A folyadékok molekulaszerkezetének jellemzői

A folyadék tulajdonságaiban és szerkezetében köztes helyet foglal el a gázok és a szilárd kristályos anyagok között. Ezért rendelkezik mind a gáznemű, mind a szilárd anyagok. A molekuláris kinetikai elméletben egy anyag különböző aggregált állapotai különböző fokú molekuláris rendhez kapcsolódnak. Szilárd anyagoknál az ún hosszú távú rendelés a részecskék elrendezésében, azaz. rendezett elrendezésük, nagy távolságokon ismétlődő. Folyadékokban az ún rövid távú rendelés a részecskék elrendezésében, azaz. rendezett, távolságokban ismétlődő elrendezésük összehasonlítható az interatomikusakkal. A kristályosodási hőmérséklethez közeli hőmérsékleten a folyadék szerkezete közel áll a szilárd anyaghoz. Magas hőmérsékleten, közel a forrásponthoz, a folyadék szerkezete megfelel a gáz halmazállapotúnak - szinte minden molekula részt vesz a kaotikus hőmozgásban.

A folyadékoknak, akárcsak a szilárd anyagoknak, van egy bizonyos térfogata, és a gázokhoz hasonlóan az edény alakját veszik fel, amelyben elhelyezkednek. A gázmolekulákat gyakorlatilag nem kapcsolják össze az intermolekuláris kölcsönhatás erői, és ebben az esetben az átlagos energia hőmozgás a gázmolekulák a köztük lévő vonzási erők miatt jóval nagyobbak az átlagos potenciális energiánál, így a gázmolekulák különböző irányokba szóródnak, és a gáz elfoglalja a számára biztosított térfogatot. Szilárd és folyékony testekben a molekulák közötti vonzási erők már jelentősek, és bizonyos távolságra tartják egymástól a molekulákat. Ebben az esetben a molekulák hőmozgásának átlagos energiája az intermolekuláris kölcsönhatás erői miatt kisebb, mint az átlagos potenciális energia, és nem elegendő a molekulák közötti vonzási erők leküzdésére, így a szilárd anyagok és a folyadékok bizonyos térfogattal rendelkeznek. .

A folyadékok nyomása nagyon meredeken növekszik a hőmérséklet emelkedésével és a térfogat csökkenésével. A folyadékok térfogati tágulása sokkal kisebb, mint a gőzöké és a gázoké, mivel a folyadékban a molekulákat megkötő erők jelentősebbek; ugyanez a megjegyzés vonatkozik a hőtágulásra is.

A folyadékok hőkapacitása általában a hőmérséklettel nő (bár kissé). A C p /C V arány gyakorlatilag eggyel egyenlő.

A folyadék elmélete a mai napig nem alakult ki teljesen. Számos probléma kidolgozása a folyadék összetett tulajdonságainak tanulmányozása során Ya.I. Frenkel (1894–1952). A folyadékban a hőmozgást azzal magyarázta, hogy minden molekula egy bizonyos egyensúlyi helyzet körül egy ideig oszcillál, majd egy új pozícióba ugrik, amely az atomközi távolság nagyságrendjére esik a kezdeti helyzettől. Így a folyadék molekulái meglehetősen lassan mozognak a folyadék tömegében. A folyadék hőmérsékletének növekedésével az oszcillációs mozgás gyakorisága meredeken növekszik, és a molekulák mobilitása nő.

A Frenkel-modell alapján néhányat meg lehet magyarázni megkülönböztető tulajdonságok a folyadék tulajdonságai. Így a folyadékok, még a kritikus hőmérséklet közelében is, sokkal nagyobb viszkozitás mint a gázok, és a viszkozitás csökken a hőmérséklet emelkedésével (nem pedig nő, mint a gázoknál). Ez az impulzusátviteli folyamat eltérő természetével magyarázható: az egyik egyensúlyi állapotból a másikba ugráló molekulák adják át, és ezek az ugrások a hőmérséklet emelkedésével sokkal gyakoribbá válnak. Diffúzió folyadékokban csak molekuláris ugrások miatt fordul elő, és sokkal lassabban, mint gázokban. Hővezető A folyadékok egyensúlyi helyzetük körül különböző amplitúdójú részecskék közötti kinetikus energiacserének köszönhető; a molekulák éles ugrásai nem játszanak észrevehető szerepet. A hővezetési mechanizmus hasonló a gázok hővezetési mechanizmusához. jellemző tulajdonság folyadék az a képessége, hogy rendelkezzen szabad felület(nem korlátozzák tömör falak).

Számos elmélet született a folyadékok molekuláris szerkezetére vonatkozóan.

1. Zóna modell. BAN BEN Ebben a pillanatban Idővel a folyadék olyan régiókból áll, ahol a molekulák a megfelelő sorrendben helyezkednek el, egyfajta mikrokristályt (zónát) alkotva. Ezeket a területeket mintegy elválasztja egy gáz halmazállapotú anyag. Idővel ezek a területek más helyeken alakulnak ki, és így tovább.

2. A kvázikristályos szerkezet elmélete. Tekintsünk egy kristályt abszolút nulla hőmérsékleten (lásd 9.9. ábra).

Ebben kiválasztunk egy tetszőleges irányt, és ábrázoljuk annak a P valószínűségének a függőségét, hogy egy gázmolekulát találunk bizonyos távolságban az origóban elhelyezett másik molekulától (9.9. ábra). de), míg a molekulák a kristályrács csomópontjaiban helyezkednek el. Magasabb hőmérsékleten (9.9. ábra, b) a molekulák rögzített egyensúlyi helyzetek körül oszcillálnak, amelyek közelében idejük nagy részét töltik. A valószínűségi maximumok ismétlődésének szigorú periodikussága egy ideális kristályban tetszőlegesen távol esik a kiválasztott részecskétől; ezért szokás azt mondani, hogy a szilárd testben "hosszú távú rend" létezik.

Folyadék esetén (9.9. ábra, ban ben). A grafikonon a távolságokat a molekula sugarának töredékében mérjük (r/r 0).

MOLEKULÁK ELOSZTÁSA EGY POTENCIÁLIS TERÜLETBEN

GRAVITÁCIÓS ERŐK (BOLTZMANN-ELOSZLÁS)

A gázok MKT-jának és a Maxwell-eloszlásnak az alapegyenletének levezetésénél azt feltételeztük, hogy a gázmolekulákra nem hatnak külső erők, ami azt jelenti, hogy a molekulák egyenletesen oszlanak el a térfogatban. Bármely gáz molekulái azonban mindig a Föld gravitációs potenciálterében vannak. Egyrészt a gravitáció, másrészt a molekulák hőmozgása bizonyos stacionárius állapothoz vezet, amelyben a gáznyomás a magasság növekedésével csökken.

Adjuk meg a nyomásváltozás törvényét a magassággal, feltételezve, hogy a teljes magasságon: a gravitációs tér egyenletes (g = const); a hőmérséklet azonos (T = const); minden molekula tömege azonos.

Legyen a p nyomás h magasságban. Ekkor h + dh magasságban a nyomás p + dp. Sőt, ha dh >0, akkor dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Most vagy .

Integráljuk a jobb és a bal oldalt:

; .

Ahol, . (26)

Ez az úgynevezett barometrikus képlet. Lehetővé teszi a légkör nyomásának meghatározását a tengerszint feletti magasság függvényében:

. (27)

Mivel A nyomás egyenesen arányos a molekulák koncentrációjával, akkor megkaphatja a molekulák koncentrációjának változásának törvényét a magassággal, feltéve, hogy a hőmérséklet nem változik a magassággal (T = const):

. (28)

Figyelembe véve, hogy M = m∙N A, és R = k∙N A a (27)-ből kapjuk:

Mivel mgh = U(h) egy molekula potenciális energiája h magasságban, akkor

(30)

a Boltzmann-eloszlás.

AZ ÜTKÖZÉSEK SZÁMA ÉS AZ IDEÁLIS GÁZMOLEKULÁK ÁTLAGOS SZABAD ÚTJA.

A kaotikus mozgás következtében a gázmolekulák folyamatosan ütköznek egymással. Két egymást követő ütközés között a molekula egy bizonyos λ utat tesz meg, amelyet átlagos szabad útnak nevezünk. . Általános esetben ennek az útnak a hossza eltérő, de mivel az ütközések száma igen nagy, a mozgás pedig véletlenszerű, akkor állandó külső körülmények között beszélhetünk közepes hosszúság szabadon futás - . Ha egy adott gáz molekulái átlagosan 1 másodperces ütközést tapasztalnak, akkor

ahol a molekulák számtani középsebessége.

Az ideális gázmolekulákat gömböknek tekintjük. Nyilvánvaló, hogy ütközés következik be, ha két molekula két sugárral egyenlő távolságra, azaz a molekulák átmérőjére d közelít. Minimális távolság, amellyel két molekula középpontja közeledik az ütközés során, a molekulák effektív átmérőjének nevezzük. Ez a paraméter attól függ, és így a gáz hőmérsékletétől.

A definícióhoz képzeljünk el egy d effektív átmérőjű molekulát, amely sebességgel mozog más molekulák között, amelyek ugyanakkor mozdulatlanok maradnak. Ez a molekula minden olyan molekulával ütközik, amelynek központja egy d sugarú "törött" hengerben található. Ez azt jelenti, hogy megegyezik a henger térfogatában lévő molekulák számával

ahol n a molekulák koncentrációja, és V a henger térfogata: . Ezt szem előtt tartva -

. (32)

Más molekulák mozgásának figyelembevétele egy faktorral növeli az ütközések számát. Végül z-re ezt kapjuk:

. (33)

Azután (34)

Mivel p ~ n, akkor különböző külső körülmények nekünk van:

Levegőhöz n.o. (p \u003d 760 Hgmm; t 0 \u003d 0 0 С): z \u003d 10 9 s -1, a = 5 ∙ 10 -8 m.

TRANSZFER JELENSÉGEK

Termodinamikailag nem egyensúlyi rendszerekben, pl. Azokban a rendszerekben, amelyeknél a makroparaméterek (T, p, ) értékei a különböző pontjain eltérőek, visszafordíthatatlan folyamatok mennek végbe, melyek ún. közlekedési jelenségek . Az ilyen folyamatok eredményeként az energia átkerül a rendszer egyik helyi területéről a másikra (a hővezetés jelensége), a tömeg (a diffúzió jelensége), az impulzus (belső súrlódás), a töltés stb. Ez a makroparaméterek értékeinek a rendszer térfogatához igazodásához vezet. Nyilvánvaló, hogy bármely érték átvitelét bizonyos számú részecske (molekula és atom) kaotikus mozgása következtében a helyről a másikra való átmenet magyarázza.

Az általános szállítási egyenletet tetszőleges irányban kapjuk meg. Irányítsuk végig az O tengelyt x(3. ábra). Mentálisan válasszunk ki egy ∆S területű, O-ra merőleges sík elemet x. A ∆t és ∆S közötti idő alatti mozgás véletlenszerűsége miatt O irányába x mozgatni N részecskét:

(1)

Itt n a molekulák (atomok) koncentrációja, és a számtani átlagsebességük. A ∆S-en áthaladva minden molekula átadja saját tömegét, töltését, lendületét, energiáját vagy más jellemzőit. Jelöljük φ betűvel az egy molekula által hordozott mennyiség értékét. Majd ∆t idő alatt a ∆S területen az O tengely irányába x mennyiség átadásra kerül fizikai mennyiség

(2).

Nyilvánvaló, hogy ha a jobb oldali koncentráció is n, akkor ugyanannyi részecske fog jobbról balra mozogni. Azok. az ebből eredő hordozó ebben az esetben nulla: ∆N = 0 és ∆Nφ = 0.

Ha a közeg inhomogén, pl. vagy a részecskék koncentrációja, vagy a bal és jobb oldali részecskék φ értéke nem azonos, akkor valószínűbb lesz az átmenet azokból a régiókból, ahol az (nφ) értéke nagyobb, a kisebb tartományba. Ha feltételezzük, hogy (nφ) 1 > (nφ) 2, akkor φ értékének eredő átadását a következő összefüggés határozza meg: . (3)

A (3) mínuszjel azt tükrözi, hogy az (nφ) érték az átviteli irányban csökken.

Nézzük meg, hogy a bal és jobb oldali ∆S-től milyen távolságra kell felvenni az értékeket (nφ). Mivel változás fizikai jellemzők molekulák csak ütközések során fordulnak elő, és az ütközés előtt mindegyik molekula megtett egy olyan távolságot, amely megegyezik a szabad úttal, akkor feltételezhetjük, hogy (nφ) molekulák változatlanok maradnak a ∆-től balra és jobbra lévő szabad úttal egyenlő távolságban. S. Ossza meg és szorozza meg a (3) jobb oldalát 2-vel:

A mennyiségek bármely irányú eloszlását a gradiensnek nevezett jellemző határozza meg. A gradiens egy egységnyi hosszon belüli nagyságrendbeli változás.

Ebben az esetben a koordinátával rendelkező ponton x 2 az átvihető érték értéke (nφ) 2, és a pontban x 1 – (nφ) 1, majd az O tengely mentén átvitt nφ érték gradiense alatt x, meg kell érteni a kapcsolatot:

.

Azután nφ gradiense a ∆S régióban.

. (5)

(5) az általános átviteli egyenlet.

A diffúzió az anyagtömeg átadása . Feltéve, hogy a molekulák tömege azonos (m 0 = const), a gáz hőmérséklete azonos térfogatú (T = const) és a sebességek egyenletes eloszlása ​​a térfogaton ( = const), helyettesítve a molekula tömegét. az (5)-ben lévő molekula φ helyett a következőket kapjuk:

Vagy . (6)

Ez Fick törvénye. D = a diffúziós együttható. [D] \u003d m 2 / s.

A hővezető képesség az energia átadása . Feltéve, hogy a molekulák koncentrációja a gáz teljes térfogatában (n \u003d const), a molekulák tömege azonos (m 0 \u003d const), a sebességek térfogat szerinti eloszlása ​​egyenletes ( \u003d const), és egy molekula transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiáját megkapjuk a Fourier-törvényt:

, vagy . (7)

- hővezetési együttható. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

A viszkozitás az impulzus átadása a párhuzamos rétegek között, amelyek rendezett módon mozognak sebességgel u 1 És u 2. Feltéve, hogy a gáz teljes térfogatán a molekulák koncentrációja n = const, a molekulák tömege azonos (m 0 = const), a sebességek térfogat szerinti eloszlása ​​egyenletes ( = const), és az impulzus egy molekula modulusa, amely a rétegek rendezett mozgásának sebességéhez kapcsolódik φ = p = m 0 u, a rétegek kölcsönhatási erejének impulzusára:

Vagy . ()

Ez a Newton-egyenlet, amely meghatározza a belső súrlódási erő (viszkozitás) nagyságát. a sebesség irányváltoztatási sebességét jellemző keresztirányú sebességgradiens x merőleges a dörzsölőrétegek mozgására. η – dinamikus viszkozitási együttható . [η] = Pa s.

MOLEKULÁRIS ERŐK

A molekulák közötti kölcsönhatás erői, vagy ahogy más néven Van der Waals-erők, elektromos természetűek. Ezek az atomokat és molekulákat alkotó töltött részecskék kölcsönhatásának Coulomb-erői. A molekulák méretével arányos távolságban jelennek meg, és a távolság növekedésével nagyon gyorsan csökkennek. Ugyanakkor a vonzó erők (ellentétes töltések kölcsönhatása) és a taszító erők (hasonló töltések kölcsönhatása) egyszerre hatnak. Mivel a valódi részecskék nem pontszerűek, akkor ezeknek az erőknek a nagysága különböző módon függ a köztük lévő távolságtól.

Háromféle van der Waals erő létezik:

a) orientáció - poláris molekulák között hatnak:

,

ahol р a részecskék elektromos dipólusmomentuma, r a köztük lévő távolság, k a Boltzmann-állandó, Т a termodinamikai hőmérséklet.

b) indukció – írja le a molekulák kölcsönhatását, polarizációját

töltések, amelyekben a szomszédos részecskék elektromos mezőinek hatására keletkeznek:

.

Itt: р ind = ε 0 αЕ – részecskék szerzett elektromos dipólusmomentuma; α a molekulák polarizálhatósága.

ban ben) diszperzió - meghatározza azoknak a molekuláknak a kölcsönhatását, amelyekben véletlenszerűen aszimmetrikus töltéseloszlás lép fel, a pályák mentén mozgó elektronok folyamatában, amely pillanatnyi dipólusok kialakulásához vezet:

.

Általánosságban elmondható, hogy mindhárom típusú erő egyszerre hathat:

F m \u003d F o + F és + F d.

Tekintsük az intermolekuláris kölcsönhatási erők távolságtól való függését. Az F pr vonzási erőket negatívnak, az F -től való taszító erőket pedig pozitívnak tekintjük. Ezen erők összege adja az eredőt - Fres = f(r). Bizonyos r 0 távolságra a molekulák között |F pr | = |F innen: | és a kapott erő F \u003d F pr + F \u003d 0-ból. Ha r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0, akkor a vonzási erők érvényesülnek. Azonban r > 10-9 m távolságban a van der Waals erők gyorsan nullára hajlanak.

A kölcsönható molekulák rendszerét egy bizonyos potenciális energiatartalék jellemzi, amely komplex módon függ r-től, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

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

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

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

A kölcsönhatás legkisebb potenciális energiáját a molekulák kötési energiájának nevezzük. Ez egyenlő azzal a munkával, amelyet a vonzási erőkkel szemben kell elvégezni az egyensúlyban lévő molekulák szétválasztásához.

A minimális potenciális energia (E p min) és a hőmozgás kétszeres átlagos energiájának egy szabadságfokra eső értékének aránya egy anyag aggregációs állapotának kritériuma. Ha:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – folyadék;

c) E p min >> kT szilárd test.

Így bármely anyag a hőmérséklettől függően lehet gázhalmazállapotú, folyékony vagy szilárd halmazállapotú aggregáció.

GÁZOK, FOLYADÉKOK ÉS SZILÁRD TESTEK SZERKEZETI JELLEMZŐI

R. N. Grabovsky. Fizika tanfolyam. 1980, 168-174.

VALÓDI GÁZOK

A molekuláris kinetikai elmélet egyenletei meglehetősen jól leírják a valódi gázok viselkedését kellően magas hőmérsékleten és alacsony nyomáson. Ez érthető, mert egy ilyen állapot igazi gáz az ideális gázmodellhez áll legközelebb, amely alapján az MKT összes következtetése levonható. A nyomás növekedésével és a hőmérséklet csökkenésével azonban csökken a molekulák közötti átlagos távolság, és nőnek a molekuláris kölcsönhatások erői. Például a n.o. a molekulák térfogata a gáz által elfoglalt térfogat 1/10 000-e, és 500 atm (500 MPa) nyomáson már a teljes gáztérfogat fele lesz. Teljesen nyilvánvaló, hogy ilyen feltételek mellett az MKT törvényei megszűnnek működni, például PV ¹ const, amikor T = const.

A feladat tehát az, hogy egy valós gázra olyan állapotegyenletet kapjunk, amely figyelembe venné a molekulák térfogatát és kölcsönhatásukat.

©2015-2019 oldal
Minden jog a szerzőket illeti. Ez az oldal nem igényel szerzői jogot, de ingyenesen használható.
Az oldal létrehozásának dátuma: 2016-02-13

Ebben a részben a problémákban elsősorban azt a gondolatot hangsúlyozzák, hogy a gázokban a molekulák nagyobb távolságra helyezkednek el, mint a folyadékokban és a szilárd anyagokban, a köztük lévő vonzási erők jelentéktelenek, ezért a gázok nagy térfogatot foglalnak el. (A folyadékokra és szilárd anyagokra vonatkozó hasonló állítás általánosságban hamis. A szilárd anyagok esetében a molekulák sorrendje is nagy jelentőséggel bír.)

A második fogalom, amely a VI. fokozatban kialakul, amikor ebben a részben a feladatokat megoldjuk, a molekulák gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban való mozgásának természetében mutatkozó különbség.

58. e) pont. A burgonyapisztolyban lévő dugót pálcával mozgatva (14. ábra) figyelje meg a levegőmennyiség csökkenését. Végezze el ugyanezt a kísérletet, töltse fel a csövet vízzel. Magyarázza meg a víz és a levegő összenyomhatóságának különbségét az anyagok molekulaszerkezete alapján!

59. Hogyan magyarázható, hogy a forrásban lévő víz gőze körülbelül 1700-szor nagyobb térfogatot foglal el, mint a víz a forrásponton?

Válasz. A gőzmolekulák olyan nagy távolságra helyezkednek el egymástól, hogy a köztük lévő vonzó erők elenyészőek, ezért adott hőmérsékleten (adott molekulasebességgel) nem tudnak gőzkondenzációt okozni.

60. e) pont. Egy méteres üvegcsőbe öntjük a víz felét, a tetejére alkoholt, majd keverjük össze. Hogyan változott ezután a folyadék térfogata? Mondd el miért.

Válasz. Az össztérfogat a molekulák sűrűbb pakolódása következtében csökkent.

61. Bridgman tudós nagy erővel préselt olajat egy acélhengerbe. Hogyan magyarázható, hogy olajrészecskék nyúltak ki a henger külső falán, bár nem voltak repedések?

62. Ha összenyomja az ólom és az arany lemezeit, akkor egy idő után ólommolekulákat találhat az aranyban, és arany molekulákat az ólomban. Mondd el miért.

A 61. és 62. feladat megoldása Szilárd anyagokban és folyékony anyagokban a molekulák között kis hézagok vannak, annak ellenére, hogy sűrűn vannak. A molekulák elsősorban rezgés hatására mozognak. A kép egy zsúfolt buszban ülő emberekre emlékeztet, akik a szűkösség ellenére mozognak, helyet cserélnek egymással, vagy véletlenszerűen kialakított járatokon haladnak át.

63. e) pont. Vizsgáljuk meg a csillámlemezt, és vágjuk vékonyabb levelekre. Törje meg és vizsgálja meg egy nagy darab darabjait asztali só. Hogyan magyarázható egy anyag molekulaszerkezete alapján a csillám és a só eltérő irányú tulajdonságai?

64. e) pont. Törj meg egy darab pályát, és magyarázd el, hogy a törés miért eredményez mindig sima felületet.

Válasz. A Var sűrített folyadék, ezért molekulái nem alkotnak megfelelően váltakozó rétegeket, mint egy kristályos testben.

A gázok, folyadékok és szilárd anyagok szerkezete. A megoldások szerkezetének jellemzői. A "reaktív mező" fogalma
A folyadékok szerkezetének elmélete: összehasonlítás a gázok és szilárd anyagok szerkezetével Folyadékok szerkezete (szerkezete). A folyadékok szerkezetét jelenleg a fizikai kémikusok alaposan tanulmányozzák. Az ilyen irányú kutatásokhoz a legmodernebb módszereket alkalmazzák, beleértve a spektrális (IR, NMR, különböző hullámhosszú fényszórás), röntgenszórás, kvantummechanikai és statisztikai számítási módszereket stb. A folyadékok elmélete sokkal kevésbé fejlett, mint a gázoké, mivel a folyadékok tulajdonságai a szorosan elhelyezkedő molekulák geometriájától és polaritásától függenek. Ezenkívül a folyadékok sajátos szerkezetének hiánya megnehezíti leírásuk formalizálását - a legtöbb tankönyvben sok folyadék szerepel kevesebb hely mint a gázok és a kristályos szilárd anyagok. Milyen jellemzői vannak mindhárom halmazállapotnak: szilárd, folyékony és gáz. (asztal)
1) Szilárd: a test megtartja térfogatát és alakját
2) A folyadékok megtartják a térfogatot, de könnyen megváltoztatják alakjukat.
3) A gáznak sem alakja, sem térfogata nincs.

Ugyanannak az anyagnak ezek az állapotai nem a molekulák fajtájában különböznek (ugyanaz), hanem abban, ahogyan a molekulák elhelyezkednek és mozognak.
1) Gázokban a molekulák közötti távolság nagy több méretben maguk a molekulák
2) A folyadék molekulái nem térnek el nagy távolságra, és a folyadék normál körülmények között megtartja térfogatát.
3) A szilárd testek részecskéi meghatározott sorrendben vannak elrendezve. A részecskék mindegyike a kristályrács egy bizonyos pontja körül mozog, mint egy óra inga, vagyis oszcillál.
Amikor a hőmérséklet csökken, a folyadékok megszilárdulnak, és amikor a forráspont fölé emelkednek, akkor gáz halmazállapotúvá válnak. Ez a tény önmagában azt jelzi, hogy a folyadékok köztes helyet foglalnak el a gázok és a szilárd anyagok között, mindkettőtől eltérően. A folyadék azonban hasonlóságot mutat ezen állapotok mindegyikével.
Van egy hőmérséklet, amelynél a gáz és a folyadék határa teljesen eltűnik. Ez az úgynevezett kritikus pont. Minden gáznál ismert a hőmérséklet, amely felett semmilyen nyomáson nem lehet folyékony; ezen a kritikus hőmérsékleten megszűnik a határ (meniszkusz) a folyadék és telített gőze között. A kritikus hőmérséklet („abszolút forráspont”) létezését DIMengyelejev állapította meg 1860-ban. A folyadékokat és gázokat egyesítő második tulajdonság az izotrópia. Azaz első pillantásra feltételezhető, hogy a folyadékok közelebb állnak a gázokhoz, mint a kristályokhoz. Akárcsak a gázok, a folyadékok is izotrópok, pl. tulajdonságaik minden irányban azonosak. A kristályok éppen ellenkezőleg, anizotrópok: a kristályok törésmutatója, összenyomhatósága, szilárdsága és sok más tulajdonsága különböző irányokban eltérő. A szilárd kristályos anyagok rendezett szerkezetűek, ismétlődő elemekkel, ami lehetővé teszi röntgendiffrakciós vizsgálatukat (1912 óta alkalmazzák a röntgendiffrakciós analízis módszerét).

Mi a közös a folyadékokban és a gázokban?
A) izotróp. A folyadék tulajdonságai, akárcsak a gázoké, minden irányban azonosak, azaz. izotróp, ellentétben a kristályokkal, amelyek anizotrópok.
B) A folyadékoknak, akárcsak a gázoknak, nincs határozott alakjuk, és edény alakúak (alacsony viszkozitású és nagy folyékonyság).
A molekulák, a folyadékok és a gázok meglehetősen szabadon mozognak, egymásnak ütközve. Korábban úgy vélték, hogy a folyadék által elfoglalt térfogaton belül minden olyan távolságot, amely meghaladja a sugaruk összegét, egyformán valószínűnek feltételezték, azaz. a molekulák rendezett elrendezésére való hajlamot tagadták. Így bizonyos mértékig a folyadékok és a gázok szemben álltak a kristályokkal.
A kutatás előrehaladtával több tények a folyadékok és a szilárd anyagok szerkezete közötti hasonlóságok jelenlétére utaltak. Például a hőkapacitások és az összenyomhatósági együtthatók értékei, különösen az olvadáspont közelében, gyakorlatilag egybeesnek egymással, míg a folyadék és a gáz esetében ezek az értékek élesen eltérnek egymástól.
Már ebből a példából is levonható az a következtetés, hogy a folyadékokban a megszilárdulási hőmérséklethez közeli hőmérsékletű hőmozgás képe szilárd anyagokban, nem pedig gázokban a hőmozgásra hasonlít. Ezzel együtt olyan jelentős különbségek is megfigyelhetők az anyag gáz- és folyékony halmazállapota között. A gázokban a molekulák teljesen véletlenszerűen oszlanak el a térben, azaz. ez utóbbit a szerkezet nélküli oktatás példájának tekintik. A folyadéknak még mindig van egy bizonyos szerkezete. Ezt kísérletileg megerősíti a röntgendiffrakció, amely legalább egy tiszta maximumot mutat. A folyadék szerkezete az, ahogyan molekulái eloszlanak a térben. A táblázat szemlélteti a gáz és a folyékony halmazállapot közötti hasonlóságokat és különbségeket.
Gázfázis Folyékony fázis
1. Az l molekulák közötti távolság általában (alacsony nyomás esetén) sokkal nagyobb, mint az r molekula sugara: l  r ; gyakorlatilag a gáz által elfoglalt teljes V térfogat szabad térfogat. Folyékony fázisban ezzel szemben l 2. A részecskék átlagos kinetikus energiája (3/2kT) nagyobb, mint intermolekuláris kölcsönhatásuk potenciális energiája U. A molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája nagyobb, mint az átlag mozgásuk kinetikus energiája: U3/2 kT
3. A részecskék a transzlációs mozgásuk során ütköznek, az ütközési gyakorisági tényező a részecskék tömegétől, méretétől és hőmérsékletétől függ, minden részecske az őt körülvevő molekulák által létrehozott ketrecben oszcillál. Az a lengési amplitúdó a szabad térfogattól függ, a  (Vf/ L)1/3
4. A részecskék diffúziója transzlációs mozgásuk eredményeként következik be, a diffúziós együttható D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) és függ a gáznyomástól
(D  p-1) A diffúzió annak eredményeként jön létre, hogy a részecske egyik sejtből a másikba ugrik ED aktiválási energiával,
D  e-ED/RT nem viszkózus folyadékokban
D  0,3 - 3 cm2 / nap.
5. A részecske szabadon forog, a forgási frekvenciát r csak a részecske tehetetlenségi nyomatéka és a hőmérséklet határozza meg, a forgási frekvencia r T1/2 Er/RT
A folyékony halmazállapot azonban számos fontos mutatóban (kvázikristályosság) közel áll a szilárd állapothoz. A kísérleti tények felhalmozódása azt mutatta, hogy a folyadékokban és a kristályokban sok közös vonás van. Az egyes folyadékok fizikai és kémiai vizsgálatai kimutatták, hogy szinte mindegyikük rendelkezik a kristályszerkezet bizonyos elemeivel.
Először is, az intermolekuláris távolságok folyadékban közel vannak a szilárd testben lévőkhöz. Ezt bizonyítja, hogy az utóbbi olvadása során az anyag térfogata elenyésző mértékben változik (általában legfeljebb 10%-kal nő). Másodszor, az intermolekuláris kölcsönhatás energiája folyadékban és szilárd anyagban jelentéktelen mértékben különbözik. Ez abból következik, hogy az olvadáshő sokkal kisebb, mint a párolgási hő. Például vízre Hpl= 6 kJ/mol, és Hsp= 45 kJ/mol; benzolnál Hpl = 11 kJ/mol, és Htest = 48 kJ/mol.
Harmadszor, egy anyag hőkapacitása az olvadás során nagyon kevéssé változik, pl. mindkét állapothoz közel áll. Ebből az következik, hogy a részecskék folyadékban való mozgásának természete közel áll a szilárd testben lévő mozgáshoz. Negyedszer, a folyadék, akár egy szilárd test, törés nélkül ellenáll a nagy húzóerőknek.
A folyadék és a szilárd anyag közötti különbség a folyékonyságban rejlik: a szilárd anyag megtartja alakját, a folyadék kis erőfeszítés hatására is könnyen megváltoztatja. Ezek a tulajdonságok a folyadék szerkezetének olyan sajátosságaiból fakadnak, mint az erős intermolekuláris kölcsönhatás, a molekulák elrendezésének rövid hatótávolsága, valamint a molekulák azon képessége, hogy viszonylag gyorsan változtatják helyzetüket. Amikor egy folyadékot a fagyásponttól a forráspontig hevítenek, tulajdonságai zökkenőmentesen változnak, melegítéssel fokozatosan nő a hasonlósága a gázzal.
Mindannyian könnyen felidézhetjük sok olyan anyagot, amelyet folyadéknak tekint. Ennek az halmazállapotnak a pontos meghatározása azonban nem olyan egyszerű, hiszen a folyadékok olyan fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hogy bizonyos tekintetben szilárd anyagokra, máshol gázokra hasonlítanak. A folyadékok és a szilárd anyagok közötti hasonlóság az üveges anyagoknál a legszembetűnőbb. Átmenetük szilárdból folyékonyba a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan megy végbe, és nem kifejezett olvadáspontként, egyszerűen egyre lágyabbá és lágyabbá válnak, így nem lehet megmondani, hogy melyik hőmérsékleti tartományban nevezzük őket szilárdnak, és melyikben. folyadékoknak nevezzük. Csak azt mondhatjuk, hogy egy üveges anyag viszkozitása folyékony állapotban kisebb, mint szilárd állapotban. A tömör üvegeket ezért gyakran túlhűtött folyadékoknak nevezik. Nyilván a legtöbbet jellemző tulajdonság folyadékok, ami megkülönbözteti őket a szilárd anyagoktól, az alacsony viszkozitásuk, pl. magas folyékonyság. Neki köszönhetően annak az edénynek az alakját veszik fel, amelybe öntik. Molekuláris szinten a nagy folyékonyság a folyadékrészecskék viszonylag nagy szabadságát jelenti. Ebben a folyadékok a gázokhoz hasonlítanak, bár a folyadékok intermolekuláris kölcsönhatásának erői nagyobbak, a molekulák közelebb vannak és mozgásukban korlátozottabbak.
Az elhangzottakat másképpen is meg lehet közelíteni - a hosszú és rövid távú rend gondolata felől. A nagy hatótávolságú rend a kristályos szilárd anyagokban létezik, amelyek atomjai szigorúan rendezetten helyezkednek el, háromdimenziós struktúrákat alkotva, amelyeket az egységcella ismételt ismétlésével kaphatunk. Folyadékban és üvegben nincs hosszú távú rendelés. Ez azonban nem jelenti azt, hogy egyáltalán nincsenek megrendelve. A legközelebbi szomszédok száma minden atom esetében közel azonos, de az atomok elrendezése, ahogy eltávolodnak bármely kiválasztott pozíciótól, egyre kaotikusabbá válik. Így a rend csak kis távolságokon létezik, innen ered a név: rövid távú rend. A folyadék szerkezetének megfelelő matematikai leírása csak a statisztikai fizika segítségével adható. Például, ha egy folyadék azonos gömb alakú molekulákból áll, akkor szerkezete leírható a g(r) radiális eloszlási függvénnyel, amely megadja annak valószínűségét, hogy a referenciapontnak választott molekulától r távolságra találunk bármely molekulát. . Ezt a függvényt kísérletileg a röntgensugarak vagy neutronok diffrakciójának tanulmányozásával lehet megtalálni, és a nagy sebességű számítógépek megjelenésével elkezdték kiszámítani a módszerrel. számítógépes szimuláció, a molekulák között ható erők természetére vonatkozó rendelkezésre álló adatok, vagy ezekre az erőkre vonatkozó feltételezések, valamint a newtoni mechanika törvényei alapján. Az elméleti és kísérleti úton kapott radiális eloszlásfüggvények összehasonlításával igazolható az intermolekuláris erők természetére vonatkozó feltételezések helyessége.
Azokban a szerves anyagokban, amelyek molekulái megnyúlt alakúak, egyik vagy másik hőmérsékleti tartományban a folyékony fázisnak olykor nagy hatótávolságú orientációs rendű régiói találhatók, ami abban nyilvánul meg, hogy hajlamosak párhuzamosan elhelyezkedni a hosszúkás tengelyek. a molekulák. Ebben az esetben az orientációs rendezettséget a molekulaközpontok koordinációs rendeződése kísérheti. Az ilyen típusú folyadékfázisokat általában folyadékkristályoknak nevezik. A folyadékkristályos állapot a kristályos és a folyékony közti állapot. A folyadékkristályok mind folyékonyak, mind anizotrópiák (optikai, elektromos, mágneses). Néha ezt az állapotot mezomorfnak (mezofázisnak) nevezik a hosszú távú rend hiánya miatt. A létezés felső határa a megvilágosodás hőmérséklete (izotróp folyadék). A termotróp (mezogén) FA-k bizonyos hőmérséklet felett léteznek. Jellemzőek a cianobifenilek. Liotróp - feloldva, például szappanok, polipeptidek, lipidek, DNS vizes oldatai. A folyadékkristályok vizsgálata (mezofázis - olvadás két szakaszban - zavaros olvadék, majd átlátszó, átmenet a kristályos fázisból folyadékba egy anizotróp optikai tulajdonságú intermedier formán keresztül) fontos technológiai szempontból - folyadékkristályos indikáció.
A gázban lévő molekulák véletlenszerűen (véletlenszerűen) mozognak. A gázokban az atomok vagy molekulák közötti távolság átlagosan sokszorosa a molekulák méretének. A gázban lévő molekulák nagy sebességgel mozognak (több száz m/s). Összeütközve tökéletesen rugalmas golyókként pattannak egymásról, megváltoztatva a sebességek nagyságát és irányát. A molekulák közötti nagy távolságok esetén a vonzóerők kicsik, és nem képesek egymás mellett tartani a gázmolekulákat. Ezért a gázok korlátlanul tágulhatnak. A gázok könnyen összenyomódnak, a molekulák közötti átlagos távolság csökken, de továbbra is nagy méretű marad. A gázok sem alakjukat, sem térfogatukat nem tartják meg, térfogatuk és alakjuk egybeesik az általuk kitöltött edény térfogatával és alakjával. A molekuláknak az edény falára gyakorolt ​​számos hatása gáznyomást hoz létre.
A szilárd anyagok atomjai és molekulái bizonyos egyensúlyi helyzetek körül rezegnek. Ezért a szilárd anyagok megtartják térfogatukat és alakjukat is. Ha gondolatban összekapcsolja egy szilárd test atomjainak vagy ionjainak egyensúlyi helyzetének középpontjait, akkor kristályrácsot kap.
A folyadék molekulái szinte egymáshoz közel helyezkednek el. Ezért a folyadékok nagyon rosszul összenyomhatók és megtartják térfogatukat. A folyadék molekulái az egyensúlyi helyzet körül rezegnek. A molekula időről időre átmenetet hajt végre egyik állandó állapotból a másikba, általában egy külső erő hatásának irányában. A molekula ülepedési ideje kicsi és a hőmérséklet emelkedésével csökken, a molekula új ülepedési állapotba való átmenetének ideje pedig még rövidebb. Ezért a folyadékok folyékonyak, nem tartják meg alakjukat, és felveszik az edény alakját, amelybe öntik.

Folyadékok kinetikai elmélete A Ya. I. Frenkel által kidolgozott folyadékok kinetikai elmélete a folyadékot dinamikus rendszer részecskék, amelyek részben a kristályos állapothoz hasonlítanak. Az olvadásponthoz közeli hőmérsékleten a folyadékban a hőmozgás főként a részecskék bizonyos átlagos egyensúlyi helyzetek körüli harmonikus rezgésére redukálódik. A kristályos állapottal ellentétben a molekuláknak ezek az egyensúlyi helyzetei a folyadékban minden molekula esetében ideiglenesek. Miután egy egyensúlyi helyzet körül oszcillált egy ideig t, a molekula egy új, szomszédos pozícióba ugrik. Ilyen ugrás az U energia felhasználásával következik be, így a „beállt élettartam” t a következőképpen függ a hőmérséklettől: t = t0 eU/RT, ahol t0 az egyensúlyi helyzet körüli egy rezgés periódusa. Szobahőmérsékletű víznél t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, azaz egy molekula körülbelül 100 rezgést végrehajtva új pozícióba ugrik, ahol tovább oszcillál. A röntgen- és neutronszórási adatokból kiszámítható a  részecskeeloszlási sűrűségfüggvény a középpontnak választott részecske távolságának r függvényében. Nagy hatótávolságú rendezettség jelenlétében kristályos szilárd anyagban a (r) függvénynek számos különálló maximuma és minimuma van. A részecskék nagy mobilitása miatt a folyadékban csak kis hatótávolságú rend őrződik meg. Ez egyértelműen következik a folyadékok röntgenmintázataiból: a (r) függvénynek folyadékra van egy tiszta első maximuma, egy diffúz második, majd (r) = állandó. A kinetikai elmélet az olvadást a következőképpen írja le. A szilárd test kristályrácsában mindig van egy kis számú üresedés (lyuk), amelyek lassan vándorolnak a kristály körül. Minél közelebb van a hőmérséklet az olvadási hőmérséklethez, annál nagyobb a "lyukak" koncentrációja, és annál gyorsabban mozognak a mintán. Az olvadásponton a „lyukak” képződése lavinaszerű kooperatív jelleget kap, a részecskék rendszere dinamikussá válik, megszűnik a hosszú távú rend, megjelenik a folyékonyság. Az olvadásban a döntő szerepet a folyadékban lévő szabad térfogat képződése játssza, amely a rendszert folyékonysá teszi. A legfontosabb különbség a folyékony és a szilárd kristályos test között, hogy a folyadékban van egy szabad térfogat, amelynek jelentős része fluktuáció ("lyuk") formájú, amelynek a folyadékon való vándorlása olyan jellemző minőség, mint a folyékonyság. Az ilyen „lyukak” száma, térfogata és mobilitása a hőmérséklettől függ. Alacsony hőmérsékleten a folyadék, ha nem alakult kristályos testté, a "lyukak" térfogatának és mobilitásának csökkenése miatt nagyon alacsony folyékonyságú amorf szilárd anyaggá válik. Szintén kinetikai elmélet Az elmúlt évtizedekben sikeresen fejlődött a folyadékok statisztikai elmélete.

A jég és a víz szerkezete. Normál körülmények között a legfontosabb és leggyakoribb folyadék a víz. Ez a leggyakoribb molekula a Földön! Kiváló oldószer. Például minden biológiai folyadék tartalmaz vizet. A víz sok szervetlen (sók, savak, bázisok) és szerves anyagokat (alkoholok, cukrok, karbonsavak, aminok). Mi ennek a folyadéknak a szerkezete? Ismét vissza kell térnünk ahhoz a kérdéshez, amelyet az első előadásban tárgyaltunk, nevezetesen egy olyan specifikus intermolekuláris kölcsönhatáshoz, mint a hidrogénkötés. A víz, mind folyékony, mind kristályos formában, anomáliás tulajdonságokat mutat éppen a sok hidrogénkötés jelenléte miatt. Mik ezek az anomális tulajdonságok: magas forráspont, magas olvadáspont és magas párolgási entalpia. Nézzük először a grafikont, majd a táblázatot, majd a két vízmolekula közötti hidrogénkötés diagramját. Valójában minden vízmolekula 4 másik vízmolekulát koordinál maga körül: kettőt az oxigén miatt, két magányos elektronpár donoraként két protonizált hidrogénné, kettőt pedig a protonizált hidrogének miatt, amelyek koordinálódnak más vízmolekulák oxigénjeivel. Az előző előadásban bemutattam egy diát, amelyen a VI. csoportba tartozó hidridek olvadáspontját, forráspontját és párolgási entalpiáját ábrázoltam periódustól függően. Ezek a függőségek egyértelmű anomáliát mutatnak az oxigén-hidrid esetében. Mindezek a vízparaméterek észrevehetően magasabbak, mint amelyeket a következő kén-, szelén- és tellúr-hidridek csaknem lineáris függése alapján jósolnak. Ezt azzal magyaráztuk, hogy létezik egy hidrogénkötés a protonizált hidrogén és egy elektronsűrűség-akceptor, az oxigén között. A hidrogénkötést legsikeresebben vibrációs infravörös spektroszkópiával tanulmányozták. A szabad OH-csoport jellegzetes rezgési energiával rendelkezik, ami az OH-kötés váltakozó meghosszabbodását és rövidülését okozza, így jellegzetes sávot ad a molekula infravörös abszorpciós spektrumában. Ha azonban az OH csoport részt vesz egy hidrogénkötésben, akkor a hidrogénatomot mindkét oldalon atomok kötik meg és így a rezgése "csillapodik", a frekvencia csökken. A következő táblázat azt mutatja, hogy a hidrogénkötés erősségének és "koncentrációjának" növekedése az abszorpciós gyakoriság csökkenéséhez vezet. Az ábrán az 1. görbe a jégben lévő O-H csoportok infravörös abszorpciós spektrumának maximumának felel meg (ahol az összes H-kötés kötődik); a 2. görbe a csoportok infravörös abszorpciós spektrumának maximumának felel meg O-N egyéni CCl4-ben oldott H2O molekulák (ahol nincsenek H-kötések - a H2O CCl4-ben készült oldata túl híg); a 3. görbe pedig a folyékony víz abszorpciós spektrumának felel meg. Ha a folyékony víznek kettő lenne évfolyam O-N csoportok - hidrogénkötéseket képeznek és nem képeznek - és néhány O-N csoportok vízben ugyanúgy rezegnének (ugyanolyan frekvenciával), mint a jégben (ahol H-kötést képeznek), máshol pedig - mint a CCl4 környezetben (ahol nem képeznek H-kötést). Ekkor a víz spektrumának két maximuma lenne, ami kettőnek felelne meg O-H kijelenti csoportok, azok két jellemző rezgési frekvenciája: milyen frekvenciával rezeg a csoport, ezzel nyeli el a fényt. De a "két-maximum" kép nem figyelhető meg! Ehelyett a 3. görbén egy, nagyon elmosódott maximumot látunk, amely az 1. görbe maximumától a 2. görbe maximumáig terjed. Ez azt jelenti, hogy a folyékony vízben az összes OH csoport hidrogénkötést hoz létre – de ezeknek a kötéseknek más az energiája, laza” (más energiájú), és különböző módon. Ez azt mutatja, hogy az a kép, amelyen a vízben lévő hidrogénkötések egy része megszakad, és néhány megmarad, szigorúan véve téves. Azonban annyira egyszerű és kényelmes a víz termodinamikai tulajdonságainak leírására, hogy széles körben használják – és utalni is fogunk rá. De ne feledje, hogy ez nem teljesen pontos.
Az infravörös spektroszkópia tehát egy hatékony módszer a hidrogénkötések vizsgálatára, és ezzel a spektrális módszerrel számos adatot kaptak az ebből eredő folyadékok és szilárd anyagok szerkezetéről. Ennek eredményeként a folyékony víz esetében a jégszerű modell (O.Ya. Samoilov modellje) az egyik legáltalánosabban elismert. E modell szerint folyékony víz hőmozgás zavarja (a hőmozgás bizonyítéka és következménye - Brown-mozgás, amelyet először Robert Brown angol botanikus figyelt meg 1827-ben pollenen mikroszkóp alatt) jégszerű tetraéderes keret (a jégkristályban minden vízmolekulát hidrogénkötések kötnek össze, amelyek energiája a jéghez képest csökkent - "laza" hidrogénkötések) négy körülvevő vízmolekulával), ennek a keretnek az üregei részben vízmolekulákkal vannak kitöltve, a jégszerű karakák üregeiben és csomópontjaiban elhelyezkedő vízmolekulák energetikailag egyenlőtlenek.

A vízzel ellentétben a jégkristályban a kristályrács csomópontjaiban azonos energiájú vízmolekulák találhatók, és csak akkor tudnak oszcilláló mozgások. Egy ilyen kristályban rövid és nagy hatótávolságú rend egyaránt létezik. A folyékony vízben (mint a poláris folyadéknál) a kristályszerkezet egyes elemei megmaradnak (sőt, a folyékony molekulák még gázfázisban is kis instabil klaszterekbe rendeződnek), de nincs hosszú távú sorrend. Így a folyadék szerkezete eltér a gáz szerkezetétől rövid hatótávolságú rend jelenlétében, de eltér a kristály szerkezetétől hosszú távú rend hiányában. Ennek legmeggyőzőbb bizonyítéka a röntgensugár-szórás vizsgálata. A folyékony vízben lévő egyes molekulák három szomszédja egy rétegben található, és nagyobb távolságra van tőle (0,294 nm), mint a szomszédos rétegből származó negyedik molekula (0,276 nm). A jégszerű váz összetételében minden vízmolekula egy tükörszimmetrikus (erős) és három központi szimmetrikus (kevésbé erős) kötést alkot. Az első egy adott réteg vízmolekulái és a szomszédos rétegek közötti kötésekre vonatkozik, a többi - az egyik réteg vízmolekulái közötti kötésekre. Ezért az összes kötés negyede tükörszimmetrikus, háromnegyede pedig központilag szimmetrikus. A vízmolekulák tetraéderes környezetének koncepciója arra a következtetésre vezetett, hogy szerkezete erősen áttört, és vannak benne üregek, amelyek mérete megegyezik a vízmolekulák méreteivel vagy nagyobb.

A folyékony víz szerkezetének elemei. a - elemi víztetraéder (világos körök - oxigénatomok, fekete felek - a protonok lehetséges helyzetei hidrogénkötésen); b - a tetraéderek tükörszimmetrikus elrendezése; c - központilag szimmetrikus elrendezés; d - oxigénközpontok elhelyezkedése a közönséges jég szerkezetében. A vizet a hidrogénkötések miatt jelentős intermolekuláris kölcsönhatási erők jellemzik, amelyek térhálót alkotnak. Ahogy az előző előadásban is mondtuk, a hidrogénkötés egy elektronegatív elemhez kapcsolódó hidrogénatom azon képességének köszönhető, hogy további kötést hozzon létre egy másik molekula elektronegatív atomjával. A hidrogénkötés viszonylag erős, és molenként több 20-30 kilojoule. Erősségét tekintve köztes helyet foglal el a van der Waals-energia és egy tipikusan ionos kötés energiája között. Energia egy vízmolekulában kémiai kötés A H-O 456 kJ/mol, a H…O hidrogénkötési energiája 21 kJ/mol.

Hidrogénvegyületek
Molekulatömeg Hőmérséklet,  С
fagyasztó forrás
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Jégszerkezet. normál jég. Szaggatott vonal - H-kötések. A jég áttört szerkezetében H2O-molekulákkal körülvett kis üregek láthatók.
Így a jég szerkezete vízmolekulák áttört konstrukciója, amelyek csak hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A vízmolekulák elhelyezkedése a jégszerkezetben meghatározza a széles csatornák jelenlétét a szerkezetben. A jég olvadása során a vízmolekulák "esnek" ezekbe a csatornákba, ez magyarázza a víz sűrűségének növekedését a jég sűrűségéhez képest. A jégkristályok szabályos hatszögletű lemezek, táblázatos elkülönülések és összetett formájú összenövések formájában fordulnak elő. Szerkezet normál jég H-kötések diktálják: jó ezeknek a kötéseknek a geometriájára (O-H közvetlenül az O-ra néz), de nem túl jó a H2O molekulák szoros van der Waals érintkezésére. Ezért a jég szerkezete áttört, benne a H2O molekulák mikroszkopikus (egy H2O molekulánál kisebb méretű) pórusokat burkolnak be. A jég áttört szerkezete két jól ismert hatáshoz vezet: (1) a jég kevésbé sűrű, mint a víz, lebeg benne; és (2) erős nyomás alatt – például egy korcsolya pengéi megolvasztják a jeget. A jégben található hidrogénkötések többsége folyékony vízben megmarad. Ez az olvadó jég hőjének kicsinyéből következik (80 cal/g) a forrásban lévő víz hőjéhez (600 cal/g 0°C-on) képest. Azt mondhatnánk, hogy a folyékony vízben a jégtörésben meglévő H-kötéseknek csak 80/(600+80) = 12%-a. Ez a kép azonban – hogy a vízben a hidrogénkötések egy része megszakad, és néhány megmarad – nem teljesen pontos: inkább a vízben lévő összes hidrogénkötés meglazul. Ezt jól illusztrálják az alábbi kísérleti adatok.

A megoldások felépítése. Tól től konkrét példák víz esetében térjünk át más folyadékokra. A különböző folyadékok a molekulák méretében és az intermolekuláris kölcsönhatások természetében különböznek egymástól. Így minden egyes folyadékban van egy bizonyos pszeudokristályos szerkezet, amelyet rövid hatótávolságú rend jellemez, és bizonyos mértékig hasonlít a folyadék megfagyásakor és szilárd anyaggá alakulásakor kapott szerkezetre. Más anyag feloldásakor, pl. oldat keletkezésekor az intermolekuláris kölcsönhatások jellege megváltozik, és új szerkezet jelenik meg a részecskék más elrendezésével, mint a tiszta oldószerben. Ez a szerkezet az oldat összetételétől függ, és minden egyes megoldásra jellemző. A folyékony oldatok képződése általában együtt jár a szolvatáció folyamatával, azaz. az oldószermolekulák egymáshoz igazítása az oldott anyag molekulák körül az intermolekuláris erők hatására. Megkülönböztetni a közeli és távoli megoldást, azaz. az oldott anyag molekulái (részecskéi) körül primer és szekunder szolváthéjak képződnek. Az elsődleges szolvatációs héjban az oldószermolekulák közvetlen közelében vannak, amelyek együtt mozognak az oldott anyag molekuláival. Az elsődleges szolvatációs héjban lévő oldószermolekulák számát szolvatációs koordinációs számnak nevezzük, amely mind az oldószer, mind az oldott anyag természetétől függ. A másodlagos szolvatációs héj összetétele olyan oldószermolekulákat tartalmaz, amelyek sokkal nagyobb távolságra helyezkednek el, és az elsődleges szolvatációs héjjal való kölcsönhatás miatt befolyásolják az oldatban lezajló folyamatokat.
A szolvátok stabilitásának mérlegelésekor különbséget teszünk kinetikai és termodinamikai stabilitás között.
Vizes oldatokban a kinetikus hidratáció mennyiségi jellemzői (O.Ya. Samoilov) a i /  és Ei = Ei-E értékek, ahol i és  a vízmolekulák átlagos tartózkodási ideje az egyensúlyban helyzet az i-edik ion közelében és in tiszta víz, Ei és E pedig a csere aktiválási energiája és az öndiffúziós folyamat aktiválási energiája vízben. Ezek a mennyiségek hozzávetőleges összefüggésben állnak egymással:
i/  exp(Ei/RT)
ha EI  0, i/  1 (az ionhoz legközelebb eső vízmolekulák cseréje ritkábban (lassabb), mint a tiszta vízben a molekulák közötti csere) - pozitív hidratáció
ha EI  0, i/  1 (az ionhoz legközelebb eső vízmolekulák cseréje gyakrabban (gyorsabban) megy végbe, mint a tiszta vízben a molekulák közötti csere) - negatív hidratáció

Tehát lítium-ionnál EI = 1,7 kJ/mol, céziumionnál pedig Ei= -1,4 kJ/mol, azaz. egy kis "kemény" lítium-ion erősebben tartja a vízmolekulákat, mint egy nagy és "diffúz" cézium-ion azonos töltéssel. A képződött szolvátok termodinamikai stabilitását a Gibbs-energia szolvatáció közbeni változása határozza meg (solvG) = (solvH) - T(solvS). Minél negatívabb ez az érték, annál stabilabb a szolvát. Alapvetően ez meghatározott negatív értékeket megoldási entalpiák.
A megoldás fogalma és a megoldáselméletek. A valódi megoldások spontán módon keletkeznek, amikor két vagy több anyag érintkezik, az egyik típusú részecskék közötti kötések megsemmisülése és egy másik típusú kötések kialakulása, valamint az anyag diffúzió következtében a térfogatban való eloszlása ​​következtében. Az oldatokat tulajdonságaik szerint ideális és valós, elektrolit és nem elektrolit oldatokra, híg és koncentrált, telítetlen, telített és túltelített oldatokra osztják. A rasztorok tulajdonságai az MMW természetétől és nagyságától függenek. Ezek a kölcsönhatások lehetnek fizikai jellegűek (van der Waals erők) és összetett fizikai-kémiai jellegűek (hidrogénkötés, ion-molekuláris kötés, töltésátviteli komplexek stb.). Az oldatképződés folyamatát a kölcsönhatásban lévő részecskék között vonzó és taszító erők egyidejű megnyilvánulása jellemzi. Taszító erők hiányában a részecskék összeolvadnának (összetapadnának), és a folyadékok korlátlanul összenyomódnának, vonzó erők hiányában pedig lehetetlen lenne folyadékot vagy szilárd anyagot nyerni. Az előző előadásban a megoldások fizikai és kémiai elméleteivel foglalkoztunk.
Az egységes megoldáselmélet megalkotása azonban jelentős nehézségekbe ütközik, és jelenleg még nem jött létre, pedig a legtöbben kutatnak. modern módszerek kvantummechanika, statisztikai termodinamika és fizika, kristálykémia, röntgendiffrakciós elemzés, optikai módszerek, NMR módszerek. reaktív mező. Az intermolekuláris kölcsönhatás erőinek vizsgálatának folytatásaként figyelembe vesszük a "reaktív mező" fogalmát, amely fontos a kondenzált anyag és a valódi gázok szerkezetének és szerkezetének megértéséhez, különösen, folyékony halmazállapot, és így minden fizikai kémia folyékony oldatok.
Reaktív mező poláros és nem poláris molekulák keverékeiben, például szénhidrogének és nafténsavak keverékeiben lép fel. A poláris molekulák egy bizonyos szimmetriájú mezővel (a térszimmetriát a szabad molekulapályák szimmetriája határozza meg) és a H intenzitású mezővel hatnak a nem poláris molekulákon. Ez utóbbiak a töltésszétválás miatt polarizálódnak, ami dipólus megjelenéséhez (indukciójához) vezet. Az indukált dipólusú molekula pedig egy poláris molekulára hat, megváltoztatva annak elektromágneses terét, azaz. reaktív (válasz) mezőt gerjeszt. A reaktív mező megjelenése a részecskék kölcsönhatási energiájának növekedéséhez vezet, ami a poláris molekulák erős szolvatációs héjainak létrehozásában fejeződik ki poláris és nem poláris molekulák keverékében.
A reaktív térenergiát a következő képlet alapján számítjuk ki: ahol:
"-" jel - meghatározza a molekulák vonzását
S - statikus elektromos áteresztőképesség
 korlátlan a molekulák elektron- és atomi polarizálhatóságából adódó permittivitás
NA – Avogadro száma
VM az a térfogat, amelyet 1 mól poláris anyag egy izotróp folyadékban elfoglal v = dipólusmomentum
Az ER 1 mól poláris anyag energiája oldatban
A "reaktív mező" fogalma lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük a tiszta folyadékok és oldatok szerkezetét. A reaktív mező tanulmányozásának kvantumkémiai megközelítését M.V. munkái dolgozták ki. L. Ya. Karpova Így a folyékony állapot problémája fiatal kutatóira vár. Te és a kártyák a kezedben.

A gázok, folyadékok és szilárd anyagok szerkezete.

A molekuláris kinetikai elmélet alapvető rendelkezései:

Minden anyag molekulákból, a molekulák pedig atomokból állnak.

az atomok és molekulák állandó mozgásban vannak,

A molekulák között vonzó és taszító erők vannak.

BAN BEN gázok a molekulák véletlenszerűen mozognak, a molekulák közötti távolságok nagyok, a molekuláris erők kicsik, a gáz a teljes számára biztosított térfogatot elfoglalja.

BAN BEN folyadékok a molekulák csak kis távolságra vannak rendezve, és nagy távolságokon az elrendezés sorrendje (szimmetriája) sérül - „rövid hatótávolságú sorrend”. A molekuláris vonzás erői közel tartják egymáshoz a molekulákat. A molekulák mozgása egyik stabil pozícióból a másikba „ugrál” (általában egy rétegen belül. Ez a mozgás magyarázza a folyadék folyékonyságát. A folyadéknak nincs alakja, de van térfogata).

Szilárd anyagok - olyan anyagok, amelyek megőrzik alakjukat, kristályosra és amorfra oszthatók. kristályos szilárd anyag a testeknek kristályrácsuk van, melynek csomópontjaiban ionok, molekulák vagy atomok lehetnek, stabil egyensúlyi helyzetükhöz képest oszcillálnak A kristályrácsok a térfogatban szabályos szerkezetűek - „hosszú hatótávolságú” elhelyezkedési sorrend.

Amorf testek megtartják alakjukat, de nincs kristályrácsuk, és ennek eredményeként nincs kifejezett olvadáspontjuk. Fagyott folyadékoknak nevezik őket, mivel a folyadékokhoz hasonlóan molekuláris elrendezésük „közel” sorrendje van.

Molekulák kölcsönhatási erői

Egy anyag összes molekulája kölcsönhatásba lép egymással a vonzás és a taszítás erői révén. A molekulák kölcsönhatásának bizonyítéka: a nedvesedés jelensége, a nyomással és nyújtással szembeni ellenállás, szilárd anyagok és gázok alacsony összenyomhatósága stb. A molekulák kölcsönhatásának oka az anyagban lévő töltött részecskék elektromágneses kölcsönhatása. Hogyan magyarázzuk el? Az atom egy pozitív töltésű magból és egy negatív töltésű elektronhéjból áll. Az atommag töltése megegyezik az összes elektron teljes töltésével, ezért összességében az atom elektromosan semleges. Az egy vagy több atomból álló molekula elektromosan semleges. Tekintsük a molekulák közötti kölcsönhatást két immobil molekula példáján. A természetben a testek között gravitációs és elektromágneses erők létezhetnek. Mivel a molekulák tömege rendkívül kicsi, a molekulák közötti gravitációs kölcsönhatás elhanyagolható erői figyelmen kívül hagyhatók. Nagyon nagy távolságok esetén nincs elektromágneses kölcsönhatás sem a molekulák között. De a molekulák közötti távolság csökkenésével a molekulák elkezdenek tájékozódni úgy, hogy egymás felé néző oldalaik különböző előjelű töltésekkel rendelkeznek (általában a molekulák semlegesek maradnak), és vonzó erők keletkeznek a molekulák között. A molekulák közötti távolság még nagyobb csökkenésével taszító erők keletkeznek a molekulák atomjainak negatív töltésű elektronhéjainak kölcsönhatása következtében. Ennek eredményeként a molekulára hatással van a vonzás és a taszító erők összege. Nagy távolságokon a vonzóerő érvényesül (2-3 molekulaátmérő távolságban a vonzás maximális), kis távolságokon a taszító erő. Olyan távolság van a molekulák között, ahol a vonzási erők egyenlővé válnak a taszító erőkkel. A molekulák ezen helyzetét stabil egyensúlyi helyzetnek nevezzük. Az egymástól távol elhelyezkedő és elektromágneses erők által összekapcsolt molekulák potenciális energiával rendelkeznek. Stabil egyensúlyi helyzetben a molekulák potenciális energiája minimális. Egy anyagban minden molekula egyidejűleg kölcsönhatásba lép sok szomszédos molekulával, ami szintén befolyásolja a molekulák minimális potenciális energiájának értékét. Ráadásul egy anyag összes molekulája folyamatos mozgásban van, azaz. mozgási energiájuk van. Így egy anyag szerkezetét és tulajdonságait (szilárd, folyékony és gáznemű testek) a molekulák kölcsönhatásának minimális potenciális energiája és a molekulák hőmozgásának kinetikai energiája közötti arány határozza meg.

Szilárd, folyékony és gáznemű testek szerkezete, tulajdonságai

A testek szerkezetét a testrészecskék kölcsönhatása és hőmozgásuk természete magyarázza.

Szilárd

A szilárd anyagok alakja és térfogata állandó, és gyakorlatilag összenyomhatatlanok. A molekulák kölcsönhatásának minimális potenciális energiája nagyobb, mint a molekulák kinetikus energiája. A részecskék erős kölcsönhatása. A szilárd testben lévő molekulák hőmozgását csak a részecskék (atomok, molekulák) stabil egyensúlyi helyzete körüli rezgései fejezik ki.

A nagy vonzási erők miatt a molekulák gyakorlatilag nem tudják megváltoztatni helyzetüket egy anyagban, ez magyarázza a szilárd testek térfogatának és alakjának invarianciáját. A legtöbb szilárd testben a részecskék térben rendezett elrendezése van, amelyek szabályos kristályrácsot alkotnak. Az anyagrészecskék (atomok, molekulák, ionok) a csúcsokban - a kristályrács csomópontjaiban - helyezkednek el. A kristályrács csomópontjai egybeesnek a részecskék stabil egyensúlyi helyzetével. Az ilyen szilárd anyagokat kristályosnak nevezzük.

Folyékony

A folyadékoknak van egy bizonyos térfogata, de nincs saját alakjuk, hanem az edény alakját veszik fel, amelyben vannak. A molekulák kölcsönhatásának minimális potenciális energiája összemérhető a molekulák kinetikai energiájával. Gyenge részecske-kölcsönhatás. A folyadékban lévő molekulák hőmozgását a molekula szomszédai által a molekula számára biztosított térfogaton belüli stabil egyensúlyi helyzet körüli rezgések fejezik ki. A molekulák nem mozoghatnak szabadon az anyag teljes térfogatában, de lehetséges a molekulák átmenete a szomszédos helyekre. Ez magyarázza a folyadék folyékonyságát, alakja megváltoztatásának képességét.

Folyadékokban a molekulákat vonzó erők elég erősen kötik egymáshoz, ez magyarázza a folyadék térfogatának invarianciáját. Folyadékban a molekulák közötti távolság megközelítőleg megegyezik a molekula átmérőjével. A molekulák közötti távolság csökkenésével (folyadék összenyomásával) a taszító erők meredeken növekednek, így a folyadékok összenyomhatatlanok. A folyadékok szerkezetüket és hőmozgás jellegüket tekintve egy közbenső helyet foglalnak el a szilárd anyagok és a gázok között. Bár a folyadék és a gáz között sokkal nagyobb a különbség, mint a folyadék és a szilárd anyag között. Például az olvadás vagy a kristályosodás során a test térfogata sokszor kisebb mértékben változik, mint párolgás vagy kondenzáció során.

A gázok nem állandó térfogatúak, és elfoglalják az edény teljes térfogatát, amelyben vannak. A molekulák kölcsönhatásának minimális potenciális energiája kisebb, mint a molekulák kinetikus energiája. Az anyagrészecskék gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba. A gázokat a molekulák elrendezésének és mozgásának teljes zavara jellemzi.

A gázmolekulák közötti távolság sokszorosa a molekulák méretének. A kis vonzási erők nem tudják egymás közelében tartani a molekulákat, így a gázok korlátlanul tágulhatnak. A gázok könnyen összenyomódnak külső nyomás hatására, mert. a molekulák közötti távolságok nagyok, és a kölcsönhatási erők elhanyagolhatóak. A gáz nyomását az edény falaira mozgó gázmolekulák becsapódása hozza létre.