Caracteristicile structurii moleculare a lichidelor

Lichidul ocupă o poziție intermediară în proprietăți și structură între gaze și substanțele cristaline solide. Prin urmare, are proprietăți atât gazoase, cât și solide. În teoria cinetică moleculară, diferite stări agregate ale unei substanțe sunt asociate cu diferite grade de ordine moleculară. Pentru solide, așa-numitele comanda pe termen lungîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se pe distanțe lungi. În lichide, așa-numitele comanda pe raza scurtaîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetată la distanţe, este comparabilă cu cele interatomice. La temperaturi apropiate de temperatura de cristalizare, structura lichidului este apropiată de cea a unui solid. La temperaturi ridicate, aproape de punctul de fierbere, structura lichidului corespunde stării gazoase - aproape toate moleculele participă la mișcarea termică haotică.

Lichidele, ca și solidele, au un anumit volum, iar ca și gazele, ele iau forma vasului în care se află. Moleculele de gaz practic nu sunt interconectate de forțele interacțiunii intermoleculare și, în acest caz, energia medie mișcarea termică moleculele de gaz sunt mult mai mari decât energia potențială medie din cauza forțelor de atracție dintre ele, astfel încât moleculele de gaz se împrăștie în direcții diferite, iar gazul ocupă volumul care îi este furnizat. În corpurile solide și lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt deja semnificative și țin moleculele la o anumită distanță unele de altele. În acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor este mai mică decât energia potențială medie din cauza forțelor interacțiunii intermoleculare și nu este suficient să depășim forțele de atracție dintre molecule, astfel încât solidele și lichidele au un anumit volum. .

Presiunea în lichide crește foarte brusc odată cu creșterea temperaturii și scăderea volumului. Expansiunea volumetrică a lichidelor este mult mai mică decât cea a vaporilor și gazelor, deoarece forțele care leagă moleculele dintr-un lichid sunt mai semnificative; aceeași remarcă este valabilă pentru dilatarea termică.

Capacitatea termică a lichidelor crește de obicei cu temperatura (deși ușor). Raportul C p /C V este practic egal cu unu.

Teoria fluidului nu a fost complet dezvoltată până în prezent. Dezvoltarea unui număr de probleme în studiul proprietăților complexe ale unui lichid aparține lui Ya.I. Frenkel (1894–1952). El a explicat mișcarea termică într-un lichid prin faptul că fiecare moleculă oscilează un timp în jurul unei anumite poziții de echilibru, după care sare într-o nouă poziție, care se află la o distanță de ordinul distanței interatomice față de cea inițială. Astfel, moleculele lichidului se mișcă destul de lent în întreaga masă a lichidului. Odată cu creșterea temperaturii lichidului, frecvența mișcării oscilatorii crește brusc, iar mobilitatea moleculelor crește.

Pe baza modelului Frenkel, este posibil să explic câteva trăsături distinctive proprietățile lichidului. Astfel, lichidele, chiar și în apropierea temperaturii critice, au o mult mai mare viscozitate decât gazele, iar vâscozitatea scade odată cu creșterea temperaturii (mai degrabă decât crește, ca în gaze). Acest lucru se explică printr-o natură diferită a procesului de transfer de impuls: este transferat de molecule care sar de la o stare de echilibru la alta, iar aceste salturi devin mult mai frecvente odată cu creșterea temperaturii. Difuzieîn lichide apare numai din cauza salturilor moleculare și are loc mult mai lent decât în ​​gaze. Conductivitate termică lichidele se datorează schimbului de energie cinetică între particulele care oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru cu amplitudini diferite; salturile ascuțite ale moleculelor nu joacă un rol vizibil. Mecanismul de conducere a căldurii este similar cu mecanismul său în gaze. trăsătură caracteristică lichid este capacitatea sa de a avea suprafata libera(nu este limitat de pereți solidi).

Au fost propuse mai multe teorii pentru structura moleculară a lichidelor.

1. Model zona. LA acest moment timp, un lichid poate fi considerat ca fiind format din regiuni în care moleculele sunt dispuse în ordinea corectă, formând un fel de microcristal (zonă). Aceste zone sunt, parcă, separate de o substanță în stare gazoasă. În timp, aceste zone se formează în alte locuri și așa mai departe.

2. Teoria structurii cvasicristaline. Luați în considerare un cristal la temperatura zero absolută (vezi Fig. 9.9.)

Selectăm o direcție arbitrară în ea și graficăm dependența probabilității P de a găsi o moleculă de gaz la o anumită distanță de o altă moleculă plasată la origine (Fig. 9.9. A), în timp ce moleculele sunt situate la nodurile rețelei cristaline. La o temperatură mai mare (Fig. 9.9, b) moleculele oscilează în jurul unor poziții fixe de echilibru, lângă care își petrec cea mai mare parte a timpului. Periodicitatea strictă a repetiției maximelor de probabilitate într-un cristal ideal se extinde în mod arbitrar departe de particula aleasă; prin urmare, se obișnuiește să se spună că într-un solid există o „ordine de lungă durată”.

În cazul unui lichid (Fig. 9.9, în) în apropierea fiecărei molecule, vecinii ei sunt localizați mai mult sau mai puțin regulat, dar la distanță această ordine este încălcată (ordinea cu rază scurtă). Pe grafic, distanțele sunt măsurate în fracțiuni din raza moleculei (r/r 0).

DISTRIBUȚIA MOLECULELOR ÎNTR-UN CÂMP POTENȚIAL

FORȚE GRAVITAȚII (DISTRĂȚIA BOLTZMANN)

La derivarea ecuației de bază a MKT-ului gazelor și a distribuției Maxwell, s-a presupus că forțele externe nu acționează asupra moleculelor de gaz, ceea ce înseamnă că moleculele sunt distribuite uniform pe volum. Cu toate acestea, moleculele oricărui gaz se află întotdeauna în câmpul potențial al gravitației Pământului. Gravitația, pe de o parte, și mișcarea termică a moleculelor, pe de altă parte, conduc la o anumită stare staționară, în care presiunea gazului scade odată cu creșterea înălțimii.

Să obținem legea modificării presiunii cu înălțimea, presupunând că pe toată înălțimea: câmpul gravitațional este uniform (g = const); temperatura este aceeași (T = const); masele tuturor moleculelor sunt aceleași.

Fie presiunea p la înălțimea h. Apoi la înălțimea h + dh presiunea este p + dp. Mai mult, dacă dh >0, atunci dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Acum sau .

Să integrăm partea dreaptă și stângă:

; .

Unde, . (26)

Aceasta este așa-numita formulă barometrică. Vă permite să determinați presiunea atmosferei în funcție de altitudinea deasupra nivelului mării:

. (27)

pentru că presiunea este direct proporțională cu concentrația de molecule, atunci puteți obține legea modificării concentrației de molecule cu înălțimea, cu condiția ca temperatura să nu se schimbe cu înălțimea (T = const):

. (28)

Considerând că M = m∙N A , și R = k∙N A din (27) obținem:

pentru că mgh = U(h) este energia potențială a unei molecule la înălțimea h, atunci

(30)

este distribuția Boltzmann.

NUMĂRUL DE COLIZIUNI ȘI CALEA MEDIE LIBERĂ A MOLECULELOR DE GAZ IDEALE.

Ca urmare a mișcării haotice, moleculele de gaz se ciocnesc continuu unele cu altele. Între două ciocniri succesive, molecula parcurge o anumită cale λ, care se numește calea liberă medie. . În cazul general, lungimea acestei căi este diferită, dar din moment ce numărul de ciocniri este foarte mare, iar mișcarea este aleatorie, apoi în condiții externe constante putem vorbi despre lungime medie alergare liberă - . Dacă moleculele unui anumit gaz experimentează în medie coliziuni de 1 secundă, atunci

unde este viteza medie aritmetică a moleculelor.

Considerăm moleculele de gaz ideal ca sfere. Evident, o coliziune va avea loc dacă două molecule se apropie până la o distanță egală cu două raze, adică diametrul moleculelor d. Distanta minima, prin care centrele a două molecule se apropie în timpul unei coliziuni, se numește diametrul efectiv al moleculelor. Acest parametru depinde de , și, prin urmare, de temperatura gazului.

Pentru a defini, imaginați-vă o moleculă cu un diametru efectiv d, care se mișcă cu o viteză printre alte molecule, care în același timp rămân nemișcate. Această moleculă se va ciocni cu toate moleculele ale căror centre se află în interiorul unui cilindru „rupt” cu raza d. Aceasta înseamnă că este egal cu numărul de molecule din volumul acestui cilindru

unde n este concentrația moleculelor și V este volumul cilindrului: . Având în vedere acest lucru -

. (32)

Luând în considerare mișcarea altor molecule crește numărul de ciocniri cu un factor. În sfârșit, pentru z obținem:

. (33)

Apoi (34)

pentru că p ~ n, apoi pentru diferit conditii externe avem:

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

FENOMENE DE TRANSFER

În sistemele de neechilibru termodinamic, de ex. în sistemele pentru care valorile macroparametrilor (T, p, ) sunt diferite în diferitele sale puncte, apar procese ireversibile, care se numesc fenomene de transport . Ca urmare a unor astfel de procese, energia este transferată dintr-o zonă locală a sistemului în alta (fenomenul conductivității termice), masa (fenomenul difuziei), impulsul (frecarea internă), sarcina etc. Acest lucru duce la alinierea valorilor macroparametrilor în funcție de volumul sistemului. Este clar că transferul oricărei valori se explică prin trecerea de la un loc la altul a unui anumit număr de particule (molecule și atomi) ca urmare a mișcării lor haotice.

Obținem ecuația generală de transport pe o direcție arbitrară. Să direcționăm axa O de-a lungul ei X(Figura 3). Să evidențiem mental un element al planului cu aria ∆S, perpendicular pe O X. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării în timpul ∆t prin ∆S în direcția O X mutarea N particule:

(1)

Aici n este concentrația de molecule (atomi) și este viteza lor medie aritmetică. Trecând prin ∆S, fiecare moleculă își transferă masa, sarcina, impulsul, energia sau alte caracteristici sale inerente. Să notăm valoarea cantității purtate de o moleculă cu litera φ. Apoi în timpul ∆t prin zona ∆S în direcția axei O X cantitatea va fi transferată cantitate fizica

(2).

Evident, dacă concentrația din dreapta este de asemenea n, atunci același număr de particule se va deplasa de la dreapta la stânga. Acestea. transportul rezultat în acest caz zero: ∆N = 0 și ∆Nφ = 0.

Dacă mediul este neomogen, i.e. fie concentrația particulelor, fie valorile lui φ pentru particulele din stânga și din dreapta nu sunt aceleași, atunci va fi mai probabilă trecerea de la regiunile în care valoarea lui (nφ) este mai mare la regiunea în care este mai mică. Dacă presupunem că (nφ) 1 > (nφ) 2, atunci transferul rezultat al valorii lui φ va fi determinat de relația: . (3)

Semnul minus din (3) reflectă faptul că valoarea (nφ) scade pe direcția de transfer.

Să aflăm la ce distanță de la ∆S în stânga și în dreapta trebuie luate valorile (nφ). pentru că Schimbare caracteristici fizice moleculele apare numai în timpul coliziunilor, iar înainte de ciocnire fiecare dintre molecule a parcurs o distanță egală cu calea liberă, atunci putem presupune că moleculele (nφ) rămân neschimbate la o distanță egală cu calea liberă la stânga și la dreapta lui ∆ S. Împărțiți și înmulțiți partea dreaptă a lui (3) cu 2:

Distribuția cantităților de-a lungul oricărei direcții este determinată de o caracteristică numită gradient. Un gradient este o modificare a mărimii pe o distanță egală cu o unitate de lungime.

În acest caz, în punctul cu coordonată X 2 valoarea valorii transferabile este (nφ) 2, iar la punctul X 1 – (nφ) 1 , apoi sub gradientul valorii nφ, transferat de-a lungul axei O X, ar trebui să înțelegem relația:

.

Apoi gradientul lui nφ în regiunea ∆S.

. (5)

(5) este ecuația generală de transfer.

Difuzia este transferul de masă de materie . Cu condiția ca masele moleculelor să fie aceleași (m 0 = const), temperatura gazului este aceeași ca volum (T = const) și distribuția vitezelor este uniformă pe volum ( = const), înlocuind masa moleculă din (5) în loc de φ, obținem:

Sau . (6)

Aceasta este legea lui Fick. D = este coeficientul de difuzie. [D] \u003d m 2 / s.

Conductivitatea termică este transferul de energie . Cu condiția ca concentrația de molecule pe întregul volum de gaz (n \u003d const), masele moleculelor sunt aceleași (m 0 \u003d const), distribuția vitezelor pe volum este uniformă ( \u003d const), și energia cinetică medie a mișcării de translație a unei molecule, obținem legea Fourier:

, sau . (7)

- coeficient de conductivitate termică. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

Vâscozitatea este transferul de impuls între straturi paralele care se mișcă în mod ordonat la viteze tu 1 și tu 2. Cu condiția ca pe întregul volum al gazului concentrația moleculelor este n = const, masele moleculelor sunt aceleași (m 0 = const), distribuția vitezelor pe volum este uniformă ( = const), iar impulsul modulul unei molecule, asociat cu viteza deplasării ordonate a straturilor φ = p = m 0 u, pentru impulsul forței de interacțiune a straturilor avem:

Sau . ()

Aceasta este ecuația lui Newton, care determină mărimea forței de frecare internă (vâscozitatea). este gradientul transversal de viteză care caracterizează viteza de schimbare a vitezei în direcție X perpendicular pe miscarea straturilor de frecare. η – coeficientul dinamic de vâscozitate . [η] = Pa s.

FORȚELE MOLECULARE

Forțele de interacțiune dintre molecule sau, așa cum sunt numite și forțele Van der Waals, sunt de natură electrică. Acestea sunt forțele Coulomb de interacțiune ale particulelor încărcate care formează atomii și moleculele. Ele apar la distanțe proporționale cu dimensiunea moleculelor în sine și scad foarte repede odată cu creșterea distanței. În același timp, forțele atractive (interacțiunea sarcinilor opuse) și forțele de respingere (interacțiunea sarcinilor similare) acționează simultan. pentru că particulele reale nu sunt punctuale, atunci mărimea acestor forțe depinde de distanța dintre ele în moduri diferite.

Există trei tipuri de forțe van der Waals:

A) orientare - actioneaza intre moleculele polare:

,

unde р este momentul dipolului electric al particulelor, r este distanța dintre ele, k este constanta Boltzmann, Т este temperatura termodinamică.

b) inducţie – descrieți interacțiunea moleculelor, polarizarea

sarcini în care apare sub influența câmpurilor electrice ale particulelor învecinate:

.

Aici: р ind = ε 0 αЕ – momentul dipol electric dobândit al particulelor; α este polarizabilitatea moleculelor.

în) dispersie - determinați interacțiunea moleculelor, în care o distribuție asimetrică a sarcinii are loc aleatoriu, în procesul de mișcare a electronilor de-a lungul orbitelor, ceea ce duce la formarea de dipoli instantanei:

.

În general, toate cele trei tipuri de forțe pot acționa simultan:

F m \u003d F o + F și + F d.

Să luăm în considerare dependența forțelor de interacțiune intermoleculară de distanță. Forțele de atracție F pr sunt considerate negative, iar forțele de repulsie F din sunt considerate pozitive. Suma acestor forțe dă rezultatul - Fres = f(r). La o anumită distanță r 0 între molecule |F pr | = |F din | iar forța rezultată F \u003d F pr + F de la \u003d 0. Dacă r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , atunci forțele de atracție prevalează. Totuși, la o distanță de r > 10 -9 m, forțele van der Waals tind rapid spre zero.

Sistemul de molecule care interacționează se caracterizează printr-o anumită rezervă de energie potențială, care depinde de r într-un mod complex, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 și 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.

Cea mai mică energie potențială de interacțiune se numește energia de legare a moleculelor. Este egal cu munca care trebuie făcută împotriva forțelor de atracție pentru a separa moleculele aflate în echilibru.

Raportul dintre energia potențială minimă (E p min) și valoarea energiei medii dublate a mișcării termice pe un grad de libertate este un criteriu pentru starea de agregare a unei substanţe. În cazul în care un:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – lichid;

c) E p min >> kT este un corp solid.

Astfel, orice substanță, în funcție de temperatură, poate fi în stare de agregare gazoasă, lichidă sau solidă.

CARACTERISTICI STRUCTURALE ALE GAZELOR, LICHIDELOR ȘI CORPURILOR SOLIDE

R.N. Grabovsky. curs de fizica. 1980, p. 168-174.

GAZE REALE

Ecuațiile teoriei cinetice moleculare descriu destul de bine comportamentul gazelor reale la o temperatură suficient de mare și presiune scăzută. Acest lucru este de înțeles, deoarece o astfel de stare gaz real cel mai apropiat de modelul de gaz ideal, pe baza căruia se obțin toate concluziile MKT. Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii și scăderea temperaturii, distanța medie dintre molecule scade și forțele de interacțiune moleculară cresc. De exemplu, la n.o. volumul moleculelor este de 1/10000 din volumul ocupat de gaz, iar la o presiune de 500 atm (500 MPa) va fi deja jumătate din volumul total de gaz. Este destul de evident că în aceste condiții legile MKT încetează să funcționeze, de exemplu, PV ¹ const la T = const.

Astfel, sarcina este de a obține o astfel de ecuație de stare pentru un gaz real care să țină cont de volumul moleculelor și de interacțiunea lor.

©2015-2019 site
Toate drepturile aparțin autorilor lor. Acest site nu pretinde autor, dar oferă o utilizare gratuită.
Data creării paginii: 2016-02-13

În problemele din această secțiune, ei subliniază în principal ideea că moleculele din gaze sunt situate la distanțe mai mari decât în ​​lichide și solide, forțele de atracție dintre ele sunt nesemnificative și, prin urmare, gazele ocupă un volum mare. (O afirmație similară cu privire la lichide și solide este, în general, falsă. Pentru solide, ordinea moleculelor este, de asemenea, de mare importanță.)

Al doilea concept care se formează în gradul VI la rezolvarea problemelor din această secțiune este diferența de natură a mișcării moleculelor în gaze, lichide și solide.

58(e). Prin mișcarea opritorului din pistolul de cartofi cu un băț (Fig. 14), observați scăderea volumului de aer. Faceți același experiment, umplând tubul cu apă. Explicați diferența de compresibilitate dintre apă și aer pe baza structurii moleculare a substanțelor.

59. Cum se explică faptul că aburul produs prin fierberea apei ocupă de aproximativ 1700 de ori mai mult volum decât apa la punctul de fierbere?

Răspuns. Moleculele de vapori sunt situate la distanțe atât de mari unele de altele încât forțele de atractivitate dintre ele sunt nesemnificative și, prin urmare, nu pot provoca condensarea vaporilor la o temperatură dată (la o viteză moleculară dată).

60(e). Se toarnă jumătate din apă într-un tub de sticlă de un metru, iar deasupra alcoolului și apoi se amestecă. Cum s-a schimbat volumul lichidului după aceea? Explică de ce.

Răspuns. Volumul total a scăzut ca urmare a împachetării mai dense a moleculelor.

61. Omul de știință Bridgman a stors ulei într-un cilindru de oțel cu mare forță. Cum să explic că particulele de ulei ieșeau pe pereții exteriori ai cilindrului, deși nu existau fisuri în ele?

62. Dacă apăsați împreună plăcile de plumb și aur, după un timp puteți găsi molecule de plumb în aur și molecule de aur în plumb. Explică de ce.

Rezolvarea problemelor 61 și 62. În solide și lichide, există mici decalaje între molecule, în ciuda ambalării lor dense. Moleculele se mișcă în primul rând prin vibrație. Imaginea amintește de oamenii dintr-un autobuz aglomerat, care, în ciuda etanșeității, se mișcă, schimbându-și locul între ei sau trecând prin pasaje formate aleatoriu.

63(e). Examinați placa de mica și împărțiți-o în frunze mai subțiri. Rupeți și examinați bucățile unui mare sare de masă. Cum pot fi explicate proprietățile inegale ale mica și sării în direcții diferite pe baza structurii moleculare a unei substanțe?

64(e). Rupeți o bucată de smoală și explicați de ce o pauză produce întotdeauna o suprafață netedă.

Răspuns. Var este un lichid îngroșat, prin urmare moleculele sale nu formează straturi alternante corect, ca într-un corp cristalin.

Structura gazelor, lichidelor și solidelor. Caracteristicile structurii soluțiilor. Conceptul de „câmp reactiv”
Teoria structurii lichidelor: comparație cu structura gazelor și solidelor Structura (structura) lichidelor. Structura lichidelor este în prezent subiectul unui studiu atent de către chimiștii fizici. Pentru cercetarea în această direcție se folosesc metodele cele mai moderne, inclusiv metode spectrale (IR, RMN, împrăștiere a luminii de diferite lungimi de undă), împrăștiere cu raze X, metode de calcul mecanic cuantic și statistic etc. Teoria lichidelor este mult mai puțin dezvoltată decât cea a gazelor, deoarece proprietățile lichidelor depind de geometria și polaritatea moleculelor apropiate. În plus, lipsa unei structuri specifice a lichidelor face dificilă oficializarea descrierii acestora - în majoritatea manualelor, lichidele primesc mult mai putin spatiu decât gazele și solidele cristaline. Care sunt caracteristicile fiecăreia dintre cele trei stări agregate ale materiei: solid, lichid și gazos. (masa)
1) Solid: corpul își păstrează volumul și forma
2) Lichidele păstrează volumul, dar își schimbă ușor forma.
3) Gazul nu are nici formă, nici volum.

Aceste stări ale aceleiași substanțe diferă nu în felul de molecule (este același), ci în modul în care moleculele sunt localizate și se mișcă.
1) În gaze, distanța dintre molecule este mare mai multe dimensiuni moleculele în sine
2) Moleculele unui lichid nu diverg pe distante mari si lichidul in conditii normale isi pastreaza volumul.
3) Particulele corpurilor solide sunt dispuse într-o anumită ordine. Fiecare dintre particule se mișcă în jurul unui anumit punct al rețelei cristaline, ca pendulul unui ceas, adică oscilează.
Când temperatura scade, lichidele se solidifică, iar când se ridică peste punctul de fierbere, trec în stare gazoasă. Numai acest fapt indică faptul că lichidele ocupă o poziție intermediară între gaze și solide, diferă de ambele. Cu toate acestea, lichidul are asemănări cu fiecare dintre aceste stări.
Există o temperatură la care granița dintre gaz și lichid dispare complet. Acesta este așa-numitul punct critic. Pentru fiecare gaz se cunoaste temperatura peste care nu poate fi lichida la nicio presiune; la această temperatură critică, limita (meniscul) dintre lichid și vaporii săi saturati dispare. Existența unei temperaturi critice („punct de fierbere absolut”) a fost stabilită de DIMendeleev în 1860. A doua proprietate care unește lichidele și gazele este izotropia. Adică, la prima vedere se poate presupune că lichidele sunt mai aproape de gaze decât de cristale. La fel ca gazele, lichidele sunt izotrope, adică. proprietățile lor sunt aceleași în toate direcțiile. Cristalele, dimpotrivă, sunt anizotrope: indicele de refracție, compresibilitatea, rezistența și multe alte proprietăți ale cristalelor se dovedesc a fi diferite în direcții diferite. Substanțele cristaline solide au o structură ordonată cu elemente care se repetă, ceea ce face posibilă studierea lor prin difracție de raze X (metoda de analiză a difracției de raze X este folosită din 1912).

Ce au în comun lichidele și gazele?
a) izotrop. Proprietățile unui lichid, ca și cele ale gazelor, sunt aceleași în toate direcțiile, adică. sunt izotrope, spre deosebire de cristale, care sunt anizotrope.
B) Lichidele, ca și gazele, nu au o formă definită și iau forma unui vas (vâscozitate scăzută și fluiditate ridicată).
Moleculele și lichidele și gazele fac mișcare destul de liberă, ciocnindu-se unele cu altele. Anterior, se credea că în volumul ocupat de lichid, orice distanță care depășește suma razelor lor se presupunea a fi la fel de probabilă, i.e. tendinţa spre o aranjare ordonată a moleculelor a fost infirmată. Astfel, într-o anumită măsură, lichidele și gazele erau opuse cristalelor.
Pe măsură ce cercetarea progresează, Mai mult faptele au indicat prezența unor asemănări între structura lichidelor și a solidelor. De exemplu, valorile capacităților termice și ale coeficienților de compresibilitate, în special în apropierea punctului de topire, practic coincid unele cu altele, în timp ce aceste valori pentru lichid și gaz diferă brusc.
Deja din acest exemplu se poate concluziona că imaginea mișcării termice în lichide la o temperatură apropiată de temperatura de solidificare seamănă cu mișcarea termică în solide și nu în gaze. Alături de aceasta, se pot observa și diferențe atât de semnificative între stările gazoase și lichide ale materiei. În gaze, moleculele sunt distribuite în spațiu într-un mod complet aleatoriu, adică. acesta din urmă este considerat un exemplu de educație fără structură. Lichidul are încă o anumită structură. Acest lucru este confirmat experimental de difracția de raze X, care arată cel puțin un maxim clar. Structura unui lichid este modul în care moleculele sale sunt distribuite în spațiu. Tabelul ilustrează asemănările și diferențele dintre starea gazoasă și cea lichidă.
Faza gazoasa Faza lichida
1. Distanța dintre moleculele l este de obicei (pentru presiuni joase) mult mai mare decât raza moleculei r: l  r ; practic întregul volum V ocupat de gaz este volum liber. În faza lichidă, dimpotrivă, l 2. Energia cinetică medie a particulelor, egală cu 3/2kT, este mai mare decât energia potențială U a interacțiunii lor intermoleculare Energia potențială a interacțiunii moleculelor este mai mare decât media energia cinetică a mișcării lor: U3/2 kT
3. Particulele se ciocnesc în timpul mișcării lor de translație, factorul de frecvență a coliziunii depinde de masa particulelor, dimensiunea și temperatura acestora.Fiecare particulă oscilează în cușca creată de moleculele care o înconjoară. Amplitudinea oscilației a depinde de volumul liber, a  (Vf/ L)1/3
4. Difuzia particulelor are loc ca urmare a mișcării lor de translație, coeficientul de difuzie D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) și depinde de presiunea gazului
(D  p-1) Difuzia are loc ca urmare a saltului unei particule de la o celulă la alta cu o energie de activare ED,
D  e-ED/RT în lichide nevâscoase
D  0,3 - 3 cm2/zi.
5. Particula se rotește liber, frecvența de rotație r este determinată doar de momentele de inerție ale particulei și temperatură, frecvența de rotație r T1/2 Er/RT
Cu toate acestea, starea lichidă este aproape de starea solidă într-un număr de indicatori importanți (cvasicristalinitate). Acumularea de fapte experimentale a indicat că lichidele și cristalele au multe în comun. Studiile fizice și chimice ale lichidelor individuale au arătat că aproape toate au unele elemente ale structurii cristaline.
În primul rând, distanțele intermoleculare dintr-un lichid sunt apropiate de cele dintr-un solid. Acest lucru este dovedit de faptul că în timpul topirii acestuia din urmă, volumul substanței se modifică nesemnificativ (de obicei crește cu cel mult 10%). În al doilea rând, energia interacțiunii intermoleculare într-un lichid și într-un solid diferă nesemnificativ. Aceasta rezultă din faptul că căldura de fuziune este mult mai mică decât căldura de evaporare. De exemplu, pentru apă Hpl= 6 kJ/mol, iar Hsp= 45 kJ/mol; pentru benzen Hpl = 11 kJ/mol, iar Htest = 48 kJ/mol.
În al treilea rând, capacitatea termică a unei substanțe în timpul topirii se modifică foarte puțin, adică. este aproape pentru ambele state. De aici rezultă că natura mișcării particulelor dintr-un lichid este apropiată de cea dintr-un solid. În al patrulea rând, un lichid, ca un corp solid, poate rezista la forțe mari de tracțiune fără a se rupe.
Diferența dintre un lichid și un solid constă în fluiditate: un solid își păstrează forma, un lichid o schimbă ușor chiar și sub influența unui mic efort. Aceste proprietăți provin din astfel de caracteristici ale structurii unui lichid, cum ar fi interacțiunea intermoleculară puternică, ordinea pe distanță scurtă în aranjarea moleculelor și capacitatea moleculelor de a-și schimba poziția relativ rapid. Când un lichid este încălzit de la punctul de îngheț până la punctul de fierbere, proprietățile sale se schimbă fără probleme, odată cu încălzirea, asemănările sale cu un gaz cresc treptat.
Fiecare dintre noi își poate aminti cu ușurință multe substanțe pe care le consideră lichide. Cu toate acestea, nu este atât de ușor să dai o definiție exactă a acestei stări a materiei, deoarece lichidele au proprietăți fizice atât de mari încât, în unele privințe, seamănă cu solidele, iar în altele seamănă cu gazele. Asemănarea dintre lichide și solide este cea mai pronunțată în materialele sticloase. Trecerea lor de la solid la lichid odată cu creșterea temperaturii are loc treptat și nu ca punct de topire pronunțat, pur și simplu devin mai moi și mai moi, astfel încât este imposibil să se indice în ce interval de temperatură ar trebui să fie numite solide și în care ar trebui să fie. numite lichide. Putem spune doar că vâscozitatea unei substanțe sticloase în stare lichidă este mai mică decât în ​​stare solidă. Prin urmare, sticlele solide sunt adesea denumite lichide suprarăcite. Aparent cel mai mult proprietate caracteristică lichidele, care le deosebește de solide, este vâscozitatea lor scăzută, adică. fluiditate ridicată. Datorită ei, ele iau forma vasului în care sunt turnate. La nivel molecular, fluiditatea ridicată înseamnă o libertate relativ mare a particulelor fluide. În aceasta, lichidele seamănă cu gazele, deși forțele de interacțiune intermoleculară ale lichidelor sunt mai mari, moleculele sunt mai apropiate și mai limitate în mișcarea lor.
Ceea ce s-a spus poate fi abordat într-un alt mod - din punctul de vedere al ideii de ordine pe rază lungă și scurtă. Ordinea pe distanță lungă există în solidele cristaline, atomii cărora sunt dispuși într-o manieră strict ordonată, formând structuri tridimensionale care pot fi obținute prin repetarea repetată a celulei unitare. Nu există o comandă pe distanță lungă în lichid și sticlă. Acest lucru, însă, nu înseamnă că nu sunt comandate deloc. Numărul celor mai apropiați vecini pentru toți atomii este aproape același, dar aranjarea atomilor pe măsură ce se îndepărtează de orice poziție selectată devine din ce în ce mai haotică. Astfel, ordinea nu există decât la distanțe mici, de unde și denumirea: ordine de scurtă durată. O descriere matematică adecvată a structurii unui lichid poate fi dată doar cu ajutorul fizicii statistice. De exemplu, dacă un lichid este format din molecule sferice identice, atunci structura lui poate fi descrisă de funcția de distribuție radială g(r), care dă probabilitatea de a găsi orice moleculă la distanța r de cea dată, aleasă ca punct de referință. . Experimental, această funcție poate fi găsită prin studierea difracției razelor X sau neutronilor, iar odată cu apariția computerelor de mare viteză, a început să fie calculată prin metoda simulare pe calculator, pe baza datelor disponibile despre natura forțelor care acționează între molecule, sau pe ipoteze despre aceste forțe, precum și pe legile mecanicii newtoniene. Comparând funcțiile de distribuție radială obținute teoretic și experimental, se poate verifica corectitudinea ipotezelor despre natura forțelor intermoleculare.
În substanțele organice, ale căror molecule au o formă alungită, într-unul sau altul interval de temperatură, se găsesc uneori regiuni ale fazei lichide cu o ordine de orientare lungă, care se manifestă printr-o tendință de aliniere paralelă a axelor lungi ale moleculele. În acest caz, ordonarea orientativă poate fi însoțită de ordonarea coordonării a centrilor moleculari. Fazele lichide de acest tip sunt denumite în mod obișnuit cristale lichide. Starea lichid-cristalină este intermediară între cristalin și lichid. Cristalele lichide au atât fluiditate, cât și anizotropie (optică, electrică, magnetică). Uneori, această stare este numită mezomorfă (mezofază) din cauza absenței ordinii pe distanță lungă. Limita superioară a existenței este temperatura de iluminare (un lichid izotrop). FA termotrope (mezogenice) există peste o anumită temperatură. Tipic sunt cianobifenilii. Liotrop - atunci când este dizolvat, de exemplu, soluții apoase de săpunuri, polipeptide, lipide, ADN. Studiul cristalelor lichide (mezofaza - topirea în două etape - topitură tulbure, apoi transparentă, trecerea de la o fază cristalină la un lichid printr-o formă intermediară cu proprietăți optice anizotrope) este important în scopurile tehnologiei - indicarea cristalelor lichide.
Moleculele dintr-un gaz se mișcă aleatoriu (aleatoriu). În gaze, distanța dintre atomi sau molecule este, în medie, de multe ori mai mare decât dimensiunea moleculelor în sine. Moleculele dintr-un gaz se mișcă la viteze mari (sute de m/s). Ciocnindu-se, acestea sară unele de altele ca niște mingi perfect elastice, schimbând mărimea și direcția vitezelor. La distante mari intre molecule, fortele de atractie sunt mici si nu sunt capabile sa tina moleculele de gaz una langa alta. Prin urmare, gazele se pot extinde la infinit. Gazele sunt ușor comprimate, distanța medie dintre molecule scade, dar rămâne totuși mare ca dimensiune. Gazele nu păstrează nici formă, nici volum, volumul și forma lor coincid cu volumul și forma vasului pe care îl umplu. Numeroase impacturi ale moleculelor pe pereții vasului creează presiunea gazului.
Atomii și moleculele de solide vibrează în jurul anumitor poziții de echilibru. Prin urmare, solidele păstrează atât volum, cât și formă. Dacă conectați mental centrele de poziții de echilibru ale atomilor sau ionilor unui corp solid, atunci obțineți o rețea cristalină.
Moleculele unui lichid sunt situate aproape una de alta. Prin urmare, lichidele sunt foarte slab compresibile și își păstrează volumul. Moleculele unui lichid vibrează în jurul poziției de echilibru. Din când în când, molecula face tranziții de la o stare stabilă la alta, de regulă, în direcția acțiunii unei forțe externe. Timpul de stabilire a moleculei este mic și scade odată cu creșterea temperaturii, iar timpul de tranziție a moleculei la o nouă stare de stabilizare este și mai scurt. Prin urmare, lichidele sunt fluide, nu își păstrează forma și iau forma vasului în care sunt turnate.

Teoria cinetică a lichidelor Teoria cinetică a lichidelor dezvoltată de Ya. I. Frenkel consideră lichidul ca sistem dinamic particule, care seamănă parțial cu starea cristalină. La temperaturi apropiate de punctul de topire, mișcarea termică într-un lichid este redusă în principal la oscilații armonice ale particulelor în jurul anumitor poziții medii de echilibru. Spre deosebire de starea cristalină, aceste poziții de echilibru ale moleculelor dintr-un lichid sunt temporare pentru fiecare moleculă. După ce a oscilat în jurul unei poziții de echilibru timp de ceva timp t, molecula sare într-o nouă poziție situată în vecinătate. Un astfel de salt are loc cu cheltuirea energiei U, astfel încât timpul de „viață stabilită” t depinde de temperatură după cum urmează: t = t0 eU/RT, unde t0 este perioada unei oscilații în jurul poziției de echilibru. Pentru apa la temperatura camerei t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, adică o moleculă, după ce a făcut aproximativ 100 de vibrații, sare într-o nouă poziție, unde continuă să oscileze. Din datele despre împrăștierea razelor X și a neutronilor, se poate calcula funcția de densitate a distribuției particulelor  în funcție de distanța r de la o particulă aleasă ca centru. În prezența ordinii pe distanță lungă într-un solid cristalin, funcția (r) are un număr de maxime și minime distincte. Datorită mobilității ridicate a particulelor, doar ordinea pe distanță scurtă este păstrată într-un lichid. Acest lucru rezultă clar din modelele de raze X ale lichidelor: funcția (r) pentru un lichid are un prim maxim clar, un al doilea difuz și apoi (r) = const. Teoria cinetică descrie topirea după cum urmează. În rețeaua cristalină a unui solid, există întotdeauna un număr mic de locuri libere (găuri) care rătăcesc încet în jurul cristalului. Cu cât temperatura este mai aproape de temperatura de topire, cu atât concentrația de „găuri” este mai mare și cu atât se deplasează mai repede prin eșantion. La punctul de topire, procesul de formare a „găurilor” capătă un caracter cooperant asemănător unei avalanșe, sistemul de particule devine dinamic, dispare ordinea pe distanță lungă și apare fluiditatea. Rolul decisiv în topire îl joacă formarea de volum liber în lichid, ceea ce face ca sistemul să fie fluid. Cea mai importantă diferență între un corp cristalin lichid și un solid este că există un volum liber în lichid, o parte semnificativă din care are forma unor fluctuații („găuri”), a căror rătăcire prin lichid îi conferă o astfel de diferență. calitate caracteristică ca fluiditatea. Numărul de astfel de „găuri”, volumul și mobilitatea acestora depind de temperatură. La temperatură scăzută, lichidul, dacă nu s-a transformat într-un corp cristalin, devine un solid amorf cu fluiditate foarte scăzută datorită scăderii volumului și mobilității „găurilor”. Împreună cu teoria cineticăÎn ultimele decenii, teoria statistică a lichidelor a fost dezvoltată cu succes.

Structura gheții și apei. Cel mai important și comun lichid în condiții normale este apa. Aceasta este cea mai comună moleculă de pe Pământ! Este un solvent excelent. De exemplu, toate fluidele biologice conțin apă. Apa dizolvă multe substanțe anorganice (săruri, acizi, baze) și organice (alcooli, zaharuri, acizi carboxilici, amine). Care este structura acestui lichid? Va trebui din nou să revenim la problema pe care am luat-o în considerare în prima prelegere, și anume la o astfel de interacțiune intermoleculară specifică precum legătura de hidrogen. Apa, atât sub formă lichidă, cât și sub formă cristalină, prezintă proprietăți anormale tocmai datorită prezenței multor legături de hidrogen. Care sunt aceste proprietăți anormale: punct de fierbere ridicat, punct de topire ridicat și entalpie mare de vaporizare. Să ne uităm mai întâi la grafic, apoi la tabel și apoi la diagrama legăturii de hidrogen dintre două molecule de apă. De fapt, fiecare moleculă de apă coordonează alte 4 molecule de apă în jurul ei: două datorită oxigenului, ca donor a două perechi de electroni singuri în doi hidrogeni protonizați și două datorită hidrogenilor protonizați care se coordonează cu oxigenul altor molecule de apă. În prelegerea anterioară, v-am arătat un slide cu grafice ale punctului de topire, punctului de fierbere și entalpia de vaporizare a hidrurilor din grupa VI în funcție de perioadă. Aceste dependențe au o anomalie clară pentru hidrura de oxigen. Toți acești parametri pentru apă sunt vizibil mai mari decât cei prevăzuți dintr-o dependență aproape liniară pentru următoarele hidruri de sulf, seleniu și telur. Am explicat acest lucru prin existența unei legături de hidrogen între hidrogenul protonizat și un acceptor de densitate de electroni, oxigenul. Legătura de hidrogen a fost studiată cu cel mai mare succes utilizând spectroscopie în infraroșu vibrațional. Grupul OH liber are o energie vibrațională caracteristică care face ca legătura OH să se lungească și să se scurteze alternativ, dând o bandă caracteristică în spectrul de absorbție în infraroșu al moleculei. Totuși, dacă gruparea OH participă la o legătură de hidrogen, atomul de hidrogen este legat de atomi de ambele părți și astfel vibrația sa este „atenuată” și frecvența scade. Următorul tabel arată că o creștere a rezistenței și „concentrației” legăturii de hidrogen duce la o scădere a frecvenței de absorbție. În figură, curba 1 corespunde maximului spectrului de absorbție în infraroșu al grupărilor O-H din gheață (unde toate legăturile H sunt legate); curba 2 corespunde maximului spectrului de absorbție în infraroșu al grupelor O-N individ Molecule de H2O dizolvate în CCl4 (unde nu există legături H - soluția de H2O în CCl4 este prea diluată); iar curba 3 corespunde spectrului de absorbție al apei lichide. Dacă apa lichidă ar avea două clasele O-N grupări – formând legături de hidrogen și nu le formează – și unele O-N grupuriîn apă ar vibra în același mod (cu aceeași frecvență) ca și în gheață (unde formează legături H), și altele - ca în mediul CCl4 (unde nu formează legături H). Atunci spectrul apei ar avea două maxime corespunzătoare la două O-H afirmă grupurile, cele două frecvențe de oscilație caracteristice ale acestora: cu ce frecvență vibrează grupul, cu aceasta absoarbe lumina. Dar imaginea „două maxim” nu este respectată! În schimb, pe curba 3, vedem unul, maxim foarte neclar, care se extinde de la maximul curbei 1 la maximul curbei 2. Aceasta înseamnă că toate grupările O-H din apa lichidă fac legături de hidrogen - dar toate aceste legături au o energie diferită, „loose” (au o energie diferită) și în moduri diferite. Aceasta arată că imaginea în care unele dintre legăturile de hidrogen din apă sunt rupte și unele sunt reținute este, strict vorbind, incorectă. Cu toate acestea, este atât de simplu și convenabil pentru a descrie proprietățile termodinamice ale apei încât este utilizat pe scară largă - și ne vom referi și la el. Dar rețineți că nu este complet exact.
Astfel, spectroscopia IR este o metodă puternică de studiere a legăturilor de hidrogen și multe date despre structura lichidelor și solidelor asociate datorită acesteia au fost obținute folosind această metodă spectrală. Ca urmare, pentru apa lichidă modelul asemănător gheții (modelul lui O.Ya. Samoilov) este unul dintre cele mai general recunoscute. Conform acestui model apa in stare lichida este perturbat de mișcarea termică (dovada și consecința mișcării termice - Mișcarea browniană, care a fost observat pentru prima dată de botanistul englez Robert Brown în 1827 pe polen la microscop) un cadru tetraedric asemănător gheții (fiecare moleculă de apă dintr-un cristal de gheață este conectată prin legături de hidrogen cu energie redusă în comparație cu cea din gheață - „slăbit” legături de hidrogen) cu patru molecule de apă înconjurătoare), golurile acestui cadru sunt parțial umplute cu molecule de apă, iar moleculele de apă situate în golurile și în nodurile caracaselor asemănătoare gheții sunt inegale din punct de vedere energetic.

Spre deosebire de apă, într-un cristal de gheață la nodurile rețelei cristaline există molecule de apă de energie egală și pot funcționa doar mișcări oscilatorii. Într-un astfel de cristal, există atât ordine pe rază scurtă, cât și pe rază lungă. În apa lichidă (ca și în cazul unui lichid polar), unele elemente ale structurii cristaline sunt păstrate (mai mult, chiar și în faza gazoasă, moleculele lichide sunt ordonate în grupuri mici instabile), dar nu există o ordine pe distanță lungă. Astfel, structura unui lichid diferă de structura unui gaz în prezența ordinului de rază scurtă, dar diferă de structura unui cristal în absența ordinii de rază lungă. Cea mai convingătoare dovadă în acest sens este studiul împrăștierii razelor X. Trei vecini ai fiecărei molecule din apa lichidă se află într-un singur strat și se află la o distanță mai mare de acesta (0,294 nm) decât a patra moleculă de stratul vecin (0,276 nm). Fiecare moleculă de apă din compoziția cadrului asemănător gheții formează o legături simetrice în oglindă (puternice) și trei legături simetrice central (mai puțin puternice). Prima se referă la legăturile dintre moleculele de apă ale unui strat dat și straturile învecinate, restul - la legăturile dintre moleculele de apă ale unui strat. Prin urmare, un sfert din toate legăturile sunt simetrice în oglindă, iar trei sferturi sunt simetrice central. Conceptul de mediu tetraedric al moleculelor de apă a condus la concluzia că structura sa este foarte deschisă și că există goluri în ea, ale căror dimensiuni sunt egale sau mai mari decât dimensiunile moleculelor de apă.

Elemente ale structurii apei lichide. a - tetraedru elementar de apă (cercuri de lumină - atomi de oxigen, jumătăți negre - poziții posibile ale protonilor pe o legătură de hidrogen); b - aranjarea simetrică în oglindă a tetraedrelor; c - dispunerea central simetrică; d - localizarea centrilor de oxigen în structura gheții obișnuite. Apa este caracterizată de forțe semnificative de interacțiune intermoleculară datorate legăturilor de hidrogen, care formează o rețea spațială. După cum am spus în prelegerea anterioară, o legătură de hidrogen se datorează capacității unui atom de hidrogen conectat la un element electronegativ de a forma o legătură suplimentară cu un atom electronegativ al unei alte molecule. Legătura de hidrogen este relativ puternică și se ridică la câțiva 20-30 kilojuli pe mol. În ceea ce privește puterea, ea ocupă un loc intermediar între energia van der Waals și energia unei legături tipic ionice. Energia într-o moleculă de apă legătură chimică H-O este de 456 kJ/mol, iar energia legăturii de hidrogen a H...O este de 21 kJ/mol.

Compuși cu hidrogen
Greutatea moleculară Temperatura,  С
fierbere înghețată
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Structura gheții. gheata normala. Linie punctată - legături H. Cavitățile mici înconjurate de molecule de H2O sunt vizibile în structura ajurata a gheții.
Astfel, structura gheții este o construcție deschisă a moleculelor de apă, conectate între ele doar prin legături de hidrogen. Amplasarea moleculelor de apă în structura gheții determină prezența canalelor largi în structură. În timpul topirii gheții, moleculele de apă „cad” în aceste canale, ceea ce explică creșterea densității apei în comparație cu densitatea gheții. Cristalele de gheață apar sub formă de plăci hexagonale regulate, segregări tabulare și intercreșteri de formă complexă. Structura gheata normala dictat de legăturile H: este bun pentru geometria acestor legături (O-H se uită direct la O), dar nu foarte bun pentru contactul strâns van der Waals al moleculelor de H2O. Prin urmare, structura gheții este ajurata, în ea moleculele de H2O învelesc pori microscopici (mai puțin decât o moleculă de H2O ca dimensiune). Structura ajurata a ghetii duce la doua efecte binecunoscute: (1) gheata este mai putin densa decat apa, pluteste in ea; și (2) sub presiune puternică - de exemplu, lamele unei patine topesc gheața. Majoritatea legăturilor de hidrogen care există în gheață sunt păstrate în apă lichidă. Aceasta rezultă din micimea căldurii de topire a gheții (80 cal/g) în comparație cu căldura apei clocotite (600 cal/g la 0°C). S-ar putea spune că doar 80/(600+80) = 12% din legăturile H existente în spargerea gheții în apa lichidă. Cu toate acestea, această imagine - că unele dintre legăturile de hidrogen din apă sunt rupte, iar unele sunt conservate - nu este în întregime exactă: mai degrabă, toate legăturile de hidrogen din apă se slăbesc. Acest lucru este bine ilustrat de următoarele date experimentale.

Structura solutiilor. Din exemple concrete pentru apa, sa trecem la alte lichide. Diferitele lichide diferă unele de altele prin dimensiunea moleculelor și natura interacțiunilor intermoleculare. Astfel, în fiecare lichid specific există o anumită structură pseudocristalină, caracterizată printr-o ordine de scurtă durată și, într-o oarecare măsură, asemănătoare cu structura obținută atunci când un lichid îngheață și se transformă într-un solid. La dizolvarea unei alte substante, de ex. când se formează o soluție, natura interacțiunilor intermoleculare se schimbă și apare o nouă structură cu un aranjament diferit de particule decât într-un solvent pur. Această structură depinde de compoziția soluției și este specifică fiecărei soluții particulare. Formarea soluțiilor lichide este de obicei însoțită de procesul de solvatare, adică. alinierea moleculelor de solvent în jurul moleculelor de dizolvat datorită acțiunii forțelor intermoleculare. Distingeți între solvația apropiată și cea îndepărtată, de ex. în jurul moleculelor (particulelor) solutului se formează învelișuri primare și secundare de solvat. În învelișul primar de solvație, moleculele de solvent se află în imediata apropiere, care se mișcă împreună cu moleculele solutului. Numărul de molecule de solvent din învelișul primar de solvație se numește număr de coordonare a solvației, care depinde atât de natura solventului, cât și de natura solutului. Compoziția învelișului secundar de solvație include molecule de solvent care sunt situate la distanțe mult mai mari și afectează procesele care au loc în soluție datorită interacțiunii cu învelișul primar de solvatare.
Când se ia în considerare stabilitatea solvaților, se face o distincție între stabilitatea cinetică și cea termodinamică.
În soluțiile apoase, caracteristicile cantitative ale hidratării cinetice (O.Ya. Samoilov) sunt valorile i /  și Ei = Ei-E, unde i și  sunt timpul mediu de rezidență al moleculelor de apă în echilibru. poziție lângă ionul i și în apă curată, iar Ei și E sunt energia de activare a schimbului și energia de activare a procesului de autodifuzie în apă. Aceste cantități sunt legate între ele printr-o relație aproximativă:
i/  exp(Ei/RT)
dacă EI  0, i/  1 (schimbul de molecule de apă cele mai apropiate de ion are loc mai rar (mai lent) decât schimbul dintre molecule din apă pură) - hidratare pozitivă
dacă EI  0, i/  1 (schimbul de molecule de apă cele mai apropiate de ion are loc mai des (mai rapid) decât schimbul dintre molecule din apă pură) - hidratare negativă

Deci, pentru ion de litiu EI = 1,7 kJ/mol, iar pentru ion de cesiu Ei= - 1,4 kJ/mol, i.e. un mic ion de litiu „dur” reține moleculele de apă mai puternic decât un ion de cesiu mare și „difuz” cu aceeași sarcină. Stabilitatea termodinamică a solvaților formați este determinată de modificarea energiei Gibbs în timpul solvației (solvG) = (solvH) - T(solvS). Cu cât această valoare este mai negativă, cu atât solvatul este mai stabil. Practic, este determinat valori negative entalpiile de solvatare.
Conceptul de soluții și teoriile soluțiilor. Soluțiile adevărate se obțin spontan când două sau mai multe substanțe intră în contact, datorită distrugerii legăturilor dintre particulele de un tip și formării legăturilor de alt tip și distribuției substanței în volum prin difuzie. Soluțiile în funcție de proprietățile lor sunt împărțite în soluții ideale și reale, soluții de electroliți și neelectroliți, diluate și concentrate, nesaturate, saturate și suprasaturate. Proprietățile rasorilor depind de natura și mărimea MMW. Aceste interacțiuni pot fi de natură fizică (forțe van der Waals) și de natură fizico-chimică complexă (legătură de hidrogen, legătură ion-moleculară, complecși de transfer de sarcină etc.). Procesul de formare a soluției se caracterizează prin manifestarea simultană a forțelor de atracție și de respingere între particulele care interacționează. În absența forțelor de respingere, particulele s-ar fuziona (se lipesc împreună) și lichidele ar putea fi comprimate la nesfârșit; în absența forțelor atractive, ar fi imposibil să se obțină lichide sau solide. În prelegerea anterioară, am luat în considerare teoriile fizice și chimice ale soluțiilor.
Cu toate acestea, crearea unei teorii unificate a soluțiilor întâmpină dificultăți semnificative și în prezent nu a fost încă creată, deși cercetările sunt efectuate de către cei mai mulți. metode moderne mecanica cuantică, termodinamică și fizică statistică, chimie cristalină, analiză prin difracție de raze X, metode optice, metode RMN. câmp reactiv. În continuarea luării în considerare a forțelor interacțiunii intermoleculare, vom lua în considerare conceptul de „câmp reactiv”, care este important pentru înțelegerea structurii și structurii materiei condensate și a gazelor reale, în special, stare lichida, și de aici toate Chimie Fizica solutii lichide.
Un câmp reactiv apare în amestecuri de molecule polare și nepolare, de exemplu, pentru amestecuri de hidrocarburi și acizi naftenici. Moleculele polare acționează cu un câmp de o anumită simetrie (simetria câmpului este determinată de simetria orbitalilor moleculari liberi) și intensitate H asupra moleculelor nepolare. Acestea din urmă sunt polarizate datorită separării sarcinilor, ceea ce duce la apariția (inducția) unui dipol. O moleculă cu un dipol indus, la rândul său, acționează asupra unei molecule polare, modificându-și câmpul electromagnetic, adică. excită un câmp reactiv (de răspuns). Apariția unui câmp reactiv duce la o creștere a energiei de interacțiune a particulelor, care se exprimă în crearea unor învelișuri puternice de solvație pentru molecule polare într-un amestec de molecule polare și nepolare.
Energia câmpului reactiv se calculează după următoarea formulă: unde:
semnul „-” – determină atracția moleculelor
S - permeabilitatea electrică statică
 nelimitat este permisivitatea datorată polarizabilității electronice și atomice a moleculelor
NA - numărul lui Avogadro
VM este volumul ocupat de 1 mol de substanță polară într-un lichid izotrop v = moment dipol
ER este energia a 1 mol dintr-o substanță polară în soluție
Conceptul de „câmp reactiv” ne va permite să înțelegem mai bine structura lichidelor pure și a soluțiilor. Abordarea cuantică-chimică a studiului câmpului reactiv a fost dezvoltată în lucrările lui M.V. L. Ya. Karpova Astfel, problema stării lichide își așteaptă tinerii cercetători. Tu și cărțile din mâinile tale.

Structura gazelor, lichidelor și solidelor.

Prevederi de bază ale teoriei cinetice moleculare:

Toate substanțele sunt formate din molecule, iar moleculele sunt formate din atomi.

atomii și moleculele sunt în continuă mișcare,

Există forțe atractive și respingătoare între molecule.

LA gazele moleculele se mișcă aleatoriu, distanțele dintre molecule sunt mari, forțele moleculare sunt mici, gazul ocupă întregul volum furnizat acestuia.

LA lichide moleculele sunt ordonate numai la distanțe mici, iar la distanțe mari, ordinea (simetria) aranjamentului este încălcată - „ordine pe distanță scurtă”. Forțele de atracție moleculară mențin moleculele apropiate. Mișcarea moleculelor este „sărituri” dintr-o poziție stabilă în alta (de obicei într-un singur strat. Această mișcare explică fluiditatea unui lichid. Un lichid nu are formă, dar are volum.

Solide - substanțe care își păstrează forma, sunt împărțite în cristaline și amorfe. solid cristalin corpurile au o rețea cristalină, în nodurile căreia pot fi ioni, molecule sau atomi. Ele oscilează în raport cu pozițiile stabile de echilibru. Rețelele cristaline au o structură regulată pe tot volumul - o „ordine pe distanță lungă” de locație.

Corpuri amorfeîși păstrează forma, dar nu au o rețea cristalină și, ca urmare, nu au un punct de topire pronunțat. Ele sunt numite lichide înghețate, deoarece ele, ca și lichidele, au o ordine „aproape” de aranjare moleculară.

Forțele de interacțiune ale moleculelor

Toate moleculele unei substanțe interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie. Dovada interacțiunii moleculelor: fenomenul de umectare, rezistența la compresiune și întindere, compresibilitatea scăzută a solidelor și gazelor etc. Motivul interacțiunii moleculelor este interacțiunea electromagnetică a particulelor încărcate în materie. Cum să explic? Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și un înveliș de electroni încărcat negativ. Sarcina nucleului este egală cu sarcina totală a tuturor electronilor, prin urmare, în ansamblu, atomul este neutru din punct de vedere electric. O moleculă constând din unul sau mai mulți atomi este, de asemenea, neutră din punct de vedere electric. Luați în considerare interacțiunea dintre molecule folosind exemplul a două molecule imobile. Între corpuri din natură pot exista forțe gravitaționale și electromagnetice. Deoarece masele de molecule sunt extrem de mici, forțele neglijabile ale interacțiunii gravitaționale dintre molecule pot fi ignorate. La distanțe foarte mari, nu există nicio interacțiune electromagnetică între molecule. Dar, odată cu scăderea distanței dintre molecule, moleculele încep să se orienteze astfel încât părțile lor îndreptate una cu cealaltă vor avea sarcini de semne diferite (în general, moleculele rămân neutre), iar între molecule apar forțe atractive. Cu o scădere și mai mare a distanței dintre molecule, forțele de respingere apar ca urmare a interacțiunii învelișurilor de electroni încărcate negativ ale atomilor moleculelor. Ca urmare, molecula este afectată de suma forțelor de atracție și repulsie. La distante mari predomina forta de atractie (la distanta de 2-3 diametre moleculare, atractia este maxima), la distante scurte, forta de respingere. Există o asemenea distanță între molecule la care forțele de atracție devin egale cu forțele de repulsie. Această poziție a moleculelor se numește poziția de echilibru stabil. Moleculele situate la distanță unele de altele și conectate prin forțe electromagnetice au energie potențială. În poziția de echilibru stabil, energia potențială a moleculelor este minimă. Într-o substanță, fiecare moleculă interacționează simultan cu multe molecule învecinate, ceea ce afectează și valoarea energiei potențiale minime a moleculelor. În plus, toate moleculele unei substanțe sunt în mișcare continuă, adică. au energie cinetică. Astfel, structura unei substanțe și proprietățile acesteia (corpi solid, lichid și gazos) sunt determinate de raportul dintre energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor și energia cinetică a mișcării termice a moleculelor.

Structura și proprietățile corpurilor solide, lichide și gazoase

Structura corpurilor este explicată prin interacțiunea particulelor corpului și prin natura mișcării lor termice.

Solid

Solidele au o formă și un volum constant și sunt practic incompresibile. Energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor este mai mare decât energia cinetică a moleculelor. Interacțiune puternică a particulelor. Mișcarea termică a moleculelor dintr-un solid este exprimată numai prin oscilații ale particulelor (atomi, molecule) în jurul poziției de echilibru stabil.

Datorită forțelor mari de atracție, moleculele practic nu își pot schimba poziția într-o substanță, ceea ce explică invarianța volumului și formei solidelor. Majoritatea solidelor au un aranjament ordonat spațial de particule care formează o rețea cristalină obișnuită. Particulele de materie (atomi, molecule, ioni) sunt situate la vârfuri - nodurile rețelei cristaline. Nodurile rețelei cristaline coincid cu poziția de echilibru stabil al particulelor. Astfel de solide se numesc cristaline.

Lichid

Lichidele au un anumit volum, dar nu au o formă proprie, ele iau forma vasului în care se află. Energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor este comparabilă cu energia cinetică a moleculelor. Interacțiune slabă cu particule. Mișcarea termică a moleculelor dintr-un lichid este exprimată prin oscilații în jurul poziției de echilibru stabil în volumul furnizat moleculei de vecinii săi. Moleculele nu se pot mișca liber pe întregul volum al unei substanțe, dar sunt posibile tranzițiile moleculelor către locurile învecinate. Aceasta explică fluiditatea lichidului, capacitatea de a-și schimba forma.

În lichide, moleculele sunt destul de puternic legate între ele prin forțe atractive, ceea ce explică invarianța volumului lichidului. Într-un lichid, distanța dintre molecule este aproximativ egală cu diametrul moleculei. Odată cu scăderea distanței dintre molecule (comprimarea unui lichid), forțele de respingere cresc brusc, astfel încât lichidele sunt incompresibile. În ceea ce privește structura lor și natura mișcării termice, lichidele ocupă o poziție intermediară între solide și gaze. Deși diferența dintre un lichid și un gaz este mult mai mare decât între un lichid și un solid. De exemplu, în timpul topirii sau cristalizării, volumul unui corp se modifică de multe ori mai puțin decât în ​​timpul evaporării sau condensării.

Gazele nu au un volum constant și ocupă întregul volum al vasului în care se află. Energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor este mai mică decât energia cinetică a moleculelor. Particulele de materie practic nu interacționează. Gazele se caracterizează printr-o dezordine completă în aranjarea și mișcarea moleculelor.

Distanța dintre moleculele de gaz este de multe ori mai mare decât dimensiunea moleculelor. Forțele mici de atracție nu pot menține moleculele una lângă alta, astfel încât gazele se pot extinde la infinit. Gazele sunt ușor comprimate sub acțiunea presiunii externe, deoarece. distanțele dintre molecule sunt mari, iar forțele de interacțiune sunt neglijabile. Presiunea gazului pe pereții vasului este creată de impactul moleculelor de gaz în mișcare.