite u svojim različitim točkama, nastaju nepovratni procesi koji se nazivaju transportne pojave . Kao rezultat takvih procesa, energija se prenosi s jednog lokalnog područja sustava na drugo (fenomen toplinske vodljivosti), masa (fenomen difuzije), impuls (unutarnje trenje), naboj itd. To dovodi do usklađivanja vrijednosti makroparametara prema volumenu sustava. Jasno je da se prijenos bilo koje vrijednosti objašnjava prijelazom s mjesta na mjesto određenog broja čestica (molekula i atoma) kao rezultat njihovog kaotičnog kretanja.

Dobivamo opću jednadžbu transporta u proizvoljnom smjeru. Usmjerimo osovinu O duž nje x(slika 3). Mentalno izdvojimo element ravnine površine ∆S, okomit na O x. Zbog slučajnosti kretanja tijekom vremena ∆t kroz ∆S u smjeru O x premjestiti N čestica:

(1)

Ovdje je n koncentracija molekula (atoma) i njihova aritmetička srednja brzina. Prolazeći kroz ∆S, svaka molekula prenosi svoju inherentnu masu, naboj, zamah, energiju ili neke druge svoje karakteristike. Označimo vrijednost količine koju nosi jedna molekula slovom φ. Zatim za vrijeme ∆t kroz područje ∆S u smjeru osi O x količina će se prenijeti fizička veličina

(2).

Očito, ako je koncentracija s desne strane također n, tada će se isti broj čestica kretati s desna na lijevo. Oni. rezultirajući prijenos u ovom slučaju nula: ∆N = 0 i ∆Nφ = 0.

Ako je medij nehomogen, t.j. ili koncentracija čestica ili vrijednosti φ za čestice s lijeve i desne strane nisu iste, tada će prijelazi iz područja gdje je vrijednost (nφ) veća u područje gdje je manja biti vjerojatniji. Ako pretpostavimo da je (nφ) 1 > (nφ) 2, tada će rezultirajući prijenos vrijednosti φ biti određen relacijom: . (3)

Predznak minus u (3) odražava činjenicu da se vrijednost (nφ) smanjuje u smjeru prijenosa.

Otkrijmo na kojoj udaljenosti od ∆S s lijeve i desne strane treba uzeti vrijednosti (nφ). Jer promijeniti fizičke karakteristike molekula se događa samo tijekom sudara, a prije sudara svaka od molekula je prešla udaljenost jednaku slobodnom putu, tada možemo pretpostaviti da (nφ) molekule ostaju nepromijenjene na udaljenosti jednakoj slobodnom putu lijevo i desno od ∆ S. Podijelite i pomnožite desnu stranu (3) s 2:

Raspodjela vrijednosti duž bilo kojeg smjera određena je karakteristikom koja se naziva gradijent. Gradijent je promjena veličine na udaljenosti koja je jednaka jediničnoj duljini.

U ovom slučaju, u točki s koordinatama x 2 vrijednost prenosive vrijednosti je (nφ) 2, a u točki x 1 – (nφ) 1 , zatim ispod gradijenta vrijednosti nφ, prenesene duž O osi x, treba razumjeti odnos:

.

Zatim gradijent nφ u području ∆S.

. (5)

(5) je opća jednadžba prijenosa.

Difuzija je prijenos mase materije . Pod uvjetom da su mase molekula iste (m 0 = const), temperatura plina je jednaka po volumenu (T = const) i raspodjela brzina je jednolična po volumenu ( = const), zamjenjujući masu plina molekula u (5) umjesto φ, dobivamo:

Ili . (6)

Ovo je Fickov zakon. D = je koeficijent difuzije. [D] \u003d m 2 / s.

Toplinska vodljivost je prijenos energije . Pod uvjetom da je koncentracija molekula u cijelom volumenu plina (n \u003d const), mase molekula iste (m 0 = const), raspodjela brzina po volumenu je jednolika ( \u003d const), i prosječne kinetičke energije translacijskog gibanja jedne molekule, dobivamo Fourierov zakon:

, ili . (7)

- koeficijent toplinske vodljivosti. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

Viskoznost je prijenos zamaha između paralelnih slojeva koji se kreću na uredan način brzinama u 1 i u 2. Pod uvjetom da je u cijelom volumenu plina koncentracija molekula n = const, mase molekula su iste (m 0 = const), raspodjela brzina po volumenu je jednolika ( = const), a impuls modul jedne molekule, povezan s brzinom uređenog kretanja slojeva φ = p = m 0 u, za moment sile interakcije slojeva imamo:

Ili . ()

Ovo je Newtonova jednadžba, koja određuje veličinu sile unutarnjeg trenja (viskoznost). je poprečni gradijent brzine koji karakterizira brzinu promjene brzine u smjeru x okomito na kretanje trljajućih slojeva. η – dinamički koeficijent viskoznosti . [η] = Pa s.

MOLEKULARNE SILE

Sile interakcije između molekula ili, kako ih još zovu, Van der Waalsove sile, električne su prirode. To su Coulombove sile interakcije nabijenih čestica koje izgrađuju atome i molekule. Pojavljuju se na udaljenostima razmjernim s veličinom samih molekula i vrlo brzo se smanjuju s povećanjem udaljenosti. Istovremeno, istovremeno djeluju privlačne sile (međusobno djelovanje različitih naboja) i sile odbijanja (interakcija sličnih naboja). Jer stvarne čestice nisu točkaste, tada veličina tih sila ovisi o udaljenosti između njih na različite načine.

Postoje tri vrste van der Waalsovih sila:

a) orijentacija - djeluju između polarnih molekula:

,

gdje je r električni dipolni moment čestica, r je udaljenost između njih, k je Boltzmannova konstanta, T je termodinamička temperatura.

b) indukcija – opisati međudjelovanje molekula, polarizaciju

naboji u kojima nastaje pod utjecajem električnih polja susjednih čestica:

.

Ovdje: r ind = ε 0 αE – stečeni električni dipolni moment čestica; α je polarizabilnost molekula.

u) disperzija - odrediti interakciju molekula, u kojoj se asimetrična raspodjela naboja događa nasumično, u procesu kretanja elektrona duž orbita, što dovodi do stvaranja trenutnih dipola:

.

Općenito, sve tri vrste sila mogu djelovati istovremeno:

F m \u003d F o + F i + F d.

Razmotrimo ovisnost međumolekularnih interakcijskih sila o udaljenosti. Sile privlačenja F pr smatraju se negativnim, a sile odbijanja F od pozitivnim. Zbroj tih sila daje rezultantu - Fres = f(r). Na nekoj udaljenosti r 0 između molekula |F pr | = |F od | i rezultirajuća sila F = F pr + F od \u003d 0. Ako je r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , tada prevladavaju sile privlačenja. Međutim, na udaljenosti od r > 10 -9 m, van der Waalsove sile brzo teže nuli.

Sustav međudjelujućih molekula karakterizira određena rezerva potencijalne energije, koja na složen način ovisi o r, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 i r → r 0 - E p → E p min, E p< 0 ;

r \u003d r 0 - E p \u003d E p min, E str< 0;

r< r 0 и уменьшается – Е п → ∞, Е п > 0.

Najmanja potencijalna energija interakcije naziva se energija vezanja molekula. To je jednako radu koji se mora izvršiti protiv sila privlačenja da bi se odvojile molekule koje su u ravnoteži.

Omjer minimalne potencijalne energije (E p min) i vrijednosti udvostručene prosječne energije toplinskog gibanja po jednom stupnju slobode je kriterij za agregacijsko stanje tvari. ako:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – tekućina;

c) E p min >> kT je cvrsto tijelo.

Dakle, svaka tvar, ovisno o temperaturi, može biti u plinovitom, tekućem ili čvrstom agregacijskom stanju.

STRUKTURNE ZNAČAJKE PLINOVA, TEKUĆINA I ČVRSTIH TIJELA

R.N. Grabovski. Tečaj fizike. 1980., str. 168-174.

PRAVI PLINOVI

Jednadžbe molekularne kinetičke teorije prilično dobro opisuju ponašanje stvarnih plinova pri dovoljno visokoj temperaturi i niskom tlaku. To je razumljivo, jer takvo stanje pravi plin najbliži modelu idealnog plina, na temelju kojeg se dobivaju svi zaključci MKT-a. Međutim, s povećanjem tlaka i smanjenjem temperature, prosječna udaljenost između molekula se smanjuje, a sile molekularne interakcije rastu. Primjerice, kod br. volumen molekula je 1/10000 volumena koji zauzima plin, a pri tlaku od 500 atm (500 MPa) to će već biti polovica ukupnog volumena plina. Sasvim je očito da pod ovim uvjetima zakoni MKT-a prestaju djelovati, na primjer, PV ¹ const pri T = const.

Dakle, zadatak je dobiti takvu jednadžbu stanja za pravi plin koja bi uzela u obzir volumen molekula i njihovu interakciju.

©2015-2019 stranica
Sva prava pripadaju njihovim autorima. Ova stranica ne tvrdi autorstvo, ali omogućuje besplatno korištenje.
Datum izrade stranice: 2016-02-13

U problemima u ovom odjeljku oni uglavnom naglašavaju ideju da se molekule u plinovima nalaze na većim udaljenostima nego u tekućinama i čvrstim tvarima, sile privlačenja između njih su neznatne, pa stoga plinovi zauzimaju veliki volumen. (Slična tvrdnja s obzirom na tekućine i krute tvari je, općenito govoreći, netočna. Za krute tvari, redoslijed molekula također je od velike važnosti.)

Drugi koncept koji se formira u VI razredu pri rješavanju zadataka iz ovog odjeljka je razlika u prirodi kretanja molekula u plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima.

58(e). Pomicanjem čepa u pištolju za krumpir štapom (slika 14) promatrajte smanjenje volumena zraka. Napravite isti pokus, napunite cijev vodom. Objasnite razliku u stišljivosti između vode i zraka na temelju molekularne strukture tvari.

59. Kako objasniti da para proizvedena kipućom vodom zauzima oko 1700 puta veći volumen od vode na vrelištu?

Odgovor. Molekule pare se nalaze na tako velikim udaljenostima jedna od druge da su privlačne sile između njih neznatne i stoga ne mogu uzrokovati kondenzaciju pare na danoj temperaturi (pri zadanoj molekularnoj brzini).

60(e). Ulijte pola vode u staklenu cijev od metar, a na vrh alkohol i zatim ih pomiješajte. Kako se nakon toga promijenio volumen tekućine? Objasni zašto.

Odgovor. Ukupni volumen se smanjio kao rezultat gušćeg pakiranja molekula.

61. Znanstvenik Bridgman velikom je snagom istisnuo ulje u čelični cilindar. Kako objasniti da su čestice ulja stršile na vanjskim stijenkama cilindra, iako u njima nije bilo pukotina?

62. Ako ploče olova i zlata pritisnete zajedno, onda nakon nekog vremena možete pronaći molekule olova u zlatu, a molekule zlata u olovu. Objasni zašto.

Rješenje zadataka 61 i 62. U krutim tvarima i tekućinama postoje male praznine između molekula, unatoč njihovom gustom pakiranju. Molekule se kreću prvenstveno vibracijom. Slika podsjeća na ljude u prepunom autobusu, koji se, unatoč tijesnosti, kreću uokolo, mijenjajući mjesta jedni s drugima ili prolazeći kroz nasumično formirane prolaze.

63(e). Pregledajte ploču liskuna i razdvojite je na tanje listove. Razbijte i pregledajte komade velikog stolna sol. Kako se na temelju molekularne strukture tvari mogu objasniti nejednaka svojstva tinjca i soli u različitim smjerovima?

64(e). Razbijte dio smole i objasnite zašto prekid uvijek daje glatku površinu.

Odgovor. Var je zgusnuta tekućina, stoga njezine molekule ne tvore pravilno izmjenične slojeve, kao u kristalnom tijelu.

Struktura plinova, tekućina i čvrstih tijela. Značajke strukture rješenja. Koncept "reaktivnog polja"
Teorija strukture tekućina: usporedba sa strukturom plinova i čvrstih tijela Struktura (struktura) tekućina. Struktura tekućina trenutno je predmet pomnog proučavanja fizikalnih kemičara. Za istraživanja u ovom smjeru koriste se najsuvremenije metode, uključujući spektralne (IR, NMR, raspršivanje svjetlosti različitih valnih duljina), raspršenje rendgenskih zraka, kvantnomehaničke i statističke metode proračuna itd. Teorija tekućina je mnogo manje razvijena od teorije plinova, budući da svojstva tekućina ovise o geometriji i polaritetu blisko raspoređenih molekula. Osim toga, nedostatak specifične strukture tekućina otežava formaliziranje njihovog opisa - u većini udžbenika tekućinama se daje mnogo manje prostora nego plinovi i kristalne krutine. Koje su značajke svakog od tri agregatna stanja tvari: čvrstog, tekućeg i plinovitog. (stol)
1) Čvrsto: tijelo zadržava volumen i oblik
2) Tekućine zadržavaju volumen, ali lako mijenjaju oblik.
3) Plin nema ni oblik ni volumen.

Ta se stanja iste tvari ne razlikuju po vrsti molekula (to je isto), već po načinu na koji se molekule nalaze i kreću.
1) U plinovima je udaljenost između molekula velika više veličina same molekule
2) Molekule tekućine ne divergiraju na velike udaljenosti i tekućina u normalnim uvjetima zadržava svoj volumen.
3) Čestice čvrstih tijela poredane su određenim redoslijedom. Svaka od čestica se kreće oko određene točke u kristalnoj rešetki, poput njihala sata, odnosno oscilira.
Kad temperatura padne, tekućine se skrućuju, a kad se popnu iznad vrelišta, prelaze u plinovito stanje. Sama ta činjenica ukazuje na to da tekućine zauzimaju međupoložaj između plinova i krutih tvari, što se razlikuje od oboje. Međutim, tekućina ima sličnosti sa svakim od ovih stanja.
Postoji temperatura pri kojoj granica između plina i tekućine potpuno nestaje. To je takozvana kritična točka. Za svaki plin je poznata temperatura iznad koje ne može biti tekući ni pri jednom tlaku; pri ovoj kritičnoj temperaturi nestaje granica (meniskus) između tekućine i njezine zasićene pare. Postojanje kritične temperature ("apsolutne točke vrelišta") utvrdio je DIMendeleev 1860. Drugo svojstvo koje spaja tekućine i plinove je izotropnost. Odnosno, na prvi pogled može se pretpostaviti da su tekućine bliže plinovima nego kristalima. Baš kao i plinovi, tekućine su izotropne, t.j. svojstva su im ista u svim smjerovima. Kristali su, naprotiv, anizotropni: indeks loma, stišljivost, čvrstoća i mnoga druga svojstva kristala pokazuju se različitim u različitim smjerovima. Čvrste kristalne tvari imaju uređenu strukturu s ponavljajućim elementima, što omogućuje njihovo proučavanje rendgenskom difrakcijom (metoda rendgenske difrakcijske analize koristi se od 1912.).

Što je zajedničko tekućinama i plinovima?
A) izotropna. Svojstva tekućine, kao i plinova, ista su u svim smjerovima, t.j. su izotropni, za razliku od kristala, koji su anizotropni.
B) Tekućine, kao i plinovi, nemaju određeni oblik i poprimaju oblik posude (niska viskoznost i visoka fluidnost).
Molekule i tekućine i plinovi se kreću prilično slobodno, sudarajući se jedni s drugima. Prije se vjerovalo da se unutar volumena koji zauzima tekućina svaka udaljenost koja prelazi zbroj njihovih polumjera smatra jednako vjerojatnom, t.j. odbijena je sklonost uređenom rasporedu molekula. Tako su u određenoj mjeri tekućine i plinovi bili suprotstavljeni kristalima.
Kako istraživanje napreduje, višečinjenice su upućivale na prisutnost sličnosti između strukture tekućina i čvrstih tijela. Na primjer, vrijednosti toplinskih kapaciteta i koeficijenata stišljivosti, osobito blizu točke taljenja, praktički se međusobno podudaraju, dok se te vrijednosti za tekućinu i plin oštro razlikuju.
Već iz ovog primjera može se zaključiti da slika toplinskog gibanja u tekućinama na temperaturi bliskoj temperaturi skrućivanja podsjeća na toplinsko gibanje u krutim tvarima, a ne u plinovima. Uz to se mogu uočiti i tako značajne razlike između plinovitog i tekućeg stanja tvari. U plinovima su molekule raspoređene po prostoru na potpuno nasumičan način, t.j. potonje se smatra primjerom obrazovanja bez strukture. Tekućina još uvijek ima određenu strukturu. To je eksperimentalno potvrđeno difrakcijom X zraka, koja pokazuje barem jedan jasan maksimum. Struktura tekućine je način na koji su njezine molekule raspoređene u prostoru. Tablica prikazuje sličnosti i razlike između plinovitog i tekućeg stanja.
Plinska faza Tekuća faza
1. Udaljenost između molekula l obično je (za niske tlakove) mnogo veća od polumjera molekule r: l  r ; praktički cijeli volumen V koji zauzima plin je slobodni volumen. U tekućoj fazi, naprotiv, l 2. Prosječna kinetička energija čestica, jednaka 3/2kT, veća je od potencijalne energije njihove međumolekularne interakcije U. Potencijalna energija interakcije molekula veća je od prosječne kinetička energija njihova kretanja: U3/2 kT
3. Čestice se sudaraju tijekom translacijskog gibanja, faktor frekvencije sudara ovisi o masi čestica, njihovoj veličini i temperaturi.Svaka čestica oscilira u kavezu koji stvaraju molekule koje je okružuju. Amplituda titranja a ovisi o slobodnom volumenu, a  (Vf/ L)1/3
4. Difuzija čestica nastaje kao rezultat njihovog translacijskog gibanja, koeficijent difuzije D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) i ovisi o tlaku plina
(D  p-1) Difuzija nastaje kao rezultat čestice koja skače s jedne stanice na drugu s aktivacijskom energijom ED,
D  e-ED/RT u neviskoznim tekućinama
D  0,3 - 3 cm2 / dan.
5. Čestica se slobodno rotira, frekvenciju rotacije r određuju samo momenti tromosti čestice i temperatura, frekvencija rotacije r T1/2 Er/RT
Međutim, tekuće stanje je blisko čvrstom stanju u nizu važnih pokazatelja (kvazikristalnost). Nagomilavanje eksperimentalnih činjenica pokazalo je da tekućine i kristali imaju mnogo zajedničkog. Fizikalna i kemijska istraživanja pojedinih tekućina pokazala su da gotovo sve imaju neke elemente kristalne strukture.
Prvo, međumolekularne udaljenosti u tekućini su bliske onima u krutini. To dokazuje činjenica da se tijekom taljenja potonjeg volumen tvari neznatno mijenja (obično se povećava za ne više od 10%). Drugo, energija međumolekularne interakcije u tekućini i u krutini neznatno se razlikuje. To proizlazi iz činjenice da je toplina fuzije mnogo manja od topline isparavanja. Na primjer, za vodu Hpl= 6 kJ/mol, a Hsp= 45 kJ/mol; za benzen Hpl = 11 kJ/mol, a Htest = 48 kJ/mol.
Treće, toplinski kapacitet tvari tijekom taljenja se vrlo malo mijenja, t.j. blizu je za obje ove države. Otuda slijedi da je priroda gibanja čestica u tekućini bliska onoj u krutom tijelu. Četvrto, tekućina, poput čvrstog tijela, može izdržati velike vlačne sile bez loma.
Razlika između tekućine i krutine leži u fluidnosti: krutina zadržava svoj oblik, tekućina ga lako mijenja čak i pod utjecajem malog napora. Ova svojstva proizlaze iz takvih značajki strukture tekućine kao što su jaka međumolekularna interakcija, poredak kratkog dometa u rasporedu molekula i sposobnost molekula da relativno brzo mijenjaju svoj položaj. Kada se tekućina zagrije od točke smrzavanja do točke vrelišta, njezina se svojstva glatko mijenjaju, zagrijavanjem se postupno povećavaju njezine sličnosti s plinom.
Svatko od nas može se lako sjetiti mnogih tvari koje smatra tekućinama. Međutim, nije tako lako dati točnu definiciju ovog stanja materije, budući da tekućine imaju takva fizikalna svojstva da u nekim aspektima nalikuju krutim tvarima, au drugima nalik plinovima. Sličnost tekućina i čvrstih tvari najizraženija je u staklastim materijalima. Njihov prijelaz iz krutog u tekuće s porastom temperature događa se postupno, a ne kao izraženo talište, oni jednostavno postaju sve mekši i mekši, tako da je nemoguće naznačiti u kojem temperaturnom rasponu ih treba zvati čvrstim, a u kojem tekućinama. Možemo samo reći da je viskoznost staklaste tvari u tekućem stanju manja nego u čvrstom stanju. Čvrste čaše stoga se često nazivaju prehlađenim tekućinama. Očito najviše karakteristično svojstvo tekućine, po čemu se razlikuju od čvrstih tvari, njihova je niska viskoznost, t.j. visoka fluidnost. Zahvaljujući njoj poprimaju oblik posude u koju se ulijevaju. Na molekularnoj razini, visoka fluidnost znači relativno veliku slobodu čestica tekućine. U tome tekućine nalikuju plinovima, iako su sile međumolekularne interakcije tekućina veće, molekule su bliže i ograničenije u svom kretanju.
Ono što je rečeno može se pristupiti i na drugi način - s gledišta ideje dalekometnog i kratkoročnog reda. Daleki poredak postoji u kristalnim čvrstim tvarima, čiji su atomi raspoređeni na strogo uređen način, tvoreći trodimenzionalne strukture koje se mogu dobiti uzastopnim ponavljanjem jedinične ćelije. U tekućini i staklu nema dalekosežnog reda. To, međutim, ne znači da oni uopće nisu naručeni. Broj najbližih susjeda za sve atome je gotovo isti, ali raspored atoma kako se udaljavaju od bilo kojeg odabranog položaja postaje sve kaotičniji. Dakle, red postoji samo na malim udaljenostima, otuda i naziv: poredak kratkog dometa. Adekvatan matematički opis strukture tekućine može se dati samo uz pomoć statističke fizike. Na primjer, ako se tekućina sastoji od identičnih sfernih molekula, tada se njezina struktura može opisati funkcijom radijalne distribucije g(r), koja daje vjerojatnost pronalaženja bilo koje molekule na udaljenosti r od zadane, odabrane kao referentne točke . Eksperimentalno se ova funkcija može pronaći proučavanjem difrakcije rendgenskih zraka ili neutrona, a s pojavom brzih računala počela se izračunavati metodom računalna simulacija, na temelju dostupnih podataka o prirodi sila koje djeluju između molekula, ili na pretpostavkama o tim silama, kao i na zakonima Newtonove mehanike. Uspoređujući teoretski i eksperimentalno dobivene funkcije radijalne distribucije, može se provjeriti točnost pretpostavki o prirodi međumolekularnih sila.
U organskim tvarima čije molekule imaju izduženi oblik, u jednom ili drugom temperaturnom rasponu, ponekad se nalaze područja tekuće faze s dalekometnim orijentacijskim redoslijedom, što se očituje u tendenciji paralelnog poravnanja dugih osi molekule. U ovom slučaju, orijentacijsko sređivanje može biti popraćeno koordinacijskim uređenjem molekularnih centara. Tekuće faze ovog tipa obično se nazivaju tekućim kristalima. Tekuće kristalno stanje je srednje između kristalnog i tekućeg. Tekući kristali imaju i fluidnost i anizotropiju (optičku, električnu, magnetsku). Ponekad se ovo stanje naziva mezomorfnim (mezofaza) zbog izostanka dalekosežnog reda. Gornja granica postojanja je temperatura prosvjetljenja (izotropna tekućina). Termotropne (mezogene) FA postoje iznad određene temperature. Tipični su cijanobifenili. Liotropni - kada se otapaju, na primjer, vodene otopine sapuna, polipeptida, lipida, DNK. Proučavanje tekućih kristala (mezofaza - taljenje u dvije faze - mutna talina, zatim prozirna, prijelaz iz kristalne faze u tekućinu kroz međuoblik s anizotropnim optičkim svojstvima) važno je za potrebe tehnologije - indikacije tekućih kristala.
Molekule u plinu kreću se nasumično (nasumično). U plinovima je udaljenost između atoma ili molekula u prosjeku višestruko veća od veličine samih molekula. Molekule u plinu kreću se velikom brzinom (stotine m/s). Sudarajući se, odbijaju se jedna od druge poput savršeno elastičnih kuglica, mijenjajući veličinu i smjer brzina. Na velikim udaljenostima između molekula privlačne sile su male i nisu u stanju zadržati molekule plina jednu uz drugu. Stoga se plinovi mogu neograničeno širiti. Plinovi se lako komprimiraju, prosječna udaljenost između molekula se smanjuje, ali i dalje ostaje velika. Plinovi ne zadržavaju ni oblik ni volumen, njihov volumen i oblik podudaraju se s volumenom i oblikom posude koju ispunjavaju. Brojni udari molekula na stijenke posude stvaraju tlak plina.
Atomi i molekule čvrstih tvari vibriraju oko određenih ravnotežnih položaja. Stoga krute tvari zadržavaju i volumen i oblik. Ako mentalno povežete centre ravnotežnih položaja atoma ili iona čvrstog tijela, tada ćete dobiti kristalnu rešetku.
Molekule tekućine nalaze se gotovo blizu jedna drugoj. Stoga su tekućine vrlo slabo stišljive i zadržavaju svoj volumen. Molekule tekućine vibriraju oko ravnotežnog položaja. S vremena na vrijeme molekula čini prijelaze iz jednog staloženog stanja u drugo, u pravilu, u smjeru djelovanja vanjske sile. Vrijeme staloženog stanja molekule je malo i opada s porastom temperature, a vrijeme prijelaza molekule u novo staloženo stanje je još kraće. Stoga su tekućine tekuće, ne zadržavaju svoj oblik i poprimaju oblik posude u koju se ulijevaju.

Kinetička teorija tekućina Kinetička teorija tekućina koju je razvio Ya. I. Frenkel smatra tekućinu kao dinamički sustav čestice, koje djelomično podsjećaju na kristalno stanje. Na temperaturama blizu točke taljenja, toplinsko gibanje u tekućini svodi se uglavnom na harmonijske oscilacije čestica oko određenih prosječnih ravnotežnih položaja. Za razliku od kristalnog stanja, ovi ravnotežni položaji molekula u tekućini su privremeni za svaku molekulu. Nakon što je neko vrijeme t oscilirala oko jednog ravnotežnog položaja, molekula skače na novi položaj koji se nalazi u susjedstvu. Do takvog skoka dolazi s utroškom energije U, pa vrijeme “umirenog života” t ovisi o temperaturi na sljedeći način: t = t0 eU/RT, gdje je t0 period jedne oscilacije oko ravnotežnog položaja. Za vodu sobne temperature t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, tj. jedna molekula nakon oko 100 vibracija skače u novi položaj, gdje nastavlja oscilirati. Iz podataka o raspršenju X-zraka i neutrona može se izračunati funkcija gustoće raspodjele čestica  ovisno o udaljenosti r od jedne čestice odabrane za središte. U prisutnosti dalekosežnog reda u kristalnoj krutini, funkcija (r) ima niz različitih maksimuma i minimuma. Zbog velike pokretljivosti čestica u tekućini je očuvan samo poredak kratkog dometa. To jasno slijedi iz rendgenskih uzoraka tekućina: funkcija (r) za tekućinu ima jasan prvi maksimum, difuzni drugi, a zatim (r) = const. Kinetička teorija opisuje taljenje na sljedeći način. U kristalnoj rešetki čvrste tvari uvijek postoji mali broj slobodnih mjesta (rupa) koje polako lutaju oko kristala. Što je temperatura bliža temperaturi taljenja, to je veća koncentracija "rupa" i brže se kreću kroz uzorak. Na točki taljenja, stvaranje "rupa" poprima kooperativni karakter poput lavine, sustav čestica postaje dinamičan, dalekosežni poredak nestaje i pojavljuje se fluidnost. Odlučujuću ulogu u topljenju ima stvaranje slobodnog volumena u tekućini, što čini sustav fluidnim. Najvažnija razlika između tekućine i čvrstog kristalnog tijela je u tome što u tekućini postoji slobodan volumen, čiji značajan dio ima oblik fluktuacija (“rupa”), čije lutanje kroz tekućinu daje takav karakteristična kvaliteta kao fluidnost. Broj takvih "rupa", njihov volumen i pokretljivost ovise o temperaturi. Pri niskoj temperaturi tekućina, ako se nije pretvorila u kristalno tijelo, postaje amorfna krutina s vrlo niskom fluidnošću zbog smanjenja volumena i pokretljivosti "rupa". Kao i kinetička teorija Posljednjih desetljeća uspješno se razvija statistička teorija tekućina.

Struktura leda i vode. Najvažnija i najčešća tekućina u normalnim uvjetima je voda. Ovo je najčešća molekula na Zemlji! Izvrsno je otapalo. Na primjer, sve biološke tekućine sadrže vodu. Voda otapa mnoge anorganske (soli, kiseline, baze) i organske tvari (alkohole, šećere, karboksilne kiseline, amini). Kakva je struktura ove tekućine? Opet ćemo se morati vratiti na pitanje koje smo razmatrali u prvom predavanju, naime na tako specifičnu međumolekularnu interakciju kao što je vodikova veza. Voda, kako u tekućem tako iu kristalnom obliku, pokazuje anomalna svojstva upravo zbog prisutnosti mnogih vodikovih veza. Koja su to anomalna svojstva: visoka točka vrelišta, visoka točka taljenja i visoka entalpija isparavanja. Pogledajmo najprije graf, zatim tablicu, a zatim dijagram vodikove veze između dviju molekula vode. Zapravo, svaka molekula vode oko sebe koordinira 4 druge molekule vode: dvije zbog kisika, kao donator dva usamljena elektronska para u dva protonizirana vodika, a dvije zbog protoniziranog vodika koji koordinira s kisikom drugih molekula vode. Na prethodnom predavanju pokazao sam vam dijapozitiv s grafovima tališta, vrelišta i entalpije isparavanja hidrida VI skupine ovisno o razdoblju. Ove ovisnosti imaju jasnu anomaliju za kisikov hidrid. Svi ovi parametri za vodu osjetno su viši od onih predviđenih iz gotovo linearne ovisnosti za sljedeće hidride sumpora, selena i telurija. Objasnili smo to postojanjem vodikove veze između protoniziranog vodika i akceptora elektronske gustoće, kisika. Vodikova veza najuspješnije je proučavana pomoću vibracijske infracrvene spektroskopije. Slobodna OH skupina ima karakterističnu vibracijsku energiju koja uzrokuje da se OH veza naizmjenično produžuje i skraćuje, dajući karakterističnu traku u infracrvenom apsorpcijskom spektru molekule. Međutim, ako OH skupina sudjeluje u vodikovoj vezi, atom vodika je vezan atomima s obje strane i time se njegova vibracija "priguši" i frekvencija se smanjuje. Sljedeća tablica pokazuje da povećanje snage i "koncentracije" vodikove veze dovodi do smanjenja frekvencije apsorpcije. Na slici, krivulja 1 odgovara maksimumu infracrvenog spektra apsorpcije O-H skupina u ledu (gdje su sve H-veze vezane); krivulja 2 odgovara maksimumu infracrvenog apsorpcijskog spektra skupina O-N pojedinac Molekule H2O otopljene u CCl4 (gdje nema H-veza - otopina H2O u CCl4 je previše razrijeđena); a krivulja 3 odgovara spektru apsorpcije tekuće vode. Kad bi tekuća voda imala dva ocjene O-N skupine – tvoreći vodikove veze, a ne stvaraju ih – i neke O-N grupe u vodi bi vibrirali na isti način (s istom frekvencijom) kao u ledu (gdje stvaraju H-veze), a drugi - kao u CCl4 okruženju (gdje ne stvaraju H-veze). Tada bi spektar vode imao dva maksimuma koja odgovaraju dvama O-H stanja skupine, njihove dvije karakteristične frekvencije titranja: s kojom frekvencijom grupa vibrira, s tim upija svjetlost. Ali "dva-maksimalna" slika se ne promatra! Umjesto toga, na krivulji 3 vidimo jedan vrlo zamagljen maksimum, koji se proteže od maksimuma krivulje 1 do maksimuma krivulje 2. To znači da sve O-H grupe u tekućoj vodi formiraju vodikove veze - ali sve te veze imaju različitu energiju, “ labav” (imaju drugačiju energiju), i to na različite načine. To pokazuje da je slika u kojoj su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke zadržane, strogo govoreći, netočna. Međutim, toliko je jednostavan i zgodan za opisivanje termodinamičkih svojstava vode da se naširoko koristi – i na njega ćemo se također pozivati. Ali imajte na umu da to nije sasvim točno.
Dakle, IR spektroskopija je moćna metoda za proučavanje vodikove veze, a ovom spektralnom metodom dobiveni su mnogi podaci o strukturi tekućina i čvrstih tvari koje su zbog nje povezane. Kao rezultat toga, za tekuću vodu model sličan ledu (model O. Ya. Samoilova) jedan je od najopćenitijih. Prema ovom modelu tekuća voda je poremećena toplinskim gibanjem (dokaz i posljedica toplinskog gibanja - Brownovo gibanje, koju je prvi uočio engleski botaničar Robert Brown 1827. na peludi pod mikroskopom) tetraedarski okvir nalik ledu (svaka molekula vode u kristalu leda povezana je vodikovim vezama sa smanjenom energijom u usporedbi s onom u ledu - "labavo" vodikove veze) s četiri molekule vode koje ga okružuju), praznine ovog okvira su djelomično ispunjene molekulama vode, a molekule vode smještene u prazninama i u čvorovima ledenih karakasa energetski su nejednake.

Za razliku od vode, u kristalu leda na čvorovima kristalne rešetke nalaze se molekule vode jednake energije i one mogu obavljati samo oscilatorna kretanja. U takvom kristalu postoji poredak kratkog i dugog dometa. U tekućoj vodi (kao i kod polarne tekućine) neki elementi kristalne strukture su očuvani (štoviše, čak iu plinovitoj fazi molekule tekućine su poredane u male nestabilne klastere), ali nema dalekometnog reda. Dakle, struktura tekućine razlikuje se od strukture plina u prisutnosti kratkog reda, ali se razlikuje od strukture kristala u odsutnosti dugog reda. Najuvjerljiviji dokaz za to je proučavanje raspršenja X-zraka. Tri susjeda svake molekule u tekućoj vodi nalaze se u jednom sloju i na većoj su udaljenosti od njega (0,294 nm) nego četvrta molekula od susjednog sloja (0,276 nm). Svaka molekula vode u sastavu ledenog okvira tvori jednu zrcalno simetričnu (jaku) i tri centralno simetrične (manje jake) veze. Prvi se odnosi na veze između molekula vode određenog sloja i susjednih slojeva, ostatak - na veze između molekula vode jednog sloja. Stoga je četvrtina svih veza zrcalno simetrična, a tri četvrtine centralno simetrične. Koncept tetraedarskog okruženja molekula vode doveo je do zaključka da je njegova struktura izrazito ažurna i da u njoj postoje praznine čije su dimenzije jednake ili veće od dimenzija molekula vode.

Elementi strukture tekuće vode. a - elementarni vodeni tetraedar (svjetlosni krugovi - atomi kisika, crne polovice - mogući položaji protona na vodikovoj vezi); b - zrcalno-simetričan raspored tetraedara; c - centralno simetrični raspored; d - položaj centara kisika u strukturi običnog leda. Vodu karakteriziraju značajne sile međumolekularne interakcije zbog vodikovih veza koje tvore prostornu mrežu. Kao što smo rekli u prethodnom predavanju, vodikova veza nastaje zbog sposobnosti atoma vodika spojenog na elektronegativni element da stvori dodatnu vezu s elektronegativnim atomom druge molekule. Vodikova veza je relativno jaka i iznosi nekoliko 20-30 kilojoula po molu. Što se tiče snage, zauzima srednje mjesto između van der Waalsove energije i energije tipične ionske veze. Energija u molekuli vode kemijska veza H-O je 456 kJ/mol, a energija vodikove veze H…O je 21 kJ/mol.

Spojevi vodika
Molekulska težina Temperatura,  S
smrzavanje vrenja
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Struktura leda. normalan led. Isprekidana linija - H-veze. U ažurnoj strukturi leda vidljive su male šupljine okružene molekulama H2O.
Dakle, struktura leda je ažurna konstrukcija od molekula vode, međusobno povezanih samo vodikovim vezama. Položaj molekula vode u strukturi leda određuje prisutnost širokih kanala u strukturi. Tijekom topljenja leda molekule vode “padaju” u te kanale, što objašnjava povećanje gustoće vode u odnosu na gustoću leda. Kristali leda javljaju se u obliku pravilnih šesterokutnih ploča, tabličnih segregacija i izraslina složenog oblika. Struktura normalan led diktiraju H-veze: dobro je za geometriju ovih veza (O-H gleda izravno u O), ali nije baš dobro za čvrst van der Waalsov kontakt molekula H2O. Stoga je struktura leda ažurna, u njoj molekule H2O obavijaju mikroskopske (veličine manje od jedne molekule H2O) pore. Ažurna struktura leda dovodi do dva dobro poznata učinka: (1) led je manje gustoće od vode, u njemu pluta; i (2) pod jakim pritiskom - na primjer, oštrice klizaljke tope led. Većina vodikovih veza koje postoje u ledu sačuvana je u tekućoj vodi. To proizlazi iz male topline topljenja leda (80 cal/g) u usporedbi s toplinom kipuće vode (600 cal/g na 0°C). Moglo bi se reći da je samo 80/(600+80) = 12% H-veza koje postoje u ledu u tekućoj vodi. Međutim, ova slika - da su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke očuvane - nije sasvim točna: radije, sve vodikove veze u vodi postaju labave. To dobro ilustriraju sljedeći eksperimentalni podaci.

Struktura rješenja. Iz konkretnim primjerima za vodu, prijeđimo na druge tekućine. Različite tekućine razlikuju se jedna od druge po veličini molekula i prirodi međumolekularnih interakcija. Dakle, u svakoj specifičnoj tekućini postoji određena pseudokristalna struktura, karakterizirana kratkotrajnim redoslijedom i, u određenoj mjeri, nalik strukturi dobivenoj kada se tekućina smrzava i pretvara u krutinu. Pri otapanju druge tvari, t.j. kada nastane otopina, priroda međumolekularnih interakcija se mijenja i pojavljuje se nova struktura s drugačijim rasporedom čestica nego u čistom otapalu. Ova struktura ovisi o sastavu otopine i specifična je za svaku pojedinu otopinu. Nastanak tekućih otopina obično prati proces solvatacije, t.j. poravnanje molekula otapala oko molekula otopljene tvari uslijed djelovanja međumolekularnih sila. Razlikovati blisku i daleku solvataciju, t.j. oko molekula (čestica) otopljene tvari nastaju primarne i sekundarne solvatne ljuske. U primarnoj solvacijskoj ljusci, molekule otapala su u neposrednoj blizini, koje se kreću zajedno s molekulama otopljene tvari. Broj molekula otapala u primarnoj solvacijskoj ljusci naziva se solvatacijski koordinacijski broj, koji ovisi i o prirodi otapala i o prirodi otopljene tvari. Sastav sekundarne solvatacijske ljuske uključuje molekule otapala koje se nalaze na mnogo većim udaljenostima i utječu na procese koji se odvijaju u otopini zbog interakcije s primarnom solvatacijskom ljuskom.
Kada se razmatra stabilnost solvata, razlikuje se kinetička i termodinamička stabilnost.
U vodenim otopinama, kvantitativne karakteristike kinetičke hidratacije (O.Ya. Samoilov) su vrijednosti i /  i Ei = Ei-E, gdje su i i  prosječno vrijeme zadržavanja molekula vode u ravnoteži položaj u blizini i-tog iona i u čista voda, a Ei i E su energija aktivacije izmjene i energija aktivacije procesa samodifuzije u vodi. Ove količine su međusobno povezane približnim odnosom:
i/  exp(Ei/RT)
ako je EI  0, i/  1 (razmjena molekula vode najbližih ionu događa se rjeđe (sporije) od izmjene između molekula u čistoj vodi) - pozitivna hidratacija
ako je EI  0, i/  1 (razmjena molekula vode najbližih ionu događa se češće (brže) od izmjene između molekula u čistoj vodi) - negativna hidratacija

Dakle, za litijev ion EI = 1,7 kJ/mol, a za cezijev ion Ei= - 1,4 kJ/mol, t.j. mali "tvrdi" litijev ion jače drži molekule vode od velikog i "difuznog" cezijevog iona s istim nabojem. Termodinamička stabilnost nastalih solvata određena je promjenom Gibbsove energije tijekom solvatacije (solvG) = (solvH) - T(solvS). Što je ova vrijednost negativnija, to je solvat stabilniji. Uglavnom, određeno je negativne vrijednosti solvatacijske entalpije.
Pojam rješenja i teorije rješenja. Prava rješenja dobivaju se spontano kada dvije ili više tvari dođu u dodir, zbog razaranja veza između čestica jedne vrste i stvaranja veza druge vrste i raspodjele tvari po volumenu zbog difuzije. Prema svojim svojstvima otopine se dijele na idealne i prave, otopine elektrolita i neelektrolita, razrijeđene i koncentrirane, nezasićene, zasićene i prezasićene. Svojstva rastora ovise o prirodi i veličini MMW. Te interakcije mogu biti fizičke prirode (van der Waalsove sile) i složene fizikalno-kemijske prirode (vodikova veza, ionsko-molekularna veza, kompleksi za prijenos naboja itd.). Proces stvaranja otopine karakterizira istodobna manifestacija privlačnih i odbojnih sila između čestica koje djeluju. U nedostatku odbojnih sila, čestice bi se spajale (lijepile) i tekućine bi se mogle neograničeno sabijati; u nedostatku privlačnih sila, bilo bi nemoguće dobiti tekućine ili krute tvari. U prethodnom predavanju razmatrali smo fizikalnu i kemijsku teoriju otopina.
Međutim, stvaranje jedinstvene teorije rješenja nailazi na značajne poteškoće i ona trenutno još nije stvorena, iako istraživanja provode većina moderne metode kvantna mehanika, statistička termodinamika i fizika, kristalkemija, analiza difrakcije rendgenskih zraka, optičke metode, NMR metode. reaktivno polje. U nastavku razmatranja sila međumolekularne interakcije, razmotrit ćemo pojam "reaktivnog polja", koji je važan za razumijevanje strukture i strukture kondenzirane tvari i stvarnih plinova, posebice, tekućem stanju, a time i sve fizička kemija tekuće otopine.
Reaktivno polje javlja se u smjesama polarnih i nepolarnih molekula, na primjer, za smjese ugljikovodika i naftenskih kiselina. Polarne molekule djeluju poljem određene simetrije (simetrija polja određena je simetrijom praznih molekularnih orbitala) i intenzitetom H na nepolarne molekule. Potonji su polarizirani zbog razdvajanja naboja, što dovodi do pojave (indukcije) dipola. Molekula s induciranim dipolom, pak, djeluje na polarnu molekulu, mijenjajući njeno elektromagnetsko polje, t.j. pobuđuje reaktivno (odzivno) polje. Pojava reaktivnog polja dovodi do povećanja energije interakcije čestica, što se izražava u stvaranju jakih solvatacijskih ljuski za polarne molekule u mješavini polarnih i nepolarnih molekula.
Energija reaktivnog polja izračunava se prema sljedećoj formuli: gdje je:
znak "-" - određuje privlačnost molekula
S - statička električna propusnost
 neograničeno je permitivnost zbog elektronske i atomske polarizabilnosti molekula
NA - Avogadrov broj
VM je volumen koji zauzima 1 mol polarne tvari u izotropnoj tekućini v = dipolni moment
ER je energija 1 mola polarne tvari u otopini
Koncept "reaktivnog polja" omogućit će nam bolje razumijevanje strukture čistih tekućina i otopina. Kvantno-kemijski pristup proučavanju reaktivnog polja razvijen je u radovima M.V. L. Ya. Karpova Dakle, problem tekućeg stanja čeka svoje mlade istraživače. Ti i karte u tvojim rukama.

Struktura plinova, tekućina i čvrstih tijela.

Osnovne odredbe molekularne kinetičke teorije:

Sve tvari se sastoje od molekula, a molekule se sastoje od atoma.

atomi i molekule su u stalnom kretanju,

Između molekula postoje privlačne i odbojne sile.

NA plinovi molekule se kreću nasumično, udaljenosti između molekula su velike, molekularne sile su male, plin zauzima cijeli volumen koji mu se pruža.

NA tekućine molekule su uređene samo na malim udaljenostima, a na velikim udaljenostima red (simetrija) rasporeda je narušen – “short range order”. Sile molekularne privlačnosti drže molekule blizu jedna drugoj. Kretanje molekula je "skakanje" s jednog stabilnog položaja na drugi (obično unutar jednog sloja. Ovo kretanje objašnjava fluidnost tekućine. Tekućina nema oblik, ali ima volumen.

Čvrste tvari - tvari koje zadržavaju svoj oblik, dijele se na kristalne i amorfne. kristalna krutina tijela imaju kristalnu rešetku, u čijim čvorovima mogu biti ioni, molekule ili atomi.Oni osciliraju u odnosu na stabilne ravnotežne položaje.Kristalne rešetke imaju pravilnu strukturu po cijelom volumenu – „daljinski red” položaja.

Amorfna tijela zadržavaju svoj oblik, ali nemaju kristalnu rešetku i, kao rezultat, nemaju izraženu točku taljenja. Zovu se smrznute tekućine, budući da, kao i tekućine, imaju "blizu" red molekularnog rasporeda.

Interakcione sile molekula

Sve molekule tvari međusobno djeluju silama privlačenja i odbijanja. Dokaz međudjelovanja molekula: fenomen vlaženja, otpornost na kompresiju i rastezanje, niska stišljivost krutih tvari i plinova itd. Razlog međudjelovanja molekula je elektromagnetsko međudjelovanje nabijenih čestica u tvari. Kako to objasniti? Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijene elektronske ljuske. Naboj jezgre jednak je ukupnom naboju svih elektrona, stoga je atom kao cjelina električno neutralan. Molekula koja se sastoji od jednog ili više atoma također je električno neutralna. Razmotrite interakciju između molekula na primjeru dviju nepokretnih molekula. Gravitacijske i elektromagnetske sile mogu postojati između tijela u prirodi. Budući da su mase molekula iznimno male, zanemarive sile gravitacijske interakcije između molekula mogu se zanemariti. Na vrlo velikim udaljenostima nema ni elektromagnetske interakcije između molekula. No, sa smanjenjem udaljenosti između molekula, molekule se počinju orijentirati tako da će njihove strane okrenute jedna prema drugoj imati naboje različitih znakova (općenito, molekule ostaju neutralne), a između molekula nastaju privlačne sile. Uz još veće smanjenje udaljenosti između molekula, odbojne sile nastaju kao rezultat interakcije negativno nabijenih elektronskih ljuski atoma molekula. Kao rezultat toga, na molekulu utječe zbroj sila privlačenja i odbijanja. Na velikim udaljenostima prevladava privlačna sila (na udaljenosti od 2-3 promjera molekula privlačenje je maksimalno), na malim udaljenostima sila odbijanja. Između molekula postoji takva udaljenost na kojoj sile privlačenja postaju jednake silama odbijanja. Ovaj položaj molekula naziva se položajem stabilne ravnoteže. Molekule koje se nalaze na udaljenosti jedna od druge i povezane elektromagnetskim silama imaju potencijalnu energiju. U položaju stabilne ravnoteže potencijalna energija molekula je minimalna. U tvari svaka molekula djeluje istovremeno s mnogim susjednim molekulama, što također utječe na vrijednost minimalne potencijalne energije molekula. Osim toga, sve molekule neke tvari su u neprekidnom kretanju, t.j. imaju kinetičku energiju. Dakle, struktura tvari i njezina svojstva (čvrsta, tekuća i plinovita tijela) određena su omjerom između minimalne potencijalne energije interakcije molekula i kinetičke energije toplinskog gibanja molekula.

Građa i svojstva čvrstih, tekućih i plinovitih tijela

Građa tijela objašnjava se međudjelovanjem tjelesnih čestica i prirodom njihova toplinskog gibanja.

Čvrsto

Čvrste tvari imaju stalan oblik i volumen i praktički su nestlačive. Minimalna potencijalna energija interakcije molekula veća je od kinetičke energije molekula. Jaka interakcija čestica. Toplinsko gibanje molekula u krutom tijelu izražava se samo oscilacijama čestica (atoma, molekula) oko položaja stabilne ravnoteže.

Zbog velikih sila privlačenja, molekule praktički ne mogu promijeniti svoj položaj u tvari, što objašnjava nepromjenjivost volumena i oblika čvrstih tijela. Većina čvrstih tijela ima prostorno uređen raspored čestica koje tvore pravilnu kristalnu rešetku. Čestice tvari (atomi, molekule, ioni) nalaze se na vrhovima – čvorovima kristalne rešetke. Čvorovi kristalne rešetke podudaraju se s položajem stabilne ravnoteže čestica. Takve čvrste tvari nazivamo kristalnim.

Tekućina

Tekućine imaju određeni volumen, ali nemaju svoj oblik, poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Minimalna potencijalna energija interakcije molekula usporediva je s kinetičkom energijom molekula. Slaba interakcija čestica. Toplinsko gibanje molekula u tekućini izražava se oscilacijama oko položaja stabilne ravnoteže unutar volumena koji molekuli osiguravaju njezini susjedi. Molekule se ne mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tvari, ali su mogući prijelazi molekula na susjedna mjesta. To objašnjava fluidnost tekućine, sposobnost promjene oblika.

U tekućinama su molekule prilično snažno povezane jedna s drugom privlačnim silama, što objašnjava nepromjenjivost volumena tekućine. U tekućini je udaljenost između molekula približno jednaka promjeru molekule. Sa smanjenjem udaljenosti između molekula (komprimiranje tekućine), sile odbijanja naglo rastu, pa su tekućine nestlačive. Po svojoj strukturi i prirodi toplinskog gibanja, tekućine zauzimaju međupoložaj između krutih tvari i plinova. Iako je razlika između tekućine i plina mnogo veća nego između tekućine i krute tvari. Na primjer, tijekom taljenja ili kristalizacije volumen tijela mijenja se mnogo puta manje nego tijekom isparavanja ili kondenzacije.

Plinovi nemaju stalan volumen i zauzimaju cijeli volumen posude u kojoj se nalaze. Minimalna potencijalna energija interakcije molekula manja je od kinetičke energije molekula. Čestice materije praktički ne djeluju. Plinovi su karakterizirani potpunim poremećajem u rasporedu i kretanju molekula.

Udaljenost između molekula plina je višestruko veća od veličine molekula. Male sile privlačenja ne mogu držati molekule blizu jedne druge, pa se plinovi mogu neograničeno širiti. Plinovi se lako komprimiraju pod djelovanjem vanjskog pritiska, jer. udaljenosti između molekula su velike, a sile interakcije zanemarive. Pritisak plina na stijenke posude nastaje udarima molekula plina koji se kreću.