Šķidrumu molekulārās struktūras iezīmes

Šķidrums pēc īpašībām un struktūras ieņem starpstāvokli starp gāzēm un cietām kristāliskām vielām. Tāpēc tai piemīt īpašības gan gāzveida, gan cietvielas. Molekulārās kinētikas teorijā dažādi vielas agregātu stāvokļi ir saistīti ar dažādām molekulārās kārtības pakāpēm. Cietām vielām tā sauktā liela attāluma pasūtījums daļiņu izkārtojumā, t.i. to sakārtotais izkārtojums, atkārtojot lielos attālumos. Šķidrumos t.s īstermiņa pasūtījums daļiņu izkārtojumā, t.i. to sakārtotais izvietojums, kas atkārtojas attālumos, ir salīdzināms ar starpatomiskajiem. Temperatūrā, kas ir tuvu kristalizācijas temperatūrai, šķidruma struktūra ir tuva cietas vielas struktūrai. Augstā temperatūrā, tuvu viršanas temperatūrai, šķidruma struktūra atbilst gāzveida stāvoklim - gandrīz visas molekulas piedalās haotiskā termiskā kustībā.

Šķidrumiem, tāpat kā cietām vielām, ir noteikts tilpums, un tāpat kā gāzēm tie iegūst trauka formu, kurā tie atrodas. Gāzes molekulas praktiski nav savstarpēji saistītas ar starpmolekulārās mijiedarbības spēkiem, un šajā gadījumā vidējā enerģija termiskā kustība gāzes molekulas ir daudz lielākas par vidējo potenciālo enerģiju starp tām esošo pievilkšanās spēku dēļ, tāpēc gāzes molekulas izkliedējas dažādos virzienos un gāze aizņem tai paredzēto tilpumu. Cietos un šķidros ķermeņos pievilkšanās spēki starp molekulām jau ir nozīmīgi un notur molekulas noteiktā attālumā vienu no otras. Šajā gadījumā molekulu termiskās kustības vidējā enerģija ir mazāka par vidējo potenciālo enerģiju starpmolekulārās mijiedarbības spēku dēļ, un ar to nepietiek, lai pārvarētu pievilkšanās spēkus starp molekulām, tāpēc cietām vielām un šķidrumiem ir noteikts tilpums. .

Spiediens šķidrumos ļoti strauji palielinās, palielinoties temperatūrai un samazinoties tilpumam. Šķidrumu tilpuma izplešanās ir daudz mazāka nekā tvaiku un gāzu izplešanās, jo spēki, kas saista molekulas šķidrumā, ir nozīmīgāki; tā pati piezīme attiecas uz termisko izplešanos.

Šķidrumu siltumietilpība parasti palielinās līdz ar temperatūru (kaut arī nedaudz). C p /C V attiecība praktiski ir vienāda ar vienu.

Šķidruma teorija līdz šim nav pilnībā izstrādāta. Vairāku problēmu attīstība šķidruma sarežģīto īpašību izpētē pieder Ya.I. Frenkels (1894–1952). Termisko kustību šķidrumā viņš skaidroja ar to, ka katra molekula kādu laiku svārstās ap noteiktu līdzsvara stāvokli, pēc tam pārlec jaunā pozīcijā, kas atrodas starpatomu attāluma kārtu attālumā no sākotnējās. Tādējādi šķidruma molekulas pārvietojas diezgan lēni visā šķidruma masā. Palielinoties šķidruma temperatūrai, strauji palielinās svārstību kustības biežums un palielinās molekulu mobilitāte.

Pamatojoties uz Frenkela modeli, ir iespējams dažus izskaidrot specifiskas īpatnības šķidruma īpašības. Tādējādi šķidrumiem, pat tuvu kritiskajai temperatūrai, ir daudz lielāka viskozitāte nekā gāzes, un viskozitāte samazinās, palielinoties temperatūrai (nevis palielinās, kā gāzēs). Tas izskaidrojams ar impulsa pārnešanas procesa atšķirīgo raksturu: to pārnes molekulas, kas pārlec no viena līdzsvara stāvokļa citā, un šie lēcieni kļūst daudz biežāki, palielinoties temperatūrai. Difūzijašķidrumos notiek tikai molekulāro lēcienu dēļ, un tas notiek daudz lēnāk nekā gāzēs. Siltumvadītspējašķidrumi rodas kinētiskās enerģijas apmaiņas dēļ starp daļiņām, kas svārstās ap to līdzsvara pozīcijām ar dažādu amplitūdu; asie molekulu lēcieni nespēlē manāmu lomu. Siltuma vadīšanas mehānisms ir līdzīgs tā mehānismam gāzēs. raksturīga iezīmešķidrums ir tā spēja būt brīva virsma(nav ierobežotas ar cietām sienām).

Ir ierosinātas vairākas teorijas par šķidrumu molekulāro struktūru.

1. Zonas modelis. AT Šis brīdis laikā var uzskatīt, ka šķidrums sastāv no apgabaliem, kur molekulas ir sakārtotas pareizā secībā, veidojot sava veida mikrokristālu (zonu). Šīs zonas it kā atdala viela gāzveida stāvoklī. Laika gaitā šīs zonas veidojas citās vietās utt.

2. Kvazikristāliskās struktūras teorija. Aplūkosim kristālu absolūtā nulles temperatūrā (sk. 9.9. att.)

Tajā izvēlamies patvaļīgu virzienu un uzzīmējam gāzes molekulas atrašanas varbūtības P atkarību noteiktā attālumā no citas molekulas, kas atrodas izcelsmē (9.9. att.). a), savukārt molekulas atrodas kristāla režģa mezglos. Augstākā temperatūrā (9.9. att., b) molekulas svārstās ap fiksētām līdzsvara pozīcijām, kuru tuvumā tās pavada lielāko daļu sava laika. Stingrā varbūtības maksimumu atkārtošanās periodiskums ideālā kristālā sniedzas patvaļīgi tālu no izvēlētās daļiņas; tāpēc ir pieņemts teikt, ka cietā pastāv "tālas darbības kārtība".

Šķidruma gadījumā (9.9. att., iekšā) pie katras molekulas tās kaimiņi atrodas vairāk vai mazāk regulāri, bet tālu prom šī kārtība tiek pārkāpta (short-range order). Grafikā attālumus mēra molekulas rādiusa daļās (r/r 0).

MOLEKULU IZPLATĪŠANA POTENCIĀLĀ LAUKĀ

GRAVITĀCIJAS SPĒKI (BOLTZMANA IZPLATĪJUMS)

Atvasinot gāzu MKT un Maksvela sadalījuma pamatvienādojumu, tika pieņemts, ka ārējie spēki uz gāzes molekulām neiedarbojas, kas nozīmē, ka molekulas ir vienmērīgi sadalītas pa tilpumu. Tomēr jebkuras gāzes molekulas vienmēr atrodas Zemes gravitācijas potenciālajā laukā. Gravitācija, no vienas puses, un molekulu termiskā kustība, no otras puses, noved pie noteikta stacionāra stāvokļa, kurā gāzes spiediens samazinās, palielinoties augstumam.

Iegūsim likumu par spiediena izmaiņām ar augstumu, pieņemot, ka visā augstumā: gravitācijas lauks ir vienmērīgs (g = const); temperatūra ir vienāda (T = const); visu molekulu masas ir vienādas.

Lai spiediens p ir augstumā h. Tad augstumā h + dh spiediens ir p + dp. Turklāt, ja dh >0, tad dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Tagad vai .

Integrēsim labo un kreiso pusi:

; .

kur, . (26)

Šī ir tā sauktā barometriskā formula. Tas ļauj noteikt atmosfēras spiedienu atkarībā no augstuma virs jūras līmeņa:

. (27)

Jo spiediens ir tieši proporcionāls molekulu koncentrācijai, tad var iegūt molekulu koncentrācijas izmaiņu likumu ar augstumu, ja temperatūra nemainās līdz ar augstumu (T = const):

. (28)

Ņemot vērā, ka M = m∙N A un R = k∙N A no (27), mēs iegūstam:

Jo mgh = U(h) ir vienas molekulas potenciālā enerģija augstumā h, tad

(30)

ir Bolcmaņa sadalījums.

SADRIEZIENU SKAITS UN IDEĀLU GĀZES MOLEKULU VIDĒJAIS BRĪVAIS CEĻŠ.

Haotiskas kustības rezultātā gāzes molekulas nepārtraukti saduras viena ar otru. Starp divām secīgām sadursmēm molekula pārvietojas pa noteiktu ceļu λ, ko sauc par vidējo brīvo ceļu . Vispārīgā gadījumā šī ceļa garums ir atšķirīgs, bet kopš sadursmju skaits ir ļoti liels, un kustība ir nejauša, tad pastāvīgos ārējos apstākļos mēs varam runāt par vidēja garuma brīvais skrējiens - . Ja dotās gāzes molekulas vidēji piedzīvo 1 sekundi sadursmes, tad

kur ir molekulu vidējais aritmētiskais ātrums.

Ideālās gāzes molekulas mēs uzskatām par sfērām. Acīmredzot, sadursme notiks, ja divas molekulas tuvosies līdz attālumam, kas vienāds ar diviem rādiusiem, t.i., molekulu diametram d. Minimālais attālums, ar kuru sadursmes laikā tuvojas divu molekulu centri, sauc par molekulu efektīvo diametru. Šis parametrs ir atkarīgs no un līdz ar to arī no gāzes temperatūras.

Lai definētu, iedomājieties molekulu ar efektīvo diametru d, kas pārvietojas ar ātrumu starp citām molekulām, kuras tajā pašā laikā paliek nekustīgas. Šī molekula sadursies ar visām molekulām, kuru centri atrodas "salauztā" cilindrā ar rādiusu d. Tas nozīmē, ka ir vienāds ar molekulu skaitu šī cilindra tilpumā

kur n ir molekulu koncentrācija un V ir cilindra tilpums: . Paturot to prātā -

. (32)

Ņemot vērā citu molekulu kustību, sadursmju skaits palielinās par koeficientu. Visbeidzot, attiecībā uz z mēs iegūstam:

. (33)

Tad (34)

Jo p ~ n, tad dažādiem ārējiem apstākļiem mums ir:

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

PĀRVEIDOŠANAS PARĀDĪBAS

Termodinamiski nelīdzsvarotās sistēmās, t.i. sistēmās, kurām makroparametru vērtības (T, p, ) dažādos punktos ir atšķirīgas, notiek neatgriezeniski procesi, kurus sauc transporta parādības . Šādu procesu rezultātā enerģija tiek pārnesta no vienas sistēmas lokālas zonas uz otru (siltumvadītspējas parādība), masa (difūzijas parādība), impulss (iekšējā berze), lādiņš utt. Tas noved pie makroparametru vērtību saskaņošanas ar sistēmas tilpumu. Ir skaidrs, ka jebkuras vērtības pārnešana ir izskaidrojama ar noteikta skaita daļiņu (molekulu un atomu) pāreju no vietas uz vietu to haotiskās kustības rezultātā.

Mēs iegūstam vispārējo transporta vienādojumu patvaļīgā virzienā. Pa to virzīsim asi O X(3. attēls). Izšķirsim plaknes elementu ar laukumu ∆S, kas ir perpendikulārs O X. Kustības nejaušības dēļ laikā no ∆t līdz ∆S virzienā uz O X pārvietot N daļiņas:

(1)

Šeit n ir molekulu (atomu) koncentrācija un to vidējais aritmētiskais ātrums. Izejot cauri ∆S, katra molekula pārnes tai raksturīgo masu, lādiņu, impulsu, enerģiju vai kādu citu no tās īpašībām. Apzīmēsim vienas molekulas pārnestā daudzuma vērtību ar burtu φ. Tad laikā ∆t caur laukumu ∆S O ass virzienā X daudzums tiks pārskaitīts fiziskais daudzums

(2).

Acīmredzot, ja koncentrācija labajā pusē ir arī n, tad tikpat daudz daļiņu pārvietosies no labās puses uz kreiso pusi. Tie. šajā gadījumā iegūtais pārnēsājums nulle: ∆N = 0 un ∆Nφ = 0.

Ja barotne ir nehomogēna, t.i. vai nu daļiņu koncentrācija vai φ vērtības daļiņām kreisajā un labajā pusē nav vienādas, tad pārejas no reģioniem, kur (nφ) vērtība ir lielāka, uz reģionu, kur tā ir mazāka, būs lielāka iespēja. Ja pieņemam, ka (nφ) 1 > (nφ) 2, tad iegūto φ vērtības pārnešanu noteiks sakarība: . (3)

Mīnusa zīme (3) atspoguļo faktu, ka vērtība (nφ) samazinās pārsūtīšanas virzienā.

Noskaidrosim, kādā attālumā no ∆S kreisajā un labajā pusē jāņem vērtības (nφ). Jo mainīt fiziskās īpašības molekulas notiek tikai sadursmes laikā, un pirms sadursmes katra no molekulām ir nobraukusi attālumu, kas vienāds ar brīvo ceļu, tad varam pieņemt, ka (nφ) molekulas paliek nemainīgas attālumā, kas vienāds ar brīvo ceļu pa kreisi un pa labi no ∆ S. Sadaliet un reiziniet (3) labo pusi ar 2:

Daudzumu sadalījumu jebkurā virzienā nosaka raksturlielums, ko sauc par gradientu. Gradients ir lieluma izmaiņas attālumā, kas vienāds ar garuma vienību.

Šajā gadījumā punktā ar koordinātu X 2 nododamās vērtības vērtība ir (nφ) 2, un punktā X 1 – (nφ) 1 , pēc tam zem vērtības nφ gradienta, kas pārnests pa O asi X, vajadzētu saprast attiecības:

.

Tad nφ gradients reģionā ∆S.

. (5)

(5) ir vispārējais pārneses vienādojums.

Difūzija ir vielas masas pārnese . Ja molekulu masas ir vienādas (m 0 = const), gāzes temperatūra ir vienāda tilpuma (T = const) un ātrumu sadalījums ir vienmērīgs pa tilpumu ( = const), aizstājot molekulas masu. molekula (5), nevis φ, mēs iegūstam:

Or . (6)

Tas ir Fika likums. D = difūzijas koeficients. [D] \u003d m 2 / s.

Siltumvadītspēja ir enerģijas pārnešana . Ar nosacījumu, ka molekulu koncentrācija visā gāzes tilpumā (n \u003d const), molekulu masas ir vienādas (m 0 \u003d const), ātrumu sadalījums pa tilpumu ir vienmērīgs ( \u003d const), un vienas molekulas translācijas kustības vidējo kinētisko enerģiju, iegūstam Furjē likumu:

, vai . (7)

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

Viskozitāte ir impulsa pārnešana starp paralēliem slāņiem, kas sakārtoti pārvietojas ar ātrumu u 1 un u 2. Ar nosacījumu, ka visā gāzes tilpumā molekulu koncentrācija ir n = const, molekulu masas ir vienādas (m 0 = const), ātrumu sadalījums pa tilpumu ir vienmērīgs ( = const) un impulss vienas molekulas modulis, kas saistīts ar slāņu sakārtotās kustības ātrumu φ = p = m 0 u, slāņu mijiedarbības spēka impulsam mums ir:

Or . ()

Šis ir Ņūtona vienādojums, kas nosaka iekšējās berzes spēka (viskozitātes) lielumu. ir šķērsvirziena ātruma gradients, kas raksturo ātruma maiņas ātrumu virzienā X perpendikulāri berzes slāņu kustībai. η – dinamiskais viskozitātes koeficients . [η] = Pa s.

MOLEKULĀRIE SPĒKI

Molekulu mijiedarbības spēki vai, kā tos sauc arī par Van der Vālsa spēkiem, pēc būtības ir elektriski. Tie ir lādētu daļiņu, kas veido atomus un molekulas, mijiedarbības Kulona spēki. Tie parādās attālumos, kas ir proporcionāli pašu molekulu lielumam, un ļoti ātri samazinās, palielinoties attālumam. Tajā pašā laikā pievilcīgi spēki (pretēju lādiņu mijiedarbība) un atgrūšanas spēki (līdzīgu lādiņu mijiedarbība) darbojas vienlaikus. Jo reālās daļiņas nav punktveida, tad šo spēku lielums dažādos veidos ir atkarīgs no attāluma starp tām.

Ir trīs van der Vāla spēku veidi:

a) orientācija - darbojas starp polārajām molekulām:

,

kur р ir daļiņu elektriskais dipola moments, r ir attālums starp tām, k ir Bolcmana konstante, Т ir termodinamiskā temperatūra.

b) indukcija – apraksta molekulu mijiedarbību, polarizāciju

lādiņi, kuros rodas blakus esošo daļiņu elektrisko lauku ietekmē:

.

Šeit: р ind = ε 0 αЕ – iegūtais daļiņu elektriskais dipola moments; α ir molekulu polarizējamība.

iekšā) dispersija - nosaka molekulu mijiedarbību, kurā nejauši notiek asimetrisks lādiņa sadalījums, elektronu kustības procesā pa orbītām, kas noved pie momentāno dipolu veidošanās:

.

Kopumā visi trīs spēku veidi var darboties vienlaikus:

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

Apskatīsim starpmolekulāro mijiedarbības spēku atkarību no attāluma. Pievilkšanās spēki F pr tiek uzskatīti par negatīviem, un atgrūšanas spēki F no tiek uzskatīti par pozitīviem. Šo spēku summa dod rezultātu - Fres = f(r). Kādā attālumā r 0 starp molekulām |F pr | = |F no | un iegūtais spēks F \u003d F pr + F no \u003d 0. Ja r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , tad virsroku ņem pievilkšanas spēki. Tomēr attālumā r > 10–9 m van der Vālsa spēki ātri tiecas uz nulli.

Mijiedarbojošo molekulu sistēmu raksturo noteikta potenciālās enerģijas rezerve, kas kompleksi atkarīga no r, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 un 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.

Mazāko mijiedarbības potenciālo enerģiju sauc par molekulu saistīšanas enerģiju. Tas ir vienāds ar darbu, kas jāveic pret pievilkšanas spēkiem, lai atdalītu molekulas, kas atrodas līdzsvarā.

Minimālās potenciālās enerģijas (E p min) attiecība pret termiskās kustības dubultotās vidējās enerģijas vērtību uz vienu brīvības pakāpi ir kritērijs vielas agregācijas stāvoklim. Ja:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – šķidrums;

c) E p min >> kT ir ciets ķermenis.

Tādējādi jebkura viela atkarībā no temperatūras var būt gāzveida, šķidrā vai cietā agregācijas stāvoklī.

GĀZU, ŠĶIDRUMU UN CIETU ĶERMEŅU STRUKTŪRAS ĪPAŠĪBAS

R.N. Grabovskis. Fizikas kurss. 1980, 168.-174.lpp.

REĀLAS GĀZES

Molekulārās kinētiskās teorijas vienādojumi diezgan labi raksturo reālu gāzu uzvedību pietiekami augstā temperatūrā un zemā spiedienā. Tas ir saprotams, jo šāds stāvoklis īsta gāze vistuvāk ideālajam gāzes modelim, uz kura pamata tiek iegūti visi MKT secinājumi. Tomēr, palielinoties spiedienam un pazeminoties temperatūrai, vidējais attālums starp molekulām samazinās un palielinās molekulārās mijiedarbības spēki. Piemēram, pie n.o. molekulu tilpums ir 1/10000 no gāzes aizņemtā tilpuma, un pie spiediena 500 atm (500 MPa) tā jau būs puse no kopējā gāzes tilpuma. Ir pilnīgi skaidrs, ka šajos apstākļos MKT likumi pārstāj darboties, piemēram, PV ¹ const pie T = const.

Tādējādi uzdevums ir iegūt tādu stāvokļu vienādojumu reālai gāzei, kas ņemtu vērā molekulu tilpumu un to mijiedarbību.

©2015-2019 vietne
Visas tiesības pieder to autoriem. Šī vietne nepretendē uz autorību, bet nodrošina bezmaksas izmantošanu.
Lapas izveides datums: 2016-02-13

Šīs sadaļas problēmās viņi galvenokārt uzsver domu, ka gāzēs esošās molekulas atrodas lielākos attālumos nekā šķidrumos un cietās vielās, pievilkšanās spēki starp tām ir nenozīmīgi, un tāpēc gāzes aizņem lielu tilpumu. (Līdzīgs apgalvojums attiecībā uz šķidrumiem un cietām vielām kopumā ir nepatiess. Cietām vielām liela nozīme ir arī molekulu secībai.)

Otrs jēdziens, kas veidojas VI pakāpē, risinot problēmas šajā sadaļā, ir atšķirības molekulu kustības būtībā gāzēs, šķidrumos un cietās vielās.

58(e). Ar kociņu pārvietojot kartupeļu pistolē aizbāzni (14. att.), novērojiet gaisa apjoma samazināšanos. Veiciet to pašu eksperimentu, piepildot mēģeni ar ūdeni. Izskaidrojiet ūdens un gaisa saspiežamības atšķirību, pamatojoties uz vielu molekulāro struktūru.

59. Kā izskaidrot, ka tvaiki, kas rodas, vārot ūdeni, vārīšanās punktā aizņem apmēram 1700 reižu lielāku tilpumu nekā ūdens?

Atbilde. Tvaika molekulas atrodas tik lielos attālumos viena no otras, ka pievilcības spēki starp tām ir nenozīmīgi un tāpēc nevar izraisīt tvaiku kondensāciju noteiktā temperatūrā (pie noteikta molekulārā ātruma).

60(e). Ielejiet pusi ūdens metriskā stikla mēģenē, virsū spirtu un pēc tam samaisiet. Kā pēc tam mainījās šķidruma tilpums? Izskaidro kapec.

Atbilde. Kopējais tilpums samazinājās molekulu blīvākas iesaiņojuma rezultātā.

61. Zinātnieks Bridžmens ar lielu spēku izspieda eļļu tērauda cilindrā. Kā izskaidrot, ka uz cilindra ārējām sienām izspiedušās eļļas daļiņas, lai gan tajās nebija nekādu plaisu?

62. Ja saspiež kopā svina un zelta plāksnes, tad pēc kāda laika zeltā var atrast svina molekulas, bet svinā – zelta molekulas. Izskaidro kapec.

61. un 62. uzdevuma risinājums. Cietās vielās un šķidrumos starp molekulām ir nelielas spraugas, neskatoties uz to blīvo iepakojumu. Molekulas galvenokārt pārvietojas vibrācijas ietekmē. Attēls atgādina cilvēkus pārpildītā autobusā, kuri, neskatoties uz sasprindzinājumu, pārvietojas, mainoties savā starpā vietām vai izbraucot pa nejauši veidotām ejām.

63(e). Izpētiet vizlas plāksni un sadaliet to plānākās lapās. Sadaliet un pārbaudiet liela izmēra gabalus galda sāls. Kā var izskaidrot vizlas un sāls nevienlīdzīgās īpašības dažādos virzienos, pamatojoties uz vielas molekulāro struktūru?

64(e). Izlauziet piķa gabalu un paskaidrojiet, kāpēc lūzums vienmēr rada gludu virsmu.

Atbilde. Var ir sabiezināts šķidrums, tāpēc tā molekulas neveido pareizi mainīgus slāņus, kā kristāliskā ķermenī.

Gāzu, šķidrumu un cietvielu struktūra. Risinājumu struktūras iezīmes. Jēdziens "reaktīvā lauks"
Šķidrumu uzbūves teorija: salīdzinājums ar gāzu un cietvielu uzbūvi Šķidrumu uzbūve (struktūra). Šķidrumu struktūru pašlaik rūpīgi pēta fizikālie ķīmiķi. Pētījumiem šajā virzienā tiek izmantotas modernākās metodes, tai skaitā spektrālās (IR, KMR, dažādu viļņu garumu gaismas izkliedes), rentgenstaru izkliedes, kvantu mehāniskās un statistiskās aprēķinu metodes u.c. Šķidrumu teorija ir daudz mazāk attīstīta nekā gāzu teorija, jo šķidrumu īpašības ir atkarīgas no tuvu izvietotu molekulu ģeometrijas un polaritātes. Turklāt šķidrumu specifiskas struktūras trūkums apgrūtina to apraksta formalizēšanu - lielākajā daļā mācību grāmatu šķidrumiem ir dots daudz mazāk vietas nekā gāzes un kristāliskas cietas vielas. Kādas ir katras trīs vielas agregātu stāvokļu īpašības: ciets, šķidrs un gāzveida. (tabula)
1) Ciets: ķermenis saglabā apjomu un formu
2) Šķidrumi saglabā apjomu, bet viegli maina formu.
3) Gāzei nav ne formas, ne tilpuma.

Šīs vienas un tās pašas vielas stāvokļi atšķiras nevis pēc molekulu veida (tas ir vienāds), bet gan ar molekulu atrašanās un kustības veidu.
1) Gāzēs attālums starp molekulām ir liels vairāk izmēru pašas molekulas
2) Šķidruma molekulas lielos attālumos neatšķiras un šķidrums normālos apstākļos saglabā savu tilpumu.
3) Cieto ķermeņu daļiņas ir sakārtotas noteiktā secībā. Katra no daļiņām pārvietojas ap noteiktu kristāla režģa punktu kā pulksteņa svārsts, tas ir, tā svārstās.
Kad temperatūra pazeminās, šķidrumi sacietē, un, kad tie paaugstinās virs viršanas temperatūras, tie pāriet gāzveida stāvoklī. Šis fakts vien norāda, ka šķidrumi ieņem starpstāvokli starp gāzēm un cietām vielām, kas atšķiras no abiem. Tomēr šķidrumam ir līdzības ar katru no šiem stāvokļiem.
Ir temperatūra, kurā robeža starp gāzi un šķidrumu pilnībā izzūd. Tas ir tā sauktais kritiskais punkts. Katrai gāzei ir zināma temperatūra, virs kuras tā nevar būt šķidra pie jebkura spiediena; pie šīs kritiskās temperatūras robeža (menisks) starp šķidrumu un tā piesātinātajiem tvaikiem pazūd. Kritiskās temperatūras esamību ("absolūto viršanas punktu") noteica DIMendeļejevs 1860. gadā. Otrā īpašība, kas apvieno šķidrumus un gāzes, ir izotropija. Tas ir, no pirmā acu uzmetiena var pieņemt, ka šķidrumi ir tuvāk gāzēm nekā kristāliem. Tāpat kā gāzes, arī šķidrumi ir izotropiski, t.i. to īpašības visos virzienos ir vienādas. Gluži pretēji, kristāli ir anizotropi: kristālu laušanas koeficients, saspiežamība, izturība un daudzas citas īpašības dažādos virzienos ir atšķirīgas. Cietām kristāliskām vielām ir sakārtota struktūra ar atkārtotiem elementiem, kas ļauj tās pētīt ar rentgenstaru difrakcijas metodi (rentgenstaru difrakcijas analīzes metode tiek izmantota kopš 1912. gada).

Kas kopīgs šķidrumiem un gāzēm?
A) izotropisks. Šķidruma īpašības, tāpat kā gāzēm, visos virzienos ir vienādas, t.i. ir izotropiski, atšķirībā no kristāliem, kas ir anizotropi.
B) Šķidrumiem, tāpat kā gāzēm, nav noteiktas formas un tie ir trauka formā (zema viskozitāte un augsta plūstamība).
Molekulas un šķidrumi un gāzes veic diezgan brīvu kustību, savstarpēji saduroties. Iepriekš tika uzskatīts, ka šķidruma aizņemtajā tilpumā jebkurš attālums, kas pārsniedz to rādiusu summu, tika pieņemts par vienlīdz ticamu, t.i. tendence uz sakārtotu molekulu izvietojumu tika noliegta. Tādējādi šķidrumi un gāzes zināmā mērā bija pretstatā kristāliem.
Pētījumam attīstoties, vairāk Fakti norādīja uz līdzību klātbūtni starp šķidrumu un cieto vielu struktūru. Piemēram, siltuma jaudu un saspiežamības koeficientu vērtības, īpaši tuvu kušanas temperatūrai, praktiski sakrīt, savukārt šķidruma un gāzes vērtības krasi atšķiras.
Jau no šī piemēra var secināt, ka termiskās kustības attēls šķidrumos temperatūrā, kas ir tuvu sacietēšanas temperatūrai, atgādina termisko kustību cietās vielās, nevis gāzēs. Līdztekus tam var atzīmēt arī tik būtiskas atšķirības starp vielas gāzveida un šķidro stāvokli. Gāzēs molekulas izplatās pa telpu pilnīgi nejaušā veidā, t.i. pēdējais tiek uzskatīts par bezstrukturālas izglītības piemēru. Šķidrumam joprojām ir noteikta struktūra. To eksperimentāli apstiprina rentgenstaru difrakcija, kas parāda vismaz vienu skaidru maksimumu. Šķidruma struktūra ir veids, kā tā molekulas tiek sadalītas telpā. Tabulā ir parādītas līdzības un atšķirības starp gāzes un šķidruma stāvokli.
Gāzes fāze Šķidrā fāze
1. Attālums starp molekulām l parasti (zemiem spiedieniem) ir daudz lielāks par molekulas rādiusu r: l  r ; praktiski viss tilpums V, ko aizņem gāze, ir brīvais tilpums. Šķidrā fāzē, gluži pretēji, l 2. Daļiņu vidējā kinētiskā enerģija, kas vienāda ar 3/2kT, ir lielāka par to starpmolekulārās mijiedarbības potenciālo enerģiju U. Molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir lielāka par vidējo. to kustības kinētiskā enerģija: U3/2 kT
3. Daļiņas saduras to translācijas kustības laikā, sadursmes biežuma koeficients ir atkarīgs no daļiņu masas, to lieluma un temperatūras.Katra daļiņa svārstās būrī, ko rada to apņemošās molekulas. Svārstību amplitūda a ir atkarīga no brīvā tilpuma, a  (Vf/L)1/3
4. Daļiņu difūzija notiek to translācijas kustības rezultātā, difūzijas koeficients D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) un ir atkarīgs no gāzes spiediena.
(D  p-1) Difūzija notiek daļiņai lecot no vienas šūnas uz otru ar aktivācijas enerģiju ED,
D  e-ED/RT neviskozos šķidrumos
D  0,3 - 3 cm2 / dienā.
5. Daļiņa griežas brīvi, rotācijas frekvenci r nosaka tikai daļiņas inerces moments un temperatūra, rotācijas frekvence r T1/2 Er/RT
Tomēr vairākos svarīgos rādītājos šķidrums ir tuvu cietajam stāvoklim (kvazikristālisms). Eksperimentālo faktu uzkrāšanās liecināja, ka šķidrumiem un kristāliem ir daudz kopīga. Atsevišķu šķidrumu fizikāli ķīmiskie pētījumi ir parādījuši, ka gandrīz visos no tiem ir daži kristāla struktūras elementi.
Pirmkārt, starpmolekulārie attālumi šķidrumā ir tuvi attālumiem cietā vielā. To pierāda fakts, ka pēdējās kušanas laikā vielas tilpums mainās nenozīmīgi (parasti tas palielinās ne vairāk kā par 10%). Otrkārt, starpmolekulārās mijiedarbības enerģija šķidrumā un cietā vielā atšķiras nenozīmīgi. Tas izriet no tā, ka saplūšanas siltums ir daudz mazāks par iztvaikošanas siltumu. Piemēram, ūdenim Hpl= 6 kJ/mol un Hsp= 45 kJ/mol; benzolam Hpl = 11 kJ/mol, un Htest = 48 kJ/mol.
Treškārt, vielas siltumietilpība kušanas laikā mainās ļoti maz, t.i. tas ir tuvu abiem šiem stāvokļiem. No tā izriet, ka daļiņu kustības raksturs šķidrumā ir tuvu kustībai cietā vielā. Ceturtkārt, šķidrums, tāpat kā ciets ķermenis, var izturēt lielus stiepes spēkus, nesalūstot.
Šķidruma un cietās vielas atšķirība ir plūstamībā: cieta viela saglabā formu, šķidrums to viegli maina pat nelielas piepūles ietekmē. Šīs īpašības izriet no tādām šķidruma struktūras iezīmēm kā spēcīga starpmolekulārā mijiedarbība, neliela attāluma secība molekulu izkārtojumā un molekulu spēja salīdzinoši ātri mainīt savu pozīciju. Kad šķidrumu karsē no sasalšanas punkta līdz viršanas temperatūrai, tā īpašības mainās vienmērīgi, karsējot, pakāpeniski palielinās līdzības ar gāzi.
Katrs no mums var viegli atcerēties daudzas vielas, kuras viņš uzskata par šķidrumiem. Tomēr nav tik vienkārši sniegt precīzu šī vielas stāvokļa definīciju, jo šķidrumiem ir tādas fizikālās īpašības, ka dažos aspektos tie atgādina cietas vielas, bet citos - gāzes. Šķidrumu un cietvielu līdzība visizteiktākā ir stiklveida materiālos. To pāreja no cietas uz šķidru, palielinoties temperatūrai, notiek pakāpeniski, nevis kā izteikta kušanas temperatūra, tie vienkārši kļūst mīkstāki un mīkstāki, tāpēc nav iespējams norādīt, kurā temperatūras diapazonā tos vajadzētu saukt par cietām vielām un kurā tiem vajadzētu būt. sauc par šķidrumiem. Mēs varam tikai teikt, ka stiklveida vielas viskozitāte šķidrā stāvoklī ir mazāka nekā cietā stāvoklī. Tāpēc cietās brilles bieži sauc par pārdzesētiem šķidrumiem. Acīmredzot visvairāk raksturīga īpašībašķidrumi, kas tos atšķir no cietām vielām, ir to zemā viskozitāte, t.i. augsta plūstamība. Pateicoties viņai, tie iegūst trauka formu, kurā tie tiek ielejami. Molekulārā līmenī augsta plūstamība nozīmē relatīvi lielu šķidruma daļiņu brīvību. Šajā gadījumā šķidrumi atgādina gāzes, lai gan šķidrumu starpmolekulārās mijiedarbības spēki ir lielāki, molekulas ir tuvākas un to kustība ir ierobežotāka.
Sacītajam var pieiet citādāk – no tālās un tuvās darbības idejas viedokļa. Tālsatiksmes kārtība pastāv kristāliskās cietās vielās, kuru atomi ir izkārtoti stingri sakārtoti, veidojot trīsdimensiju struktūras, kuras var iegūt, atkārtoti atkārtojot vienības šūnu. Šķidrumā un stiklā nav liela attāluma pasūtījuma. Tas gan nenozīmē, ka tie vispār netiek pasūtīti. Tuvāko kaimiņu skaits visiem atomiem ir gandrīz vienāds, bet atomu izvietojums, attālinoties no jebkuras izvēlētās pozīcijas, kļūst arvien haotiskāks. Tādējādi kārtība pastāv tikai nelielos attālumos, no šejienes arī nosaukums: maza attāluma kārtība. Adekvātu šķidruma struktūras matemātisko aprakstu var sniegt tikai ar statistiskās fizikas palīdzību. Piemēram, ja šķidrums sastāv no identiskām sfēriskām molekulām, tad tā struktūru var aprakstīt ar radiālā sadalījuma funkciju g(r), kas dod varbūtību atrast jebkuru molekulu attālumā r no dotās, kas izvēlēta par atskaites punktu. . Eksperimentāli šo funkciju var atrast, pētot rentgenstaru vai neitronu difrakciju, un līdz ar ātrgaitas datoru parādīšanos to sāka aprēķināt ar metodi datorsimulācija, pamatojoties uz pieejamajiem datiem par spēku būtību, kas darbojas starp molekulām, vai uz pieņēmumiem par šiem spēkiem, kā arī uz Ņūtona mehānikas likumiem. Salīdzinot teorētiski un eksperimentāli iegūtās radiālās sadalījuma funkcijas, var pārliecināties par pieņēmumu par starpmolekulāro spēku būtību pareizību.
Organiskajās vielās, kuru molekulām ir izstiepta forma, vienā vai citā temperatūras diapazonā dažkārt atrodami šķidrās fāzes apgabali ar liela attāluma orientācijas secību, kas izpaužas kā tendence paralēli izlīdzināt garās ass. molekulas. Šajā gadījumā orientācijas sakārtošanu var papildināt ar molekulāro centru koordinācijas sakārtošanu. Šāda veida šķidrās fāzes parasti sauc par šķidrajiem kristāliem. Šķidro kristāliskais stāvoklis ir starpposms starp kristālisko un šķidrumu. Šķidriem kristāliem ir gan plūstamība, gan anizotropija (optiskā, elektriskā, magnētiskā). Dažreiz šo stāvokli sauc par mezomorfu (mezofāzi), jo nav liela attāluma kārtības. Eksistences augšējā robeža ir apgaismības temperatūra (izotrops šķidrums). Termotropās (mezogēnās) FA pastāv virs noteiktas temperatūras. Tipiski ir cianobifenili. Liotropisks - izšķīdinot, piemēram, ziepju, polipeptīdu, lipīdu, DNS ūdens šķīdumi. Šķidro kristālu izpēte (mezofāze - kušana divos posmos - duļķains kausējums, pēc tam caurspīdīgs, pāreja no kristāliskās fāzes uz šķidrumu caur starpformu ar anizotropām optiskām īpašībām) ir svarīga tehnoloģijas nolūkos - šķidro kristālu indikācija.
Molekulas gāzē pārvietojas nejauši (nejauši). Gāzēs attālums starp atomiem vai molekulām vidēji ir daudzkārt lielāks nekā pašu molekulu izmērs. Gāzē esošās molekulas pārvietojas ar lielu ātrumu (simtiem m/s). Saduroties, tās atlec viena no otras kā perfekti elastīgas bumbiņas, mainot ātrumu lielumu un virzienu. Lielos attālumos starp molekulām pievilcīgie spēki ir mazi un nespēj noturēt gāzes molekulas blakus. Tāpēc gāzes var izplesties bezgalīgi. Gāzes ir viegli saspiežamas, vidējais attālums starp molekulām samazinās, bet joprojām saglabājas liela izmēra. Gāzes nesaglabā ne formu, ne tilpumu, to tilpums un forma sakrīt ar trauka tilpumu un formu, ko tās piepilda. Daudzas molekulu ietekmes uz trauka sienām rada gāzes spiedienu.
Cieto vielu atomi un molekulas vibrē ap noteiktām līdzsvara pozīcijām. Tāpēc cietās vielas saglabā gan apjomu, gan formu. Ja jūs garīgi savienojat cieta ķermeņa atomu vai jonu līdzsvara pozīciju centrus, tad iegūstat kristāla režģi.
Šķidruma molekulas atrodas gandrīz tuvu viena otrai. Tāpēc šķidrumi ir ļoti slikti saspiežami un saglabā savu tilpumu. Šķidruma molekulas vibrē ap līdzsvara stāvokli. Laiku pa laikam molekula veic pārejas no viena nostādināta stāvokļa uz otru, kā likums, ārējā spēka darbības virzienā. Molekulas nostādināšanas laiks ir mazs un samazinās, palielinoties temperatūrai, un molekulas pārejas laiks uz jaunu nostādinātu stāvokli ir vēl īsāks. Tāpēc šķidrumi ir šķidri, nesaglabā savu formu un iegūst trauka formu, kurā tos ielej.

Šķidrumu kinētiskā teorija Ya. I. Frenkel izstrādātā šķidrumu kinētiskā teorija uzskata šķidrumu par dinamiska sistēma daļiņas, kas daļēji atgādina kristālisko stāvokli. Temperatūrā, kas ir tuvu kušanas temperatūrai, siltuma kustība šķidrumā galvenokārt tiek samazināta līdz harmoniskām daļiņu svārstībām ap noteiktām vidējām līdzsvara pozīcijām. Atšķirībā no kristāliskā stāvokļa, šīs molekulu līdzsvara pozīcijas šķidrumā ir īslaicīgas katrai molekulai. Pēc svārstības ap vienu līdzsvara pozīciju kādu laiku t, molekula pārlec uz jaunu pozīciju, kas atrodas kaimiņos. Šāds lēciens notiek, iztērējot enerģiju U, tāpēc “nostādinātās dzīves” laiks t ir atkarīgs no temperatūras šādi: t = t0 eU/RT, kur t0 ir vienas svārstības periods ap līdzsvara stāvokli. Ūdenim istabas temperatūrā t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, t.i., viena molekula, izdarījusi ap 100 vibrācijām, pārlec jaunā pozīcijā, kur turpina svārstīties. No datiem par rentgenstaru un neitronu izkliedi var aprēķināt daļiņu sadalījuma blīvuma funkciju  atkarībā no attāluma r no vienas daļiņas, kas izvēlēta par centru. Ja kristāliskā cietā vielā ir liela attāluma kārtība, funkcijai (r) ir vairāki atšķirīgi maksimumi un minimumi. Daļiņu lielās mobilitātes dēļ šķidrumā tiek saglabāta tikai neliela attāluma kārtība. Tas skaidri izriet no šķidrumu rentgenstaru modeļiem: funkcijai (r) šķidrumam ir skaidrs pirmais maksimums, difūzā otrā un tad (r) = const. Kinētiskā teorija kausēšanu apraksta šādi. Cietās vielas kristāla režģī vienmēr ir neliels skaits brīvu vietu (caurumu), kas lēnām klīst ap kristālu. Jo tuvāk temperatūra ir kušanas temperatūrai, jo augstāka ir "caurumu" koncentrācija un jo ātrāk tie pārvietojas pa paraugu. Kušanas punktā “caurumu” veidošanās process iegūst lavīnai līdzīgu kooperatīvu raksturu, daļiņu sistēma kļūst dinamiska, zūd tālsatiksmes kārtība, parādās plūstamība. Izšķirošā loma kausēšanā ir brīva tilpuma veidošanās šķidrumā, kas padara sistēmu šķidru. Būtiskākā atšķirība starp šķidrumu un cietu kristālisku ķermeni ir tā, ka šķidrumā ir brīvs tilpums, kura ievērojamai daļai ir svārstību (“caurumu”) forma, kuras klejošana pa šķidrumu dod tam tādu raksturīga kvalitāte kā plūstamība. Šādu “caurumu” skaits, to apjoms un kustīgums ir atkarīgs no temperatūras. Zemā temperatūrā šķidrums, ja tas nav pārvērties par kristālisku ķermeni, kļūst par amorfu cietu vielu ar ļoti zemu plūstamību, jo samazinās "caurumu" tilpums un kustīgums. Kā arī kinētiskā teorija Pēdējās desmitgadēs ir veiksmīgi attīstīta šķidrumu statistiskā teorija.

Ledus un ūdens struktūra. Vissvarīgākais un izplatītākais šķidrums normālos apstākļos ir ūdens. Šī ir visizplatītākā molekula uz Zemes! Tas ir lielisks šķīdinātājs. Piemēram, visi bioloģiskie šķidrumi satur ūdeni. Ūdens izšķīdina daudzas neorganiskās (sāļus, skābes, bāzes) un organiskās vielas (spirtus, cukurus, karbonskābes, amīni). Kāda ir šī šķidruma struktūra? Atkal būs jāatgriežas pie jautājuma, ko izskatījām pirmajā lekcijā, proti, pie tādas specifiskas starpmolekulāras mijiedarbības kā ūdeņraža saite. Ūdenim gan šķidrā, gan kristāliskā veidā piemīt anomālas īpašības tieši daudzu ūdeņraža saišu klātbūtnes dēļ. Kādas ir šīs anomālās īpašības: augsta viršanas temperatūra, augsta kušanas temperatūra un augsta iztvaikošanas entalpija. Vispirms apskatīsim grafiku, tad tabulu un pēc tam ūdeņraža saites diagrammu starp divām ūdens molekulām. Faktiski katra ūdens molekula ap sevi koordinē 4 citas ūdens molekulas: divas skābekļa dēļ, kā divu vientuļo elektronu pāru donors divos protonizētos ūdeņražos, un divas, pateicoties protonizētiem ūdeņražiem, kas koordinē ar citu ūdens molekulu skābekli. Iepriekšējā lekcijā es jums parādīju slaidu ar VI grupas hidrīdu kušanas temperatūras, viršanas temperatūras un iztvaikošanas entalpijas grafikiem atkarībā no perioda. Šīm atkarībām ir skaidra skābekļa hidrīda anomālija. Visi šie ūdens parametri ir ievērojami augstāki nekā tie, kas prognozēti no gandrīz lineārās atkarības šādiem sēra, selēna un telūra hidrīdiem. Mēs to izskaidrojām ar ūdeņraža saites esamību starp protonizētu ūdeņradi un elektronu blīvuma akceptoru, skābekli. Ūdeņraža saite visveiksmīgāk pētīta, izmantojot vibrāciju infrasarkano spektroskopiju. Brīvajai OH grupai ir raksturīga vibrācijas enerģija, kuras dēļ OH saite pārmaiņus pagarinās un saīsinās, radot raksturīgu joslu molekulas infrasarkanās absorbcijas spektrā. Taču, ja OH grupa piedalās ūdeņraža saitē, ūdeņraža atomu saista atomi no abām pusēm un tādējādi tā vibrācija tiek "slāpēta" un frekvence samazinās. Sekojošā tabula parāda, ka ūdeņraža saites stiprības un "koncentrācijas" palielināšanās noved pie absorbcijas biežuma samazināšanās. Attēlā līkne 1 atbilst O-H grupu infrasarkanās absorbcijas spektra maksimumam ledū (kur visas H-saites ir saistītas); līkne 2 atbilst grupu infrasarkanās absorbcijas spektra maksimumam O-N indivīds CCl4 izšķīdinātas H2O molekulas (kur nav H-saišu - H2O šķīdums CCl4 ir pārāk atšķaidīts); un līkne 3 atbilst šķidrā ūdens absorbcijas spektram. Ja šķidram ūdenim būtu divi O-N klases grupas - veidojot ūdeņraža saites un tās neveidojot - un dažas O-N grupasūdenī tie vibrētu tāpat (ar tādu pašu frekvenci) kā ledū (kur tie veido H-saites), bet citi - kā CCl4 vidē (kur tie neveido H-saites). Tad ūdens spektram būtu divi maksimumi, kas atbilst diviem O-H norāda grupas, to divas raksturīgās svārstību frekvences: ar kādu frekvenci grupa vibrē, ar šo tā absorbē gaismu. Bet "divu maksimumu" bilde netiek ievērota! Tā vietā 3. līknē mēs redzam vienu, ļoti izplūdušu maksimumu, kas stiepjas no 1. līknes maksimuma līdz 2. līknes maksimumam. Tas nozīmē, ka visas O-H grupas šķidrā ūdenī veido ūdeņraža saites, taču visām šīm saitēm ir atšķirīga enerģija. brīvs” (ir cita enerģija), un dažādos veidos. Tas parāda, ka attēls, kurā dažas ūdeņraža saites ūdenī tiek pārrautas un dažas tiek saglabātas, ir, stingri ņemot, nepareizs. Tomēr tas ir tik vienkārši un ērti, lai aprakstītu ūdens termodinamiskās īpašības, ka tas tiek plaši izmantots - un mēs arī uz to atsauksimies. Bet paturiet prātā, ka tas nav pilnīgi precīzs.
Tādējādi IR spektroskopija ir jaudīga metode ūdeņraža saites pētīšanai, un ar šo spektrālo metodi iegūti daudzi dati par šķidrumu un ar to saistīto cietvielu struktūru. Rezultātā šķidram ūdenim ledus līdzīgais modelis (O.Ya. Samoilova modelis) ir viens no vispāratzītākajiem. Saskaņā ar šo modeli šķidrs ūdens tiek traucēta termiskās kustības dēļ (termiskās kustības pierādījumi un sekas - Brauna kustība, ko pirmo reizi 1827. gadā uz putekšņiem mikroskopā novēroja angļu botāniķis Roberts Brauns) ledai līdzīgs tetraedrisks rāmis (katra ūdens molekula ledus kristālā ir savienota ar ūdeņraža saitēm ar samazinātu enerģiju, salīdzinot ar ledū – "irdens" ūdeņraža saites) ar četrām apkārt esošām ūdens molekulām), šī rāmja tukšumi ir daļēji piepildīti ar ūdens molekulām, un ūdens molekulas, kas atrodas tukšumos un ledus līdzīgu karakasu mezglos, ir enerģētiski nevienlīdzīgas.

Atšķirībā no ūdens ledus kristālā kristāla režģa mezglos ir vienādas enerģijas ūdens molekulas, un tās var veikt tikai svārstīgas kustības. Šādā kristālā pastāv gan maza, gan liela attāluma kārtība. Šķidrā ūdenī (tāpat kā polāram šķidrumam) daži kristāla struktūras elementi tiek saglabāti (turklāt pat gāzes fāzē šķidrās molekulas ir sakārtotas mazos nestabilos klasteros), taču nav liela attāluma kārtības. Tādējādi šķidruma struktūra atšķiras no gāzes struktūras, ja ir neliela attāluma kārtība, bet tā atšķiras no kristāla struktūras, ja nav liela attāluma. Pārliecinošākais pierādījums tam ir rentgenstaru izkliedes izpēte. Trīs katras molekulas kaimiņi šķidrā ūdenī atrodas vienā slānī un atrodas lielākā attālumā no tā (0,294 nm) nekā ceturtā molekula no blakus esošā slāņa (0,276 nm). Katra ūdens molekula ledus veida karkasa sastāvā veido vienu spoguļsimetrisku (spēcīgu) un trīs centrāli simetriskas (mazāk spēcīgas) saites. Pirmais attiecas uz saitēm starp noteiktā slāņa ūdens molekulām un blakus esošajiem slāņiem, pārējais - uz saitēm starp viena slāņa ūdens molekulām. Tāpēc ceturtā daļa no visām saitēm ir spoguļsimetriskas, un trīs ceturtdaļas ir centrāli simetriskas. Ūdens molekulu tetraedriskās vides koncepcija lika secināt, ka tās struktūra ir izteikti ažūra un tajā ir tukšumi, kuru izmēri ir vienādi vai lielāki par ūdens molekulu izmēriem.

Šķidra ūdens struktūras elementi. a - elementārais ūdens tetraedrs (gaiši apļi - skābekļa atomi, melnās pusītes - iespējamās protonu pozīcijas uz ūdeņraža saites); b - spoguļsimetrisks tetraedru izvietojums; c - centrāli simetrisks izvietojums; d - skābekļa centru izvietojums parastā ledus struktūrā. Ūdenim ir raksturīgi ievērojami starpmolekulārās mijiedarbības spēki ūdeņraža saišu dēļ, kas veido telpisku tīklu. Kā jau teicām iepriekšējā lekcijā, ūdeņraža saite ir saistīta ar ūdeņraža atoma spēju, kas savienots ar elektronegatīvu elementu, veidot papildu saiti ar citas molekulas elektronnegatīvo atomu. Ūdeņraža saite ir salīdzinoši spēcīga un veido vairākus 20-30 kilodžoulus uz molu. Stiprības ziņā tas ieņem starpvietu starp van der Vālsa enerģiju un parasti jonu saites enerģiju. Enerģija ūdens molekulā ķīmiskā saite H-O ir 456 kJ/mol, un H…O ūdeņraža saites enerģija ir 21 kJ/mol.

Ūdeņraža savienojumi
Molekulmasa Temperatūra,  С
sasalšanas vārīšanās
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Ledus struktūra. normāls ledus. Punktēta līnija - H-saites. Ledus ažūriskajā struktūrā redzami nelieli dobumi, ko ieskauj H2O molekulas.
Tādējādi ledus struktūra ir ūdens molekulu ažūra konstrukcija, kas savienotas viena ar otru tikai ar ūdeņraža saitēm. Ūdens molekulu atrašanās vieta ledus struktūrā nosaka plašu kanālu klātbūtni struktūrā. Ledus kušanas laikā šajos kanālos "iekrīt" ūdens molekulas, kas izskaidro ūdens blīvuma pieaugumu salīdzinājumā ar ledus blīvumu. Ledus kristāli rodas regulāru sešstūra plākšņu, tabulu segregāciju un sarežģītas formas savstarpēju izaugumu veidā. Struktūra normāls ledus diktē H-saites: tas ir labs šo saišu ģeometrijai (O-H skatās tieši uz O), bet ne pārāk labs H2O molekulu ciešam van der Vālsa kontaktam. Tāpēc ledus struktūra ir ažūra, tajā H2O molekulas aptver mikroskopiskas (mazāk par H2O molekulu) poras. Ledus ažūra struktūra noved pie diviem labi zināmiem efektiem: (1) ledus ir mazāk blīvs nekā ūdens, tas peld tajā; un (2) zem spēcīga spiediena – piemēram, slidas asmeņi izkausē ledu. Lielākā daļa ūdeņraža saišu, kas pastāv ledū, tiek saglabātas šķidrā ūdenī. Tas izriet no ledus kušanas siltuma mazuma (80 cal/g) salīdzinājumā ar verdoša ūdens siltumu (600 cal/g 0°C temperatūrā). Varētu teikt, ka tikai 80/(600+80) = 12% no H-saitēm, kas pastāv ledus plīsumā šķidrā ūdenī. Tomēr šis attēls - ka dažas no ūdeņraža saitēm ūdenī ir salauztas un dažas ir saglabājušās - nav pilnīgi precīza: drīzāk visas ūdeņraža saites ūdenī kļūst vaļīgas. To labi ilustrē šādi eksperimentālie dati.

Risinājumu struktūra. No konkrēti piemēri attiecībā uz ūdeni, pāriesim pie citiem šķidrumiem. Dažādi šķidrumi atšķiras viens no otra pēc molekulu lieluma un starpmolekulāro mijiedarbību rakstura. Tādējādi katrā konkrētajā šķidrumā ir noteikta pseidokristāliska struktūra, ko raksturo neliela attāluma kārtība un zināmā mērā atgādina struktūru, kas iegūta, šķidrumam sasalstot un pārvēršoties cietā vielā. Izšķīdinot citu vielu, t.i. veidojoties šķīdumam, mainās starpmolekulāro mijiedarbību raksturs un parādās jauna struktūra ar atšķirīgu daļiņu izvietojumu nekā tīrā šķīdinātājā. Šī struktūra ir atkarīga no šķīduma sastāva un ir raksturīga katram konkrētajam risinājumam. Šķidrumu šķīdumu veidošanos parasti pavada solvatācijas process, t.i. šķīdinātāja molekulu izlīdzināšana ap izšķīdušās vielas molekulām starpmolekulāro spēku darbības dēļ. Atšķirt tuvu un tālu risināšanu, t.i. ap izšķīdušās vielas molekulām (daļiņām) veidojas primārie un sekundārie solvāta apvalki. Primārajā solvācijas apvalkā šķīdinātāja molekulas atrodas tiešā tuvumā, kas pārvietojas kopā ar izšķīdušās vielas molekulām. Šķīdinātāja molekulu skaitu primārajā solvācijas apvalkā sauc par solvatācijas koordinācijas skaitli, kas ir atkarīgs gan no šķīdinātāja rakstura, gan no izšķīdušās vielas īpašībām. Sekundārās solvatācijas apvalka sastāvā ir šķīdinātāja molekulas, kas atrodas daudz lielākos attālumos un ietekmē šķīdumā notiekošos procesus, mijiedarbojoties ar primāro solvatācijas apvalku.
Apsverot solvātu stabilitāti, izšķir kinētisko un termodinamisko stabilitāti.
Ūdens šķīdumos kinētiskās hidratācijas kvantitatīvās īpašības (O.Ya. Samoilov) ir vērtības i /  un Ei = Ei-E, kur i un  ir ūdens molekulu vidējais uzturēšanās laiks līdzsvarā. pozīcija i-tā jona tuvumā un iekšā tīrs ūdens, un Ei un E ir apmaiņas aktivācijas enerģija un pašizdifūzijas procesa aktivācijas enerģija ūdenī. Šie lielumi ir saistīti viens ar otru ar aptuvenu attiecību:
i/  exp(Ei/RT)
ja EI  0, i/  1 (jonam tuvāko ūdens molekulu apmaiņa notiek retāk (lēnāk) nekā apmaiņa starp molekulām tīrā ūdenī) - pozitīva hidratācija
ja EI  0, i/  1 (jonam tuvāko ūdens molekulu apmaiņa notiek biežāk (ātrāk) nekā apmaiņa starp molekulām tīrā ūdenī) - negatīva hidratācija

Tātad litija jonam EI = 1,7 kJ/mol, bet cēzija jonam Ei= - 1,4 kJ/mol, t.i. mazs "cietais" litija jons notur ūdens molekulas spēcīgāk nekā liels un "izkliedēts" cēzija jons ar tādu pašu lādiņu. Izveidoto solvātu termodinamisko stabilitāti nosaka Gibsa enerģijas izmaiņas solvācijas laikā (solvG) = (solvH) - T(solvS). Jo negatīvāka šī vērtība, jo stabilāks ir solvāts. Būtībā tas ir noteikts negatīvas vērtības risinājuma entalpijas.
Risinājumu jēdziens un risinājumu teorijas. Patiesi šķīdumi tiek iegūti spontāni, saskaroties divām vai vairākām vielām, jo ​​tiek iznīcinātas saites starp viena veida daļiņām un veidojas cita veida saites, un difūzijas dēļ viela izplatās visā tilpumā. Šķīdumus pēc to īpašībām iedala ideālajos un reālajos, elektrolītu un neelektrolītu šķīdumos, atšķaidītos un koncentrētos, nepiesātinātos, piesātinātos un pārsātinātos. Rastoru īpašības ir atkarīgas no MMW rakstura un lieluma. Šī mijiedarbība var būt fiziska (van der Vāla spēki) un sarežģīta fizikāli ķīmiska rakstura (ūdeņraža saite, jonu-molekulārā saite, lādiņa pārneses kompleksi utt.). Šķīduma veidošanās procesu raksturo vienlaicīga pievilcīgu un atgrūdošu spēku izpausme starp mijiedarbojošām daļiņām. Ja nebūtu atgrūdošu spēku, daļiņas saplūstu (saliptu kopā) un šķidrumus varētu saspiest bezgalīgi; ja nebūtu pievilcīgu spēku, nebūtu iespējams iegūt šķidrumus vai cietas vielas. Iepriekšējā lekcijā mēs apskatījām risinājumu fizikālās un ķīmiskās teorijas.
Tomēr vienotas risinājumu teorijas izveide sastopas ar ievērojamām grūtībām un šobrīd tā vēl nav izveidota, lai gan pētījumi tiek veikti visvairāk modernas metodes kvantu mehānika, statistiskā termodinamika un fizika, kristālu ķīmija, rentgenstaru difrakcijas analīze, optiskās metodes, KMR metodes. reaktīvais lauks. Turpinot starpmolekulārās mijiedarbības spēku apsvēršanu, mēs apsvērsim jēdzienu "reaktīvā lauks", kas ir svarīgs, lai izprastu kondensētās vielas un jo īpaši reālo gāzu struktūru un struktūru. šķidrs stāvoklis un līdz ar to viss fizikālā ķīmijašķidrie šķīdumi.
Reaktīvais lauks rodas polāru un nepolāru molekulu maisījumos, piemēram, ogļūdeņražu un naftēnskābju maisījumos. Polārās molekulas iedarbojas ar noteiktas simetrijas lauku (lauka simetriju nosaka brīvo molekulāro orbitāļu simetrija) un intensitāti H uz nepolārajām molekulām. Pēdējie ir polarizēti lādiņu atdalīšanas dēļ, kas izraisa dipola parādīšanos (indukciju). Molekula ar inducētu dipolu savukārt iedarbojas uz polāro molekulu, mainot tās elektromagnētisko lauku, t.i. ierosina reaktīvo (atbildes) lauku. Reaktīvā lauka parādīšanās izraisa daļiņu mijiedarbības enerģijas palielināšanos, kas izpaužas kā spēcīgu polāro molekulu solvatācijas apvalku izveidošana polāro un nepolāro molekulu maisījumā.
Reaktīvā lauka enerģiju aprēķina pēc šādas formulas: kur:
zīme "-" - nosaka molekulu pievilcību
S - statiskā elektriskā caurlaidība
 neierobežots ir caurlaidība, ko rada molekulu elektroniskā un atomu polarizējamība
NA - Avogadro numurs
VM ir tilpums, ko izotropā šķidrumā aizņem 1 mols polāras vielas v = dipola moments
ER ir 1 mola polāras vielas enerģija šķīdumā
Jēdziens "reaktīvā lauks" ļaus mums labāk izprast tīru šķidrumu un šķīdumu struktūru. Kvantu ķīmiskā pieeja reaktīvā lauka izpētei tika izstrādāta M.V. darbos. L. Ya. Karpova Tādējādi šķidrā stāvokļa problēma gaida savus jaunos pētniekus. Tu un kārtis tavās rokās.

Gāzu, šķidrumu un cietvielu struktūra.

Molekulārās kinētiskās teorijas pamatnoteikumi:

Visas vielas sastāv no molekulām, un molekulas sastāv no atomiem.

atomi un molekulas atrodas pastāvīgā kustībā,

Starp molekulām pastāv pievilcīgi un atgrūdoši spēki.

AT gāzes molekulas pārvietojas nejauši, attālumi starp molekulām ir lieli, molekulārie spēki ir mazi, gāze aizņem visu tai paredzēto tilpumu.

AT šķidrumi molekulas tiek sakārtotas tikai nelielos attālumos, un lielos attālumos tiek pārkāpta izkārtojuma kārtība (simetrija) - “īsa diapazona kārtība”. Molekulārās pievilkšanās spēki tur molekulas cieši kopā. Molekulu kustība ir “lec” no vienas stabilas pozīcijas uz otru (parasti viena slāņa ietvaros. Šī kustība izskaidro šķidruma plūstamību. Šķidrumam nav formas, bet ir tilpums.

Cietās vielas - vielas, kas saglabā savu formu, iedala kristāliskās un amorfās. kristāliska cieta vielaķermeņiem ir kristāla režģis, kura mezglos var atrasties joni, molekulas vai atomi.Tie svārstās attiecībā pret stabilām līdzsvara pozīcijām.Kristālu režģiem ir regulāra struktūra visā tilpumā - izvietojuma “tālas darbības secība”.

Amorfie ķermeņi saglabā savu formu, bet tiem nav kristāla režģa un līdz ar to tiem nav izteiktas kušanas temperatūras. Tos sauc par sasaldētiem šķidrumiem, jo ​​tiem, tāpat kā šķidrumiem, ir “gandrīz” molekulārā izkārtojuma secība.

Molekulu mijiedarbības spēki

Visas vielas molekulas mijiedarbojas viena ar otru ar pievilkšanās un atgrūšanas spēkiem. Molekulu mijiedarbības pierādījums: mitrināšanas fenomens, izturība pret saspiešanu un stiepšanos, cietu vielu un gāzu zema saspiežamība utt. Molekulu mijiedarbības iemesls ir vielā lādētu daļiņu elektromagnētiskā mijiedarbība. Kā to izskaidrot? Atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādēta elektronu apvalka. Kodola lādiņš ir vienāds ar visu elektronu kopējo lādiņu, tāpēc atoms kopumā ir elektriski neitrāls. Molekula, kas sastāv no viena vai vairākiem atomiem, arī ir elektriski neitrāla. Apsveriet mijiedarbību starp molekulām, izmantojot divu nekustīgu molekulu piemēru. Dabā starp ķermeņiem var pastāvēt gravitācijas un elektromagnētiskie spēki. Tā kā molekulu masas ir ārkārtīgi mazas, var neņemt vērā nenozīmīgos molekulu gravitācijas mijiedarbības spēkus. Ļoti lielos attālumos starp molekulām arī nav elektromagnētiskās mijiedarbības. Bet, samazinoties attālumam starp molekulām, molekulas sāk orientēties tā, lai to malām, kas atrodas viena pret otru, būtu dažādu zīmju lādiņi (kopumā molekulas paliek neitrālas), un starp molekulām rodas pievilcīgi spēki. Vēl vairāk samazinoties attālumam starp molekulām, molekulu atomu negatīvi lādētu elektronu apvalku mijiedarbības rezultātā rodas atgrūšanas spēki. Tā rezultātā molekulu ietekmē pievilkšanas un atgrūšanas spēku summa. Lielos attālumos dominē pievilcības spēks (2-3 molekulu diametru attālumā pievilcība ir maksimāla), nelielos attālumos - atgrūšanas spēks. Starp molekulām ir tāds attālums, kurā pievilkšanās spēki kļūst vienādi ar atgrūšanas spēkiem. Šo molekulu stāvokli sauc par stabila līdzsvara stāvokli. Molekulām, kas atrodas attālumā viena no otras un savienotas ar elektromagnētiskiem spēkiem, ir potenciālā enerģija. Stabila līdzsvara stāvoklī molekulu potenciālā enerģija ir minimāla. Vielā katra molekula vienlaikus mijiedarbojas ar daudzām blakus esošām molekulām, kas ietekmē arī molekulu minimālās potenciālās enerģijas vērtību. Turklāt visas vielas molekulas atrodas nepārtrauktā kustībā, t.i. ir kinētiskā enerģija. Tādējādi vielas struktūru un tās īpašības (cietie, šķidrie un gāzveida ķermeņi) nosaka attiecība starp minimālo molekulu mijiedarbības potenciālo enerģiju un molekulu termiskās kustības kinētisko enerģiju.

Cietu, šķidru un gāzveida ķermeņu uzbūve un īpašības

Ķermeņu uzbūve skaidrojama ar ķermeņa daļiņu mijiedarbību un to termiskās kustības raksturu.

Ciets

Cietām vielām ir nemainīga forma un tilpums, un tās praktiski nav saspiežamas. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir lielāka par molekulu kinētisko enerģiju. Spēcīga daļiņu mijiedarbība. Molekulu termisko kustību cietā vielā izsaka tikai daļiņu (atomu, molekulu) svārstības ap stabila līdzsvara stāvokli.

Lielo pievilkšanas spēku dēļ molekulas praktiski nevar mainīt savu stāvokli vielā, kas izskaidro cietvielu tilpuma un formas nemainīgumu. Lielākajai daļai cieto vielu ir telpiski sakārtots daļiņu izvietojums, kas veido regulāru kristāla režģi. Vielas daļiņas (atomi, molekulas, joni) atrodas virsotnēs - kristāla režģa mezglos. Kristāla režģa mezgli sakrīt ar daļiņu stabila līdzsvara stāvokli. Šādas cietas vielas sauc par kristāliskām.

Šķidrums

Šķidrumiem ir noteikts tilpums, bet tiem nav savas formas, tie iegūst trauka formu, kurā tie atrodas. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir salīdzināma ar molekulu kinētisko enerģiju. Vāja daļiņu mijiedarbība. Molekulu termisko kustību šķidrumā izsaka ar svārstībām ap stabila līdzsvara stāvokli tilpumā, ko molekulai nodrošina tās kaimiņi. Molekulas nevar brīvi pārvietoties visā vielas tilpumā, bet ir iespējama molekulu pāreja uz blakus vietām. Tas izskaidro šķidruma plūstamību, spēju mainīt tā formu.

Šķidrumos molekulas ir diezgan stipri viena ar otru saistītas ar pievilcības spēkiem, kas izskaidro šķidruma tilpuma nemainīgumu. Šķidrumā attālums starp molekulām ir aptuveni vienāds ar molekulas diametru. Samazinoties attālumam starp molekulām (saspiežot šķidrumu), strauji palielinās atgrūšanas spēki, tāpēc šķidrumi ir nesaspiežami. Šķidrumi pēc savas struktūras un termiskās kustības rakstura ieņem starpstāvokli starp cietām vielām un gāzēm. Lai gan atšķirība starp šķidrumu un gāzi ir daudz lielāka nekā starp šķidrumu un cietu vielu. Piemēram, kušanas vai kristalizācijas laikā ķermeņa tilpums mainās daudzkārt mazāk nekā iztvaikošanas vai kondensācijas laikā.

Gāzēm nav nemainīga tilpuma un tās aizņem visu trauka tilpumu, kurā tās atrodas. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir mazāka par molekulu kinētisko enerģiju. Vielas daļiņas praktiski nesadarbojas. Gāzēm raksturīgs pilnīgs molekulu izvietojuma un kustības traucējums.

Attālums starp gāzes molekulām ir daudzkārt lielāks par molekulu izmēru. Mazie pievilkšanas spēki nevar noturēt molekulas tuvu viena otrai, tāpēc gāzes var neierobežoti paplašināties. Ārēja spiediena iedarbībā gāzes tiek viegli saspiestas, jo. attālumi starp molekulām ir lieli, un mijiedarbības spēki ir niecīgi. Gāzes spiedienu uz trauka sienām rada kustīgu gāzes molekulu ietekme.