Skysčių molekulinės sandaros ypatumai

Skystis pagal savybes ir struktūrą užima tarpinę padėtį tarp dujų ir kietų kristalinių medžiagų. Todėl jis turi savybių tiek dujinių, tiek kietosios medžiagos. Molekulinės kinetikos teorijoje skirtingos medžiagos agregatinės būsenos yra susijusios su skirtingu molekulinės tvarkos laipsniu. Kietosioms medžiagoms vadinamasis ilgalaikis užsakymas dalelių išsidėstymu, t.y. tvarkingas jų išdėstymas, pasikartojantis dideliais atstumais. Skysčiuose vadinamasis trumpo nuotolio užsakymas dalelių išsidėstymu, t.y. jų tvarkingas išdėstymas, pasikartojantis atstumu, yra panašus į tarpatominį. Esant temperatūrai, artimai kristalizacijos temperatūrai, skysčio struktūra yra artima kietos medžiagos struktūrai. Esant aukštai temperatūrai, artimai virimo temperatūrai, skysčio struktūra atitinka dujinę būseną – beveik visos molekulės dalyvauja chaotiškame šiluminiame judėjime.

Skysčiai, kaip ir kietos medžiagos, turi tam tikrą tūrį ir, kaip ir dujos, įgauna indo, kuriame yra, formą. Dujų molekulės praktiškai nėra tarpusavyje susijusios tarpmolekulinės sąveikos jėgų, o šiuo atveju vidutinė energija terminis judėjimas dujų molekulės yra daug didesnės už vidutinę potencinę energiją dėl tarp jų veikiančių traukos jėgų, todėl dujų molekulės išsisklaido įvairiomis kryptimis ir dujos užima joms suteiktą tūrį. Kietuose ir skystuose kūnuose traukos jėgos tarp molekulių jau yra reikšmingos ir išlaiko molekules tam tikru atstumu viena nuo kitos. Šiuo atveju vidutinė molekulių šiluminio judėjimo energija dėl tarpmolekulinės sąveikos jėgų yra mažesnė už vidutinę potencinę energiją ir jos nepakanka įveikti traukos jėgas tarp molekulių, todėl kietosios medžiagos ir skysčiai turi tam tikrą tūrį. .

Slėgis skysčiuose labai smarkiai didėja didėjant temperatūrai ir mažėjant tūriui. Skysčių tūrinis plėtimasis yra daug mažesnis nei garų ir dujų, nes jėgos, jungiančios molekules skystyje, yra reikšmingesnės; ta pati pastaba taikoma šiluminiam plėtimuisi.

Skysčių šiluminės talpos paprastai didėja didėjant temperatūrai (nors ir šiek tiek). C p /C V santykis praktiškai lygus vienetui.

Skysčių teorija iki šiol nėra iki galo išvystyta. Daugelio problemų, susijusių su sudėtingų skysčio savybių tyrimu, plėtra priklauso Ya.I. Frenkelis (1894–1952). Šiluminį judėjimą skystyje jis paaiškino tuo, kad kiekviena molekulė tam tikrą laiką svyruoja aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį, o po to peršoka į naują padėtį, kuri yra tarpatominio atstumo eilės atstumu nuo pradinės. Taigi skysčio molekulės gana lėtai juda per visą skysčio masę. Didėjant skysčio temperatūrai, svyruojančių judesių dažnis smarkiai padidėja, o molekulių mobilumas didėja.

Remiantis Frenkelio modeliu, galima kai ką paaiškinti skiriamieji bruožai skysčio savybės. Taigi skysčiai, net arti kritinės temperatūros, turi daug didesnę klampumas nei dujų, o klampumas mažėja kylant temperatūrai (o ne didėja, kaip dujose). Tai paaiškinama kitokiu impulsų perdavimo proceso pobūdžiu: jį perneša molekulės, kurios šokinėja iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą, ir šie šuoliai daugėja didėjant temperatūrai. Difuzija skysčiuose atsiranda tik dėl molekulinių šuolių, ir tai vyksta daug lėčiau nei dujose. Šilumos laidumas skysčiai atsiranda dėl kinetinės energijos mainų tarp dalelių, svyruojančių aplink savo pusiausvyros padėtis skirtingomis amplitudėmis; staigūs molekulių šuoliai nevaidina pastebimo vaidmens. Šilumos laidumo mechanizmas yra panašus į jo mechanizmą dujose. būdingas bruožas skystis yra jo gebėjimas turėti laisvas paviršius(neriboja vientisos sienos).

Buvo pasiūlyta keletas skysčių molekulinės struktūros teorijų.

1. Zonos modelis. AT Šis momentas Laikui bėgant, skystis gali būti laikomas susidedančiu iš sričių, kuriose molekulės išsidėsčiusios teisinga tvarka, sudarydamos savotišką mikrokristalą (zoną). Šios sritys yra tarsi atskirtos dujinės būsenos medžiaga. Laikui bėgant šios zonos susidaro kitose vietose ir pan.

2. Kvazikristalinės struktūros teorija. Apsvarstykite kristalą absoliučioje nulinėje temperatūroje (žr. 9.9 pav.)

Jame pasirenkame savavališką kryptį ir nubraižome tikimybės P rasti dujų molekulę tam tikru atstumu nuo kitos pradinėje vietoje esančios molekulės priklausomybę (9.9 pav.). a), o molekulės yra kristalinės gardelės mazguose. Esant aukštesnei temperatūrai (9.9 pav., b) molekulės svyruoja aplink fiksuotas pusiausvyros pozicijas, šalia kurių praleidžia didžiąją laiko dalį. Griežtas tikimybės maksimumų pasikartojimo periodiškumas idealiame kristale savavališkai tęsiasi nuo pasirinktos dalelės; todėl įprasta sakyti, kad kietajame kūne egzistuoja „ilgojo nuotolio tvarka“.

Skysčio atveju (9.9 pav., in) šalia kiekvienos molekulės, jos kaimynai išsidėstę daugiau ar mažiau reguliariai, tačiau toli ši tvarka pažeidžiama (trumpojo nuotolio tvarka). Grafike atstumai matuojami molekulės spindulio dalimis (r/r 0).

MOLEKULIŲ PASKIRSTYMAS POTENCIALIAME LAUKE

GRAVITACIJOS JĖGOS (BOLTZMANO PASKIRSTYMAS)

Išvedant pagrindinę dujų MKT lygtį ir Maksvelo pasiskirstymą, buvo daroma prielaida, kad išorinės jėgos neveikia dujų molekulių, o tai reiškia, kad molekulės tūryje pasiskirsto tolygiai. Tačiau bet kokių dujų molekulės visada yra potencialiame Žemės gravitacijos lauke. Viena vertus, gravitacija ir terminis molekulių judėjimas, kita vertus, sukelia tam tikrą stacionarią būseną, kai didėjant aukščiui dujų slėgis mažėja.

Gaukime slėgio kitimo su aukščiu dėsnį, darydami prielaidą, kad per visą aukštį: gravitacinis laukas yra vienodas (g = const); temperatūra ta pati (T = const); visų molekulių masės vienodos.

Tegul slėgis p yra aukštyje h. Tada aukštyje h + dh slėgis yra p + dp. Be to, jei dh > 0, tada dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Dabar arba .

Integruokime dešinę ir kairę puses:

; .

kur, . (26)

Tai vadinamoji barometrinė formulė. Tai leidžia nustatyti atmosferos slėgį kaip aukščio virš jūros lygio funkciją:

. (27)

Nes slėgis yra tiesiogiai proporcingas molekulių koncentracijai, tada galite gauti molekulių koncentracijos kitimo su aukščiu dėsnį su sąlyga, kad temperatūra nesikeičia atsižvelgiant į aukštį (T = const):

. (28)

Atsižvelgiant į tai, kad M = m∙N A ir R = k∙N A iš (27), gauname:

Nes mgh = U(h) yra vienos molekulės potencinė energija aukštyje h, tada

(30)

yra Boltzmann skirstinys.

SUSIDŪRIMO SKAIČIUS IR VIDUTINIS IDEALIŲ DUJŲ MOLEKULIŲ LAISVAS KELIAS.

Dėl chaotiško judėjimo dujų molekulės nuolat susiduria viena su kita. Tarp dviejų nuoseklių susidūrimų molekulė eina tam tikru keliu λ, kuris vadinamas vidutiniu laisvu keliu. . Bendru atveju šio kelio ilgis yra skirtingas, bet kadangi susidūrimų skaičius labai didelis, o judėjimas atsitiktinis, tuomet esant pastovioms išorinėms sąlygoms galime kalbėti apie Vidutinis ilgis laisvas bėgimas - . Jei tam tikrų dujų molekulės susiduria vidutiniškai 1 sekundę, tada

kur yra vidutinis aritmetinis molekulių greitis.

Idealiąsias dujų molekules laikome sferomis. Akivaizdu, kad susidūrimas įvyks, jei dvi molekulės priartės iki atstumo, lygaus dviem spinduliams, ty molekulių skersmuo d. Minimalus atstumas, kuriuo susidūrimo metu priartėja dviejų molekulių centrai, vadinamas efektyviuoju molekulių skersmeniu. Šis parametras priklauso nuo , taigi ir nuo dujų temperatūros.

Norėdami apibrėžti, įsivaizduokite molekulę, kurios efektyvusis skersmuo d, kuri juda dideliu greičiu tarp kitų molekulių, kurios tuo pat metu lieka nejudančios. Ši molekulė susidurs su visomis molekulėmis, kurių centrai yra „sulaužtame“ cilindre, kurio spindulys yra d. Tai reiškia, kad yra lygus šio cilindro tūrio molekulių skaičiui

čia n yra molekulių koncentracija, o V yra cilindro tūris: . Turint tai omenyje -

. (32)

Atsižvelgiant į kitų molekulių judėjimą, susidūrimų skaičius padidėja kelis kartus. Galiausiai z gauname:

. (33)

Tada (34)

Nes p ~ n, tada skirtingam išorinės sąlygos mes turime:

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

PERDAVIMO REIKŠINIAI

Termodinamikai nepusiausvyros sistemose, t.y. sistemose, kurių makroparametrų reikšmės (T, p, ) skirtinguose jo taškuose yra skirtingos, vyksta negrįžtami procesai, kurie vadinami transporto reiškiniai . Dėl tokių procesų energija perduodama iš vienos vietinės sistemos srities į kitą (šilumos laidumo reiškinys), masė (difuzijos reiškinys), impulsas (vidinė trintis), krūvis ir kt. Dėl to makroparametrų reikšmės suderinamos pagal sistemos tūrį. Akivaizdu, kad bet kokios vertės perkėlimas paaiškinamas tam tikro dalelių (molekulių ir atomų) skaičiaus perėjimu iš vietos į vietą dėl jų chaotiško judėjimo.

Gauname bendrąją transporto lygtį savavališkai. Išilgai nukreipkime ašį O X(3 pav.). Mintimis išskirkime plokštumos elementą, kurio plotas ∆S, statmeną O X. Dėl judėjimo atsitiktinumo per laiką ∆t per ∆S kryptimi O X perkelti N daleles:

(1)

Čia n yra molekulių (atomų) koncentracija ir jų vidutinis aritmetinis greitis. Praeidama per ∆S, kiekviena molekulė perduoda jai būdingą masę, krūvį, impulsą, energiją ar kai kurias kitas savo savybes. Vienos molekulės nešamo kiekio reikšmę pažymėkime raide φ. Tada per laiką ∆t per plotą ∆S O ašies kryptimi X kiekis bus perkeltas fizinis kiekis

(2).

Akivaizdu, kad jei koncentracija dešinėje taip pat yra n, tai tiek pat dalelių judės iš dešinės į kairę. Tie. gautas nešimas šiuo atveju nulis: ∆N = 0 ir ∆Nφ = 0.

Jeigu terpė nehomogeniška, t.y. arba dalelių koncentracija, arba dalelių φ reikšmės kairėje ir dešinėje yra nevienodos, tada bus labiau tikėtini perėjimai iš regionų, kuriuose (nφ) reikšmė didesnė, į sritį, kurioje ji mažesnė. Jeigu darysime prielaidą, kad (nφ) 1 > (nφ) 2, tai gautą φ reikšmės perkėlimą lems santykis: . (3)

Minuso ženklas (3) atspindi faktą, kad reikšmė (nφ) mažėja perdavimo kryptimi.

Išsiaiškinkime, kokiu atstumu nuo ∆S kairėje ir dešinėje turėtų būti imtos reikšmės (nφ). Nes pakeisti fizinės savybės molekulės įvyksta tik susidūrimo metu, o prieš susidūrimą kiekviena iš molekulių yra nuvažiavusi atstumą, lygų laisvajam keliui, tuomet galime manyti, kad (nφ) molekulės lieka nepakitusios atstumu, lygiu laisvam keliui į kairę ir į dešinę nuo ∆ S. Padalinkite ir padauginkite dešinę (3) pusę iš 2:

Kiekių pasiskirstymą bet kuria kryptimi lemia charakteristika, vadinama gradientu. Gradientas yra dydžio pokytis per atstumą, lygų ilgio vienetui.

Šiuo atveju taške su koordinatėmis X 2 perduodamos vertės reikšmė yra (nφ) 2, o taške X 1 – (nφ) 1 , tada pagal vertės nφ gradientą, perkeliamą išilgai O ašies X, reikėtų suprasti ryšį:

.

Tada nφ gradientas ∆S srityje.

. (5)

(5) yra bendroji perdavimo lygtis.

Difuzija yra medžiagos masės perkėlimas . Jei molekulių masės yra vienodos (m 0 = const), dujų temperatūra yra vienoda tūrio (T = const) ir greičių pasiskirstymas yra vienodas tūryje ( = const), pakeičiant molekulės masę. molekulė (5), o ne φ, gauname:

Arba . (6)

Tai yra Ficko dėsnis. D = difuzijos koeficientas. [D] \u003d m 2 / s.

Šilumos laidumas yra energijos perdavimas . Jei molekulių koncentracija visame dujų tūryje (n \u003d const), molekulių masės yra vienodos (m 0 \u003d const), greičių pasiskirstymas tūryje yra tolygus ( \u003d const), ir vienos molekulės transliacinio judėjimo vidutinę kinetinę energiją, gauname Furjė dėsnį:

, arba . (7)

- šilumos laidumo koeficientas. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

Klampumas – tai impulso perdavimas tarp lygiagrečių sluoksnių, kurie tvarkingai juda greičiu u 1 ir u 2. Su sąlyga, kad visame dujų tūryje molekulių koncentracija yra n = const, molekulių masės yra vienodos (m 0 = const), greičių pasiskirstymas tūryje yra tolygus ( = const), o impulsas vienos molekulės modulis, susietas su tvarkingo sluoksnių judėjimo greičiu φ = p = m 0 u, sluoksnių sąveikos jėgos impulsui turime:

Arba . ()

Tai Niutono lygtis, kuri nustato vidinės trinties jėgos (klampumo) dydį. yra skersinis greičio gradientas, apibūdinantis greičio kitimo kryptimi greitį X statmenai trinamųjų sluoksnių judėjimui. η – dinaminis klampos koeficientas . [η] = Pa s.

MOLEKULINĖS JĖGOS

Molekulių sąveikos jėgos arba, kaip jos dar vadinamos, Van der Waals jėgos, savo prigimtimi yra elektrinės. Tai įkrautų dalelių, sudarančių atomus ir molekules, sąveikos Kulono jėgos. Jie atsiranda atstumu, atitinkančiu pačių molekulių dydį, ir labai greitai mažėja didėjant atstumui. Tuo pačiu metu traukos jėgos (priešingų krūvių sąveika) ir atstumiančios jėgos (panašių krūvių sąveika) veikia vienu metu. Nes tikrosios dalelės nėra taškinės, tada šių jėgų dydis įvairiais būdais priklauso nuo atstumo tarp jų.

Yra trijų tipų van der Waals jėgos:

a) orientacija - veikia tarp polinių molekulių:

,

čia р – dalelių elektrinis dipolio momentas, r – atstumas tarp jų, k – Boltzmanno konstanta, Т – termodinaminė temperatūra.

b) indukcija – apibūdinti molekulių sąveiką, poliarizaciją

krūviai, atsirandantys veikiant gretimų dalelių elektriniams laukams:

.

Čia: р ind = ε 0 αЕ – įgytas dalelių elektrinis dipolio momentas; α yra molekulių poliarizacija.

in) dispersija - nustatyti molekulių, kuriose atsitiktinai atsiranda asimetrinis krūvio pasiskirstymas, sąveiką elektronams judant orbitomis, dėl kurių susidaro momentiniai dipoliai:

.

Apskritai, visų trijų tipų jėgos gali veikti vienu metu:

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

Panagrinėkime tarpmolekulinės sąveikos jėgų priklausomybę nuo atstumo. Traukos jėgos F pr laikomos neigiamomis, o atstūmimo jėgos F nuo – teigiamomis. Šių jėgų suma duoda rezultatą - Fres = f(r). Tam tikru atstumu r 0 tarp molekulių |F pr | = |F iš | ir gauta jėga F \u003d F pr + F iš \u003d 0. Jei r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , tada vyrauja traukos jėgos. Tačiau esant r > 10–9 m atstumui, van der Waalso jėgos greitai nulinės.

Sąveikaujančių molekulių sistemai būdingas tam tikras potencialios energijos rezervas, kuris kompleksiškai priklauso nuo r, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 ir 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.

Mažiausia potenciali sąveikos energija vadinama molekulių surišimo energija. Tai lygu darbui, kurį reikia atlikti prieš traukos jėgas, kad būtų atskirtos pusiausvyros molekulės.

Mažiausios potencialios energijos (E p min) ir dvigubos vidutinės šiluminio judėjimo energijos vertės vienam laisvės laipsniui santykis yra medžiagos agregacijos būsenos kriterijus. Jeigu:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – skystis;

c) E p min >> kT yra kietas kūnas.

Taigi bet kuri medžiaga, priklausomai nuo temperatūros, gali būti dujinės, skystos arba kietos agregacijos būsenos.

DUJŲ, SKYSČIŲ IR KIETŲ KŪNŲ STRUKTŪRINĖS SAVYBĖS

R. N. Grabovskis. Fizikos kursas. 1980, 168-174 p.

TIKROS DUJOS

Molekulinės kinetinės teorijos lygtys gana gerai apibūdina tikrų dujų elgseną esant pakankamai aukštai temperatūrai ir žemam slėgiui. Tai suprantama, nes tokia būsena tikros dujos arčiausiai idealiųjų dujų modelio, kurio pagrindu gaunamos visos MKT išvados. Tačiau didėjant slėgiui ir mažėjant temperatūrai, vidutinis atstumas tarp molekulių mažėja ir didėja molekulinės sąveikos jėgos. Pavyzdžiui, adresu n.o. molekulių tūris yra 1/10000 dujų užimamo tūrio, o esant 500 atm (500 MPa) slėgiui tai jau bus pusė viso dujų tūrio. Visiškai akivaizdu, kad tokiomis sąlygomis MKT dėsniai nustoja veikti, pavyzdžiui, PV ¹ const, kai T = const.

Taigi, uždavinys – gauti tokią realių dujų būsenos lygtį, kurioje būtų atsižvelgta į molekulių tūrį ir jų sąveiką.

©2015-2019 svetainė
Visos teisės priklauso jų autoriams. Ši svetainė nepretenduoja į autorystę, tačiau suteikia galimybę nemokamai naudotis.
Puslapio sukūrimo data: 2016-02-13

Šio skyriaus uždaviniuose jie daugiausia akcentuoja mintį, kad molekulės dujose yra išsidėsčiusios didesniais atstumais nei skysčiuose ir kietose medžiagose, traukos jėgos tarp jų yra nereikšmingos, todėl dujos užima didelį tūrį. (Panašus teiginys apie skysčius ir kietas medžiagas paprastai yra klaidingas. Kalbant apie kietąsias medžiagas, molekulių tvarka taip pat yra labai svarbi.)

Antroji sąvoka, kuri susidaro VI klasėje sprendžiant šio skyriaus uždavinius, yra molekulių judėjimo dujose, skysčiuose ir kietose medžiagose pobūdžio skirtumas.

58 straipsnio e punktas. Bulvių pistolete pagaliuku judindami kamštį (14 pav.), stebėkite oro tūrio mažėjimą. Atlikite tą patį eksperimentą, užpildydami vamzdelį vandeniu. Paaiškinkite vandens ir oro suspaudžiamumo skirtumą pagal medžiagų molekulinę struktūrą.

59. Kaip paaiškinti, kad verdant vandenį susidarantys garai virimo temperatūroje užima apie 1700 kartų daugiau tūrio nei vanduo?

Atsakymas. Garų molekulės yra viena nuo kitos tokiais dideliais atstumais, kad traukos jėgos tarp jų yra nereikšmingos ir todėl negali sukelti garų kondensacijos tam tikroje temperatūroje (tam tikru molekuliniu greičiu).

60 (e). Supilkite pusę vandens į metro stiklinį vamzdelį, ant viršaus supilkite alkoholį ir išmaišykite. Kaip po to pasikeitė skysčio tūris? Paaiškink kodėl.

Atsakymas. Bendras tūris sumažėjo dėl tankesnio molekulių pakavimo.

61. Mokslininkas Bridžmanas su didele jėga išspaudė aliejų plieniniame cilindre. Kaip paaiškinti, kad ant išorinių cilindro sienelių kyšojo alyvos dalelės, nors jose nebuvo jokių įtrūkimų?

62. Jei suspausite švino ir aukso plokšteles, tai po kurio laiko aukse galite rasti švino molekulių, o švino - aukso molekulių. Paaiškink kodėl.

61 ir 62 uždavinių sprendimas. Kietosiose medžiagose ir skysčiuose tarp molekulių yra nedideli tarpai, nepaisant jų tankumo. Molekulės juda pirmiausia dėl vibracijos. Vaizdas primena žmones sausakimšame autobuse, kurie, nepaisydami ankštumo, juda, keisdamiesi vietomis tarpusavyje arba eidami atsitiktinai suformuotais perėjimais.

63 straipsnio e punktas. Apžiūrėkite žėručio plokštelę ir padalinkite ją į plonesnius lapus. Sulaužykite ir ištirkite didelius gabalus Valgomoji druska. Kaip, remiantis medžiagos molekuline sandara, galima paaiškinti nevienodas žėručio ir druskos savybes skirtingomis kryptimis?

64 straipsnio e punktas. Sulaužykite pikio gabalėlį ir paaiškinkite, kodėl lūžus visada susidaro lygus paviršius.

Atsakymas. Var yra sutirštintas skystis, todėl jo molekulės nesudaro teisingai besikeičiančių sluoksnių, kaip kristaliniame kūne.

Dujų, skysčių ir kietųjų medžiagų struktūra. Sprendimų struktūros ypatumai. „Reaktyvaus lauko“ sąvoka
Skysčių sandaros teorija: palyginimas su dujų ir kietųjų kūnų sandara Skysčių sandara (struktūra). Skysčių struktūrą šiuo metu atidžiai tiria fizikiniai chemikai. Šios krypties tyrimams taikomi moderniausi metodai, įskaitant spektrinius (IR, BMR, įvairių bangų ilgių šviesos sklaidos), rentgeno spindulių sklaidos, kvantinio mechaninio ir statistinio skaičiavimo metodus ir kt. Skysčių teorija yra daug mažiau išvystyta nei dujų, nes skysčių savybės priklauso nuo glaudžiai išdėstytų molekulių geometrijos ir poliškumo. Be to, dėl specifinės skysčių struktūros nebuvimo sunku įforminti jų aprašymą – daugumoje vadovėlių skysčiams pateikiama daug mažiau vietos nei dujos ir kristalinės kietosios medžiagos. Kokios yra kiekvienos iš trijų agreguotų medžiagų būsenų: kietos, skystos ir dujinės savybės. (lentelė)
1) Kietas: kūnas išlaiko apimtį ir formą
2) Skysčiai išlaiko tūrį, bet lengvai keičia formą.
3) Dujos neturi nei formos, nei tūrio.

Šios tos pačios medžiagos būsenos skiriasi ne molekulių rūšimi (tai ta pati), o molekulių išsidėstymo ir judėjimo būdu.
1) Dujose atstumas tarp molekulių yra didelis daugiau dydžių pačios molekulės
2) Skysčio molekulės nesiskiria dideliais atstumais ir skystis normaliomis sąlygomis išlaiko savo tūrį.
3) Kietųjų kūnų dalelės išsidėsčiusios tam tikra tvarka. Kiekviena dalelė juda aplink tam tikrą kristalinės gardelės tašką, kaip laikrodžio švytuoklė, tai yra, ji svyruoja.
Temperatūrai nukritus, skysčiai kietėja, o pakilę virš virimo temperatūros pereina į dujinę būseną. Vien šis faktas rodo, kad skysčiai užima tarpinę padėtį tarp dujų ir kietųjų medžiagų, skiriasi nuo abiejų. Tačiau skystis turi panašumų su kiekviena iš šių būsenų.
Yra temperatūra, kuriai esant riba tarp dujų ir skysčio visiškai išnyksta. Tai vadinamasis kritinis taškas. Kiekvienoms dujoms yra žinoma temperatūra, virš kurios jos negali būti skystos esant bet kokiam slėgiui; esant šiai kritinei temperatūrai, išnyksta riba (meniskas) tarp skysčio ir jo sočiųjų garų. Kritinės temperatūros („absoliutaus virimo taško“) egzistavimą 1860 m. nustatė DIMendelejevas. Antroji skysčius ir dujas jungianti savybė yra izotropija. Tai yra, iš pirmo žvilgsnio galima daryti prielaidą, kad skysčiai yra arčiau dujų nei kristalai. Kaip ir dujos, taip ir skysčiai yra izotropiniai, t.y. jų savybės visomis kryptimis vienodos. Priešingai, kristalai yra anizotropiniai: kristalų lūžio rodiklis, gniuždymas, stiprumas ir daugelis kitų savybių skirtingomis kryptimis skiriasi. Kietosios kristalinės medžiagos turi tvarkingą struktūrą su pasikartojančiais elementais, todėl jas galima tirti rentgeno spindulių difrakcija (rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodas taikomas nuo 1912 m.).

Kas bendro tarp skysčių ir dujų?
A) izotropinis. Skysčio, kaip ir dujų, savybės visomis kryptimis yra vienodos, t.y. yra izotropiniai, skirtingai nei kristalai, kurie yra anizotropiniai.
B) Skysčiai, kaip ir dujos, neturi apibrėžtos formos ir įgauna indo formą (mažas klampumas ir didelis sklandumas).
Molekulės, skysčiai ir dujos gana laisvai juda, susiduria viena su kita. Anksčiau buvo manoma, kad skysčio užimamame tūryje bet koks atstumas, viršijantis jų spindulių sumą, buvo laikomas vienodai tikėtinas, t.y. buvo paneigta tendencija į tvarkingą molekulių išdėstymą. Taigi tam tikru mastu skysčiai ir dujos buvo priešingi kristalams.
Vykstant tyrimams, daugiau faktai parodė, kad yra panašumų tarp skysčių ir kietųjų medžiagų struktūros. Pavyzdžiui, šiluminės talpos ir suspaudimo koeficientų vertės, ypač šalia lydymosi temperatūros, praktiškai sutampa, o skysčio ir dujų vertės smarkiai skiriasi.
Jau iš šio pavyzdžio galima daryti išvadą, kad šiluminio judėjimo vaizdas skysčiuose, kurių temperatūra artima kietėjimo temperatūrai, primena šiluminį judėjimą kietose medžiagose, o ne dujose. Be to, taip pat galima pastebėti tokius reikšmingus dujinės ir skystos medžiagos būsenų skirtumus. Dujose molekulės erdvėje pasiskirsto visiškai atsitiktinai, t.y. pastarasis laikomas bestruktūrinio ugdymo pavyzdžiu. Skystis vis dar turi tam tikrą struktūrą. Tai eksperimentiškai patvirtina rentgeno spindulių difrakcija, kuri rodo bent vieną aiškų maksimumą. Skysčio struktūra yra būdas, kuriuo jo molekulės pasiskirsto erdvėje. Lentelėje iliustruojami dujų ir skysčio būsenų panašumai ir skirtumai.
Dujinė fazė Skysta fazė
1. Atstumas tarp molekulių l paprastai (esant žemam slėgiui) yra daug didesnis už molekulės spindulį r: l  r ; praktiškai visas tūris V, kurį užima dujos, yra laisvas tūris. Skystoje fazėje, atvirkščiai, l 2. Vidutinė dalelių kinetinė energija, lygi 3/2kT, yra didesnė už jų tarpmolekulinės sąveikos potencinę energiją U. Molekulių sąveikos potenciali energija yra didesnė už vidutinę. jų judėjimo kinetinė energija: U3/2 kT
3. Dalelės susiduria savo transliacinio judėjimo metu, susidūrimo dažnio koeficientas priklauso nuo dalelių masės, dydžio ir temperatūros.Kiekviena dalelė svyruoja ją supančių molekulių sukurtame narve. Virpesių amplitudė a priklauso nuo laisvojo tūrio, a  (Vf/L)1/3
4. Dalelių difuzija vyksta dėl jų transliacinio judėjimo, difuzijos koeficientas D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) ir priklauso nuo dujų slėgio
(D  p-1) Difuzija įvyksta dalelėms šokinėjant iš vienos ląstelės į kitą su aktyvacijos energija ED,
D  e-ED/RT neklampiuose skysčiuose
D  0,3 - 3 cm2 / parą.
5. Dalelė sukasi laisvai, sukimosi dažnį r lemia tik dalelės inercijos momentas ir temperatūra, sukimosi dažnis r T1/2 Er/RT
Tačiau skystoji būsena yra artima kietajai pagal daugelį svarbių rodiklių (kvazikristališkumas). Eksperimentinių faktų kaupimas parodė, kad skysčiai ir kristalai turi daug bendro. Fizikiniai ir cheminiai atskirų skysčių tyrimai parodė, kad beveik visi jie turi tam tikrus kristalinės struktūros elementus.
Pirma, tarpmolekuliniai atstumai skystyje yra artimi atstumams kietajame kūne. Tai įrodo faktas, kad pastariesiems tirpstant medžiagos tūris pakinta nežymiai (dažniausiai padidėja ne daugiau kaip 10%). Antra, tarpmolekulinės sąveikos energija skystyje ir kietoje medžiagoje skiriasi nežymiai. Tai išplaukia iš to, kad lydymosi šiluma yra daug mažesnė nei garavimo šiluma. Pavyzdžiui, vandeniui Hpl= 6 kJ/mol, o Hsp= 45 kJ/mol; benzenui Hpl = 11 kJ/mol, o Htest = 48 kJ/mol.
Trečia, medžiagos šiluminė talpa lydymosi metu kinta labai mažai, t.y. ji artima abiem šioms valstybėms. Iš to išplaukia, kad dalelių judėjimo pobūdis skystyje yra artimas kietosios medžiagos judėjimui. Ketvirta, skystis, kaip ir kietas kūnas, nesulaužydamas gali atlaikyti dideles tempimo jėgas.
Skysčio ir kieto kūno skirtumas slypi sklandumu: kieta medžiaga išlaiko formą, skystis ją lengvai pakeičia net ir įdėjus mažų pastangų. Šios savybės kyla iš tokių skysčio struktūros ypatybių kaip stipri tarpmolekulinė sąveika, trumpalaikė molekulių išsidėstymo tvarka ir molekulių gebėjimas palyginti greitai pakeisti savo padėtį. Kaitinant skystį nuo užšalimo taško iki virimo, jo savybės sklandžiai keičiasi, kaitinant palaipsniui didėja panašumai su dujomis.
Kiekvienas iš mūsų gali lengvai prisiminti daugybę medžiagų, kurias laiko skysčiais. Tačiau tiksliai apibrėžti šią materijos būseną nėra taip paprasta, nes skysčiai turi tokias fizines savybes, kad kai kuriais atžvilgiais jie primena kietas medžiagas, o kitais - dujas. Skysčių ir kietųjų medžiagų panašumas ryškiausias stiklinėse medžiagose. Jų perėjimas iš kieto į skystą didėjant temperatūrai vyksta palaipsniui, o ne kaip ryškus lydymosi taškas, jie tiesiog tampa minkštesni ir minkštesni, todėl neįmanoma nurodyti, kuriame temperatūros diapazone jie turėtų būti vadinami kietosiomis medžiagomis, o kuriame - vadinami skysčiais. Galime tik pasakyti, kad stiklinės medžiagos klampumas skystoje būsenoje yra mažesnis nei kietos būsenos. Todėl kieti stiklai dažnai vadinami peršaldytais skysčiais. Matyt, labiausiai būdinga savybė skysčių, kuo jie skiriasi nuo kietųjų medžiagų, yra mažas jų klampumas, t.y. didelis sklandumas. Jos dėka jie įgauna indo, kuriame pilami, formą. Molekuliniu lygmeniu didelis sklandumas reiškia santykinai didelę skysčio dalelių laisvę. Tuo skysčiai primena dujas, nors skysčių tarpmolekulinės sąveikos jėgos didesnės, molekulės yra arčiau ir labiau apribotos savo judėjimu.
Į tai, kas pasakyta, galima žiūrėti ir kitaip – ​​tolimojo ir trumpojo nuotolio tvarkos idėjos požiūriu. Ilgo nuotolio tvarka egzistuoja kristalinėse kietosiose medžiagose, kurių atomai yra išsidėstę griežtai tvarkingai, sudarydami trimates struktūras, kurias galima gauti pakartotinai kartojant vienetinę ląstelę. Skysčiuose ir stikluose nėra ilgalaikės tvarkos. Tačiau tai nereiškia, kad jie apskritai nėra užsakyti. Visų atomų artimiausių kaimynų skaičius yra beveik vienodas, tačiau atomų išsidėstymas tolstant nuo bet kurios pasirinktos padėties tampa vis chaotiškesnis. Taigi tvarka egzistuoja tik nedideliais atstumais, todėl ir pavadinimas: trumpojo nuotolio tvarka. Tinkamą matematinį skysčio struktūros aprašymą galima pateikti tik statistinės fizikos pagalba. Pavyzdžiui, jei skystis susideda iš identiškų sferinių molekulių, tai jo struktūrą galima apibūdinti radialinio pasiskirstymo funkcija g(r), kuri suteikia tikimybę rasti bet kurią molekulę atstumu r nuo duotosios, pasirinktos kaip atskaitos taškas. . Eksperimentiškai šią funkciją galima rasti tiriant rentgeno spindulių ar neutronų difrakciją, o atsiradus greitaeigiams kompiuteriams, ji pradėta skaičiuoti metodu kompiuterinis modeliavimas, remiantis turimais duomenimis apie tarp molekulių veikiančių jėgų prigimtį arba prielaidomis apie šias jėgas, taip pat Niutono mechanikos dėsniais. Lyginant teoriškai ir eksperimentiškai gautas radialinio pasiskirstymo funkcijas, galima patikrinti prielaidų apie tarpmolekulinių jėgų prigimtį teisingumą.
Organinėse medžiagose, kurių molekulės yra pailgos formos, viename ar kitame temperatūrų intervale kartais randama skystosios fazės sričių, turinčių tolimą orientacinę tvarką, kuri pasireiškia polinkiu lygiagrečiai išsirikiuoti ilgosioms kūno ašims. molekules. Šiuo atveju orientacinį išdėstymą gali lydėti molekulinių centrų koordinavimo tvarka. Šio tipo skystosios fazės paprastai vadinamos skystaisiais kristalais. Skystųjų kristalų būsena yra tarpinė tarp kristalinės ir skystos. Skystieji kristalai turi ir sklandumą, ir anizotropiją (optinę, elektrinę, magnetinę). Kartais ši būsena vadinama mezomorfine (mezofaze), nes nėra ilgalaikės tvarkos. Viršutinė egzistavimo riba yra nušvitimo temperatūra (izotropinis skystis). Termotropiniai (mezogeniniai) FA egzistuoja virš tam tikros temperatūros. Tipiški yra cianobifenilai. Liotropinis – kai ištirpsta, pavyzdžiui, vandeniniai muilo tirpalai, polipeptidai, lipidai, DNR. Skystųjų kristalų tyrimas (mezofazė – lydymas dviem etapais – drumstas lydalas, po to skaidrus, perėjimas iš kristalinės fazės į skystą per tarpinę formą, turinčią anizotropines optines savybes) svarbus technologijos – skystųjų kristalų indikacijos – tikslams.
Molekulės dujose juda atsitiktinai (atsitiktinai). Dujose atstumas tarp atomų ar molekulių yra vidutiniškai daug kartų didesnis nei pačių molekulių dydis. Dujose esančios molekulės juda dideliu greičiu (šimtai m/s). Susidūrę jie atsimuša vienas į kitą kaip tobulai elastingi rutuliai, keisdami greičių dydį ir kryptį. Esant dideliems atstumams tarp molekulių, traukos jėgos yra mažos ir nepajėgios išlaikyti dujų molekulių šalia viena kitos. Todėl dujos gali plėstis neribotą laiką. Dujos lengvai suspaudžiamos, vidutinis atstumas tarp molekulių mažėja, bet vis tiek išlieka didelio dydžio. Dujos neišlaiko nei formos, nei tūrio, jų tūris ir forma sutampa su indo, kurį jos užpildo, tūriu ir forma. Daugybė molekulių poveikio indo sienelėms sukuria dujų slėgį.
Kietųjų medžiagų atomai ir molekulės vibruoja aplink tam tikras pusiausvyros padėtis. Todėl kietosios medžiagos išlaiko ir tūrį, ir formą. Jei mintyse sujungsite kieto kūno atomų ar jonų pusiausvyros padėčių centrus, gausite kristalinę gardelę.
Skysčio molekulės yra beveik arti viena kitos. Todėl skysčiai labai prastai suspaudžiami ir išlaiko savo tūrį. Skysčio molekulės vibruoja aplink pusiausvyros padėtį. Kartkartėmis molekulė pereina iš vienos nusistovėjusios būsenos į kitą, kaip taisyklė, išorinės jėgos veikimo kryptimi. Molekulės nusistovėjusios būsenos laikas yra mažas ir mažėja didėjant temperatūrai, o molekulės perėjimo į naują nusistovėjusią būseną laikas dar trumpesnis. Todėl skysčiai yra skysti, neišlaiko formos ir įgauna indo, į kurį pilami, formą.

Kinetinė skysčių teorija Ya. I. Frenkelio sukurta skysčių kinetinė teorija skystį laiko dinamiška sistema dalelės, iš dalies panašios į kristalinę būseną. Esant temperatūrai, artimai lydymosi temperatūrai, šiluminis judėjimas skystyje daugiausia sumažėja iki harmoninių dalelių virpesių aplink tam tikras vidutines pusiausvyros padėtis. Priešingai nei kristalinėje būsenoje, šios pusiausvyros molekulių padėtys skystyje yra laikinos kiekvienai molekulei. Kurį laiką t svyravusi aplink vieną pusiausvyros padėtį, molekulė peršoka į naują padėtį, esančią kaimynystėje. Toks šuolis įvyksta sunaudojus energiją U, todėl „nusistovėjusio gyvenimo“ laikas t priklauso nuo temperatūros taip: t = t0 eU/RT, kur t0 yra vieno svyravimo aplink pusiausvyros padėtį periodas. Kambario temperatūros vandeniui t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, t.y. viena molekulė, padariusi apie 100 virpesių, peršoka į naują padėtį, kur toliau svyruoja. Iš rentgeno spindulių ir neutronų sklaidos duomenų galima apskaičiuoti dalelių pasiskirstymo tankio funkciją  priklausomai nuo atstumo r nuo vienos dalelės, pasirinktos centru. Esant ilgalaikei tvarkai kristalinėje kietoje medžiagoje, funkcija (r) turi keletą skirtingų maksimumų ir minimumų. Dėl didelio dalelių mobilumo skystyje išsaugoma tik trumpo nuotolio tvarka. Tai aiškiai išplaukia iš skysčių rentgeno paveikslų: funkcija (r) skysčiui turi aiškų pirmąjį maksimumą, difuzinę antrąją, o tada (r) = const. Kinetinė teorija lydymą apibūdina taip. Kietosios medžiagos kristalinėje gardelėje visada yra nedaug laisvų vietų (skylių), kurios lėtai klaidžioja aplink kristalą. Kuo temperatūra arčiau lydymosi temperatūros, tuo didesnė „skylių“ koncentracija ir tuo greičiau jos juda per mėginį. Lydymosi taške „skylių“ formavimosi procesas įgauna lavina primenantį kooperacinį pobūdį, dalelių sistema tampa dinamiška, išnyksta tolimoji tvarka, atsiranda sklandumas. Lydymosi metu lemiamą vaidmenį atlieka laisvo skysčio tūrio susidarymas, dėl kurio sistema tampa skysta. Svarbiausias skirtumas tarp skysto ir kieto kristalinio kūno yra tas, kad skystyje yra laisvas tūris, kurio nemaža dalis turi svyravimų („skylių“) formą, kurios klajojimas per skystį suteikia jam tokį tūrį. būdinga savybė kaip sklandumas. Tokių „skylių“ skaičius, jų tūris ir mobilumas priklauso nuo temperatūros. Esant žemai temperatūrai, skystis, jei jis nevirto kristaliniu kūnu, dėl sumažėjusio „skylių“ tūrio ir judrumo tampa amorfine kieta medžiaga, kurios skystis labai mažas. Taip pat kaip kinetinė teorija Pastaraisiais dešimtmečiais sėkmingai plėtojama statistinė skysčių teorija.

Ledo ir vandens struktūra. Svarbiausias ir įprastas skystis normaliomis sąlygomis yra vanduo. Tai labiausiai paplitusi molekulė Žemėje! Tai puikus tirpiklis. Pavyzdžiui, visuose biologiniuose skysčiuose yra vandens. Vanduo ištirpina daug neorganinių (druskų, rūgščių, bazių) ir organinių medžiagų (alkoholių, cukrų, karboksirūgštys, aminai). Kokia šio skysčio struktūra? Vėl teks grįžti prie klausimo, kurį nagrinėjome pirmoje paskaitoje, būtent prie tokios specifinės tarpmolekulinės sąveikos kaip vandenilio ryšys. Vanduo, tiek skystas, tiek kristalinis, pasižymi neįprastomis savybėmis būtent dėl ​​to, kad jame yra daug vandenilinių jungčių. Kokios yra šios nenormalios savybės: aukšta virimo temperatūra, aukšta lydymosi temperatūra ir didelė garavimo entalpija. Pirmiausia pažiūrėkime į grafiką, tada į lentelę, o tada į vandenilio ryšio diagramą tarp dviejų vandens molekulių. Tiesą sakant, kiekviena vandens molekulė aplink save koordinuoja 4 kitas vandens molekules: dvi dėl deguonies, kaip dviejų vienišų elektronų porų donoras į du protonuotus vandenilius, ir dvi dėl protonuotų vandenilių, derančių su kitų vandens molekulių deguonimi. Ankstesnėje paskaitoje parodžiau jums skaidrę su VI grupės hidridų lydymosi temperatūros, virimo temperatūros ir garavimo entalpijos grafikais, priklausomai nuo laikotarpio. Šios priklausomybės turi aiškią deguonies hidrido anomaliją. Visi šie vandens parametrai yra pastebimai aukštesni nei tie, kurie buvo numatyti iš beveik tiesinės priklausomybės šiems sieros, seleno ir telūro hidridams. Mes tai paaiškinome vandenilio jungtimi tarp protonizuoto vandenilio ir elektronų tankio akceptoriaus deguonies. Vandenilio jungtis sėkmingiausiai ištirta naudojant vibracinę infraraudonąją spektroskopiją. Laisvoji OH grupė turi būdingą vibracinę energiją, dėl kurios OH ryšys pakaitomis pailgėja ir trumpėja, todėl molekulės infraraudonųjų spindulių sugerties spektre susidaro būdinga juosta. Tačiau jei OH grupė dalyvauja vandeniliniame ryšyje, vandenilio atomas yra surištas atomais iš abiejų pusių ir taip jo vibracija „slopinama“ ir dažnis mažėja. Toliau pateiktoje lentelėje parodyta, kad vandenilinės jungties stiprumo ir „koncentracijos“ padidėjimas sumažina absorbcijos dažnį. Paveiksle 1 kreivė atitinka didžiausią infraraudonųjų spindulių sugerties spektrą O-H grupių lede (kur visos H jungtys yra susietos); 2 kreivė atitinka didžiausią grupių infraraudonųjų spindulių sugerties spektrą O-N asmuo CCl4 ištirpusios H2O molekulės (kur nėra H jungčių - H2O tirpalas CCl4 yra per praskiestas); o kreivė 3 atitinka skysto vandens sugerties spektrą. Jei skystas vanduo turėtų du O-N klasės grupės – sudaro vandenilinius ryšius ir jų nesudaro – ir kai kurios O-N grupės vandenyje jie vibruotų taip pat (tokiu pat dažniu), kaip ir lede (kur susidaro H ryšiai), o kiti - kaip CCl4 aplinkoje (kur nesudaro H jungčių). Tada vandens spektras turėtų du maksimumus, atitinkančius du O-H teigia grupės, joms būdingi du svyravimų dažniai: kokiu dažniu grupė vibruoja, tuo sugeria šviesą. Tačiau „dviejų maksimumų“ vaizdas nesilaikomas! Vietoj to 3 kreivėje matome vieną labai neryškų maksimumą, besitęsiantį nuo 1 kreivės maksimumo iki 2 kreivės maksimumo. Tai reiškia, kad visos OH grupės skystame vandenyje sudaro vandenilio ryšius, tačiau visų šių ryšių energija skiriasi. palaidi“ (turi skirtingą energiją), ir skirtingais būdais. Tai rodo, kad vaizdas, kuriame kai kurios vandenilio jungtys vandenyje nutrūksta, o kai kurios išlaikomos, griežtai tariant, yra neteisingas. Tačiau jis yra toks paprastas ir patogus vandens termodinamines savybes apibūdinti, kad jis plačiai naudojamas – ir mes tuo remsimės. Tačiau atminkite, kad tai nėra visiškai tikslus.
Taigi IR spektroskopija yra galingas vandenilinio ryšio tyrimo metodas, o naudojant šį spektrinį metodą buvo gauta daug duomenų apie su ja susijusių skysčių ir kietųjų medžiagų struktūrą. Dėl to skystam vandeniui į ledą panašus modelis (O.Ya. Samoilovo modelis) yra vienas iš labiausiai pripažintų. Pagal šį modelį skystas vanduo yra sutrikdytas dėl šiluminio judėjimo (šiluminio judėjimo įrodymai ir pasekmės - Brauno judesys, kurį pirmą kartą 1827 metais ant žiedadulkių mikroskopu pastebėjo anglų botanikas Robertas Brownas) į ledą panašus tetraedrinis rėmas (kiekviena vandens molekulė ledo kristale yra sujungta vandeniliniais ryšiais, kurių energija yra mažesnė, palyginti su ledo jungtimi – „laisva“). vandenilio ryšiai) su keturiomis jį supančiomis vandens molekulėmis), šio rėmo tuštumos yra iš dalies užpildytos vandens molekulėmis, o vandens molekulės, esančios tuštumose ir į ledą panašių karakasų mazguose, yra energetiškai nelygios.

Skirtingai nuo vandens, ledo kristale kristalinės gardelės mazguose yra vienodos energijos vandens molekulės ir jos gali atlikti tik svyruojantys judesiai. Tokiame kristale egzistuoja tiek trumpojo, tiek ilgo nuotolio tvarka. Skystame vandenyje (kaip ir poliniame skystyje) kai kurie kristalinės struktūros elementai išsaugomi (be to, net ir dujų fazėje skystos molekulės suskirstytos į mažas nestabilias sankaupas), tačiau tolimos tvarkos nėra. Taigi skysčio struktūra skiriasi nuo dujų struktūros, kai yra trumpojo nuotolio tvarka, bet skiriasi nuo kristalo struktūros, kai nėra ilgo nuotolio tvarkos. Įtikinamiausias to įrodymas yra rentgeno spindulių sklaidos tyrimas. Trys kiekvienos molekulės kaimynai skystame vandenyje yra viename sluoksnyje ir yra didesniu atstumu nuo jo (0,294 nm) nei ketvirtoji molekulė nuo gretimo sluoksnio (0,276 nm). Kiekviena vandens molekulė į ledą panašaus karkaso sudėtyje sudaro vieną veidrodinį simetrišką (stiprią) ir tris centre simetriškus (mažiau stiprius) ryšius. Pirmasis susijęs su ryšiais tarp tam tikro sluoksnio vandens molekulių ir gretimų sluoksnių, likusi dalis - su ryšiais tarp vieno sluoksnio vandens molekulių. Todėl ketvirtadalis visų jungčių yra veidrodiškai simetriškos, o trys ketvirtadaliai – centriškai simetriškos. Vandens molekulių tetraedrinės aplinkos samprata leido daryti išvadą, kad jos struktūra yra labai ažūrinė ir joje yra tuštumų, kurių matmenys yra lygūs arba didesni už vandens molekulių matmenis.

Skysto vandens sandaros elementai. a - elementarus vandens tetraedras (šviesūs apskritimai - deguonies atomai, juodos pusės - galimos protonų padėtys vandenilinėje jungtyje); b - veidrodinis simetriškas tetraedrų išdėstymas; c - centrinis simetriškas išdėstymas; d - deguonies centrų vieta paprasto ledo struktūroje. Vandeniui būdingos didelės tarpmolekulinės sąveikos jėgos dėl vandenilinių ryšių, kurie sudaro erdvinį tinklą. Kaip minėjome ankstesnėje paskaitoje, vandenilio jungtis atsiranda dėl vandenilio atomo, prijungto prie elektroneigiamo elemento, galimybės sudaryti papildomą ryšį su kitos molekulės elektronneigiamu atomu. Vandenilio ryšys yra gana stiprus ir sudaro kelis 20–30 kilodžaulių vienam moliui. Kalbant apie stiprumą, jis užima tarpinę vietą tarp van der Waals energijos ir paprastai joninės jungties energijos. Energija vandens molekulėje cheminis ryšys H-O yra 456 kJ/mol, o H…O vandenilio ryšio energija yra 21 kJ/mol.

Vandenilio junginiai
Molekulinė masė Temperatūra,  С
užšalimas verdantis
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Ledo struktūra. normalus ledas. Taškinė linija – H formos jungtys. Ažūrinėje ledo struktūroje matomos nedidelės ertmės, apsuptos H2O molekulių.
Taigi ledo struktūra yra ažūrinė vandens molekulių konstrukcija, sujungta viena su kita tik vandeniliniais ryšiais. Vandens molekulių išsidėstymas ledo struktūroje lemia plačių kanalų buvimą struktūroje. Ledui tirpstant į šiuos kanalus „krenta“ vandens molekulės, o tai paaiškina vandens tankio padidėjimą, lyginant su ledo tankiu. Ledo kristalai būna taisyklingų šešiakampių plokščių, lentelių atskyrimų ir sudėtingos formos ataugų pavidalu. Struktūra normalus ledas diktuoja H ryšiai: jis tinka šių ryšių geometrijai (O-H žiūri tiesiai į O), bet nelabai tinka glaudžiam van der Waalso H2O molekulių kontaktui. Todėl ledo struktūra ažūrinė, jame H2O molekulės gaubia mikroskopines (mažesnes nei H2O molekulės dydžio) poras. Ažūrinė ledo struktūra lemia du gerai žinomus efektus: (1) ledas yra mažiau tankus nei vanduo, jis jame plūduriuoja; ir (2) esant stipriam slėgiui – pavyzdžiui, pačiūžos ašmenys tirpdo ledą. Dauguma vandenilio jungčių, esančių lede, yra išsaugotos skystame vandenyje. Tai išplaukia iš ledo tirpimo šilumos mažumo (80 cal/g), palyginti su verdančio vandens šiluma (600 cal/g 0 °C temperatūroje). Galima sakyti, kad tik 80/(600+80) = 12% H jungčių, esančių skystame vandenyje lūžtant ledui. Tačiau šis vaizdas – kad dalis vandenilinių jungčių vandenyje nutrūksta, o dalis išliko – nėra visiškai tikslus: veikiau visi vandenilio ryšiai vandenyje atsilaisvina. Tai gerai iliustruoja šie eksperimentiniai duomenys.

Sprendimų struktūra. Iš konkrečių pavyzdžių dėl vandens pereikime prie kitų skysčių. Skirtingi skysčiai vienas nuo kito skiriasi molekulių dydžiu ir tarpmolekulinės sąveikos pobūdžiu. Taigi kiekviename konkrečiame skystyje yra tam tikra pseudokristalinė struktūra, kuriai būdinga trumpo nuotolio tvarka ir tam tikru mastu primenanti struktūrą, gaunamą skysčiui užšalus ir pavirstant kieta medžiaga. Tirpinant kitą medžiagą, t.y. susidarius tirpalui, pasikeičia tarpmolekulinių sąveikų pobūdis ir atsiranda nauja struktūra su kitokiu dalelių išsidėstymu nei gryname tirpiklyje. Ši struktūra priklauso nuo tirpalo sudėties ir yra būdinga kiekvienam konkrečiam tirpalui. Skystų tirpalų susidarymą dažniausiai lydi solvatacijos procesas, t.y. tirpiklio molekulių išsirikiavimas aplink ištirpusių medžiagų molekules dėl tarpmolekulinių jėgų veikimo. Atskirkite artimą ir tolimą sprendimą, t.y. aplink ištirpusios medžiagos molekules (daleles) susidaro pirminiai ir antriniai solvato apvalkalai. Pirminiame tirpinimo apvalkale tirpiklio molekulės yra arti, kurios juda kartu su tirpios medžiagos molekulėmis. Tirpiklio molekulių skaičius pirminiame solvatacijos apvalkale vadinamas solvatacijos koordinaciniu skaičiumi, kuris priklauso ir nuo tirpiklio, ir nuo tirpios medžiagos pobūdžio. Antrinio solvatacijos apvalkalo sudėtis apima tirpiklio molekules, kurios yra daug didesniu atstumu ir veikia tirpale vykstančius procesus dėl sąveikos su pirminiu solvatacijos apvalkalu.
Vertinant solvatų stabilumą, išskiriamas kinetinis ir termodinaminis stabilumas.
Vandeniniuose tirpaluose kinetinės hidratacijos (O.Ya. Samoilov) kiekybinės charakteristikos yra i /  ir Ei = Ei-E, kur i ir  yra vidutinė vandens molekulių buvimo pusiausvyroje trukmė. padėtis šalia i-ojo jono ir į svarus vanduo, o Ei ir E yra mainų aktyvavimo energija ir savaiminio difuzijos proceso aktyvavimo energija vandenyje. Šie dydžiai yra susiję vienas su kitu apytiksliu ryšiu:
i/  exp(Ei/RT)
jei EI  0, i/  1 (arčiausiai jonų esančių vandens molekulių mainai vyksta rečiau (lėčiau) nei keitimasis tarp molekulių gryname vandenyje) - teigiama hidratacija
jei EI  0, i/  1 (arčiausiai jonų esančių vandens molekulių mainai vyksta dažniau (greičiau) nei keitimasis tarp molekulių gryname vandenyje) - neigiama hidratacija

Taigi ličio jonui EI = 1,7 kJ/mol, o cezio jonui Ei= - 1,4 kJ/mol, t.y. mažas "kietas" ličio jonas sulaiko vandens molekules stipriau nei didelis ir "difuzinis" cezio jonas su tokiu pat krūviu. Susidariusių solvatų termodinaminis stabilumas nustatomas pagal Gibso energijos pokytį solvatacijos metu (solvG) = (solvH) - T(solvS). Kuo ši vertė neigiama, tuo stabilesnis solvatas. Iš esmės tai nulemta neigiamos reikšmės sprendimo entalpijos.
Sprendimų samprata ir sprendimų teorijos. Tikrieji tirpalai gaunami spontaniškai, kai liečiasi dvi ar daugiau medžiagų, dėl to, kad sunaikinami ryšiai tarp vieno tipo dalelių ir susidaro kitos rūšies ryšiai bei dėl difuzijos medžiaga pasiskirsto visame tūryje. Tirpalai pagal savo savybes skirstomi į idealius ir tikrus, elektrolitų ir neelektrolitų tirpalus, skiestus ir koncentruotus, nesotuosius, sočiuosius ir persotintus. Rastorių savybės priklauso nuo MMW pobūdžio ir dydžio. Šios sąveikos gali būti fizinės (van der Waals jėgos) ir sudėtingos fizikinės ir cheminės prigimties (vandenilio ryšys, jonų molekulinis ryšys, krūvio perdavimo kompleksai ir kt.). Tirpalo susidarymo procesui būdingas tuo pačiu metu tarp sąveikaujančių dalelių traukiančios ir atstumiančios jėgos. Jei nebūtų atstumiamųjų jėgų, dalelės susijungtų (suliptų) ir skysčiai galėtų būti suspausti neribotą laiką, nesant traukos jėgų būtų neįmanoma gauti skysčių ar kietų medžiagų. Ankstesnėje paskaitoje nagrinėjome fizikines ir chemines tirpalų teorijas.
Tačiau vieningos sprendimų teorijos sukūrimas susiduria su dideliais sunkumais ir šiuo metu ji dar nėra sukurta, nors tyrimus atlieka daugiausia šiuolaikiniai metodai Kvantinė mechanika, statistinė termodinamika ir fizika, kristalų chemija, rentgeno spindulių difrakcijos analizė, optiniai metodai, BMR metodai. reaktyvusis laukas. Tęsdami tarpmolekulinės sąveikos jėgų svarstymą, mes apsvarstysime „reaktyvaus lauko“ sąvoką, kuri yra svarbi norint suprasti kondensuotų medžiagų ir tikrųjų dujų struktūrą ir struktūrą, ypač skysta būsena, taigi ir viskas fizinė chemija skysti tirpalai.
Reaktyvusis laukas atsiranda polinių ir nepolinių molekulių mišiniuose, pavyzdžiui, angliavandenilių ir nafteno rūgščių mišiniuose. Poliarinės molekulės veikia su tam tikros simetrijos lauku (lauko simetriją lemia laisvų molekulinių orbitalių simetrija) ir intensyvumo H nepolines molekules. Pastarieji yra poliarizuoti dėl krūvio atskyrimo, dėl kurio atsiranda (indukcija) dipolis. Molekulė su indukuotu dipoliu savo ruožtu veikia polinę molekulę, keisdama jos elektromagnetinį lauką, t.y. sužadina reaktyvųjį (atsako) lauką. Reaktyviojo lauko atsiradimas padidina dalelių sąveikos energiją, kuri išreiškiama stiprių poliarinių molekulių tirpinimo apvalkalų sukūrimu polinių ir nepolinių molekulių mišinyje.
Reaktyviojo lauko energija apskaičiuojama pagal formulę: kur:
ženklas „-“ – lemia molekulių trauką
S – statinis elektros laidumas
 neribotas yra laidumas dėl molekulių elektroninio ir atominio poliarizavimo
NA – Avogadro numeris
VM yra tūris, kurį izotropiniame skystyje užima 1 molis polinės medžiagos v = dipolio momentas
ER yra 1 molio polinės medžiagos tirpale energija
„Reaktyvaus lauko“ sąvoka leis geriau suprasti grynų skysčių ir tirpalų struktūrą. Kvantinis cheminis požiūris į reaktyviojo lauko tyrimą buvo sukurtas M. V. darbuose. L. Ya. Karpova Taigi skystos būsenos problema laukia jaunųjų jos tyrinėtojų. Tu ir kortelės tavo rankose.

Dujų, skysčių ir kietųjų medžiagų struktūra.

Pagrindinės molekulinės kinetinės teorijos nuostatos:

Visos medžiagos sudarytos iš molekulių, o molekulės – iš atomų.

atomai ir molekulės nuolat juda,

Tarp molekulių yra patrauklios ir atstumiančios jėgos.

AT dujų molekulės juda atsitiktinai, atstumai tarp molekulių dideli, molekulinės jėgos mažos, dujos užima visą joms suteiktą tūrį.

AT skysčių molekulės išdėstomos tik mažais atstumais, o dideliais atstumais pažeidžiama išdėstymo tvarka (simetrija) - „trumpojo nuotolio tvarka“. Molekulinės traukos jėgos išlaiko molekules arti viena kitos. Molekulių judėjimas „šokinėja“ iš vienos stabilios padėties į kitą (dažniausiai vieno sluoksnio viduje. Šis judėjimas paaiškina skysčio sklandumą. Skystis neturi formos, bet turi tūrį.

Kietosios medžiagos – medžiagos, išlaikančios savo formą, skirstomos į kristalines ir amorfines. kristalinė kieta medžiaga kūnai turi kristalinę gardelę, kurios mazguose gali būti jonų, molekulių ar atomų.Jie svyruoja stabilių pusiausvyros padėčių atžvilgiu.Kristolinės gardelės visame tūryje turi taisyklingą sandarą – išsidėstymo „ilgojo nuotolio tvarką“.

Amorfiniai kūnai išlaiko savo formą, bet neturi kristalinės gardelės ir dėl to neturi ryškios lydymosi temperatūros. Jie vadinami užšaldytais skysčiais, nes jie, kaip ir skysčiai, turi „beveik“ molekulinio išsidėstymo tvarką.

Molekulių sąveikos jėgos

Visos medžiagos molekulės sąveikauja viena su kita traukos ir atstūmimo jėgomis. Molekulių sąveikos įrodymas: drėkinimo reiškinys, atsparumas gniuždymui ir tempimui, mažas kietųjų medžiagų ir dujų gniuždymas ir kt. Molekulių sąveikos priežastis – įkrautų dalelių elektromagnetinė sąveika medžiagoje. Kaip tai paaiškinti? Atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio ir neigiamai įkrauto elektronų apvalkalo. Branduolio krūvis lygus bendram visų elektronų krūviui, todėl kaip visuma atomas yra elektriškai neutralus. Molekulė, susidedanti iš vieno ar daugiau atomų, taip pat yra elektriškai neutrali. Apsvarstykite molekulių sąveiką naudodami dviejų nejudrių molekulių pavyzdį. Gamtoje tarp kūnų gali egzistuoti gravitacinės ir elektromagnetinės jėgos. Kadangi molekulių masės yra labai mažos, galima nepaisyti nereikšmingų molekulių sąveikos jėgų. Esant labai dideliems atstumams, tarp molekulių taip pat nėra elektromagnetinės sąveikos. Tačiau, mažėjant atstumui tarp molekulių, molekulės pradeda orientuotis taip, kad jų pusės, nukreiptos viena į kitą, turės skirtingų ženklų krūvius (apskritai molekulės išlieka neutralios), o tarp molekulių atsiranda patrauklios jėgos. Dar labiau mažėjant atstumui tarp molekulių, dėl molekulių atomų neigiamo krūvio elektronų apvalkalų sąveikos atsiranda atstumiančios jėgos. Dėl to molekulę veikia traukos ir atstūmimo jėgų suma. Dideliais atstumais vyrauja traukos jėga (2-3 molekulių diametrų atstumu trauka maksimali), nedideliais atstumimo jėga. Tarp molekulių yra toks atstumas, kuriame traukos jėgos tampa lygios atstūmimo jėgoms. Tokia molekulių padėtis vadinama stabilios pusiausvyros padėtimi. Molekulės, esančios viena nuo kitos ir sujungtos elektromagnetinėmis jėgomis, turi potencialią energiją. Stabilios pusiausvyros padėtyje molekulių potencinė energija yra minimali. Medžiagoje kiekviena molekulė vienu metu sąveikauja su daugybe gretimų molekulių, o tai taip pat turi įtakos molekulių minimalios potencialios energijos vertei. Be to, visos medžiagos molekulės yra nuolatiniame judėjime, t.y. turi kinetinę energiją. Taigi medžiagos sandara ir jos savybės (kieti, skysti ir dujiniai kūnai) nulemti minimalios potencialios molekulių sąveikos energijos ir molekulių šiluminio judėjimo kinetinės energijos santykio.

Kietųjų, skystųjų ir dujinių kūnų sandara ir savybės

Kūnų sandara paaiškinama kūno dalelių sąveika ir jų šiluminio judėjimo pobūdžiu.

Tvirtas

Kietosios medžiagos turi pastovią formą ir tūrį ir yra praktiškai nesuspaudžiamos. Minimali potenciali molekulių sąveikos energija yra didesnė už molekulių kinetinę energiją. Stipri dalelių sąveika. Molekulių šiluminį judėjimą kietoje medžiagoje išreiškia tik dalelių (atomų, molekulių) svyravimai aplink stabilios pusiausvyros padėtį.

Dėl didelių traukos jėgų molekulės praktiškai negali pakeisti savo padėties medžiagoje, o tai paaiškina kietųjų kūnų tūrio ir formos nekintamumą. Daugumoje kietųjų kūnų yra erdviškai išdėstytos dalelės, kurios sudaro taisyklingą kristalinę gardelę. Medžiagos dalelės (atomai, molekulės, jonai) išsidėstę viršūnėse – kristalinės gardelės mazguose. Kristalinės gardelės mazgai sutampa su stabilios dalelių pusiausvyros padėtimi. Tokios kietosios medžiagos vadinamos kristalinėmis.

Skystis

Skysčiai turi tam tikrą tūrį, bet neturi savo formos, jie įgauna indo, kuriame yra, formą. Minimali potenciali molekulių sąveikos energija yra panaši į molekulių kinetinę energiją. Silpna dalelių sąveika. Šiluminis molekulių judėjimas skystyje išreiškiamas svyravimais aplink stabilios pusiausvyros padėtį tūryje, kurį molekulei suteikia kaimynai. Molekulės negali laisvai judėti visame medžiagos tūryje, tačiau galimi molekulių perėjimai į gretimas vietas. Tai paaiškina skysčio sklandumą, galimybę keisti jo formą.

Skysčiuose molekulės yra gana stipriai viena su kita surištos patraukliomis jėgomis, o tai paaiškina skysčio tūrio nekintamumą. Skystyje atstumas tarp molekulių yra maždaug lygus molekulės skersmeniui. Sumažėjus atstumui tarp molekulių (suspaudžiant skystį), staigiai padidėja atstumiančios jėgos, todėl skysčiai yra nesuspaudžiami. Pagal savo struktūrą ir šiluminio judėjimo pobūdį skysčiai užima tarpinę padėtį tarp kietųjų medžiagų ir dujų. Nors skirtumas tarp skysčio ir dujų yra daug didesnis nei tarp skysčio ir kieto. Pavyzdžiui, lydymosi ar kristalizacijos metu kūno tūris kinta daug kartų mažiau nei garuojant ar kondensuojantis.

Dujos neturi pastovaus tūrio ir užima visą indo, kuriame jos yra, tūrį. Minimali potenciali molekulių sąveikos energija yra mažesnė už molekulių kinetinę energiją. Medžiagos dalelės praktiškai nesąveikauja. Dujoms būdingas visiškas molekulių išsidėstymo ir judėjimo sutrikimas.

Atstumas tarp dujų molekulių yra daug kartų didesnis nei molekulių dydis. Mažos traukos jėgos negali išlaikyti molekulių šalia viena kitos, todėl dujos gali neribotai plėstis. Dujos lengvai suspaudžiamos veikiant išoriniam slėgiui, nes. atstumai tarp molekulių yra dideli, o sąveikos jėgos yra nereikšmingos. Dujų slėgis ant indo sienelių susidaro dėl judančių dujų molekulių poveikio.