Funktioner av vätskors molekylära struktur

Vätskan intar en mellanposition i egenskaper och struktur mellan gaser och fasta kristallina ämnen. Därför har den egenskaperna hos både gasformiga och fasta ämnen. I den molekylära kinetiska teorin är olika aggregerade tillstånd av ett ämne associerade med en annan grad av ordning av molekyler. För fasta ämnen, den sk lång räckvidd ordning vid arrangemanget av partiklar, dvs. deras ordnade arrangemang, upprepande över långa avstånd. I vätskor, den sk kort räckvidd ordning vid arrangemanget av partiklar, dvs. deras ordnade arrangemang, som upprepas på avstånd, är jämförbart med interatomära. Vid temperaturer nära kristallisationstemperaturen är vätskestrukturen nära den hos ett fast ämne. Vid höga temperaturer, nära kokpunkten, motsvarar vätskans struktur det gasformiga tillståndet - nästan alla molekyler deltar i kaotisk termisk rörelse.

Vätskor, som fasta ämnen, har en viss volym, och som gaser tar de formen av kärlet där de är belägna. Gasmolekyler är praktiskt taget inte sammankopplade av krafterna från intermolekylär interaktion, och i detta fall medelenergin termisk rörelse gasmolekyler är mycket större än den genomsnittliga potentiella energin på grund av attraktionskrafterna mellan dem, så gasmolekylerna sprids i olika riktningar och gasen upptar den volym som den tillhandahålls. I fasta och flytande kroppar är attraktionskrafterna mellan molekyler redan betydande och håller molekylerna på ett visst avstånd från varandra. I det här fallet är medelenergin för molekylernas termiska rörelse mindre än den genomsnittliga potentiella energin på grund av krafterna från intermolekylär interaktion, och det räcker inte för att övervinna attraktionskrafterna mellan molekyler, så fasta ämnen och vätskor har en viss volym .

Trycket i vätskor ökar mycket snabbt med ökande temperatur och minskande volym. Den volymetriska expansionen av vätskor är mycket mindre än den för ångor och gaser, eftersom krafterna som binder molekyler i en vätska är mer betydande; samma anmärkning gäller termisk expansion.

Vätskors värmekapacitet ökar vanligtvis med temperaturen (om än något). Cp/CV-förhållandet är praktiskt taget lika med ett.

Teorin om vätska har inte utvecklats fullt ut hittills. Utvecklingen av ett antal problem i studiet av de komplexa egenskaperna hos en vätska tillhör Ya.I. Frenkel (1894–1952). Han förklarade den termiska rörelsen i en vätska med att varje molekyl svänger under en tid runt en viss jämviktsposition, varefter den hoppar till en ny position, som är på ett avstånd i storleksordningen av det interatomära avståndet från det initiala. Sålunda rör sig vätskans molekyler ganska långsamt genom hela vätskans massa. Med en ökning av vätskans temperatur ökar frekvensen av oscillerande rörelser kraftigt och molekylernas rörlighet ökar.

Utifrån Frenkel-modellen går det att förklara en del särdrag vätskans egenskaper. Således har vätskor, även nära den kritiska temperaturen, en mycket högre viskositetän gaser, och viskositeten minskar med ökande temperatur (snarare än ökar, som i gaser). Detta förklaras av en annan karaktär hos momentumöverföringsprocessen: den överförs av molekyler som hoppar från ett jämviktstillstånd till ett annat, och dessa hopp blir mycket vanligare med ökande temperatur. Diffusion i vätskor uppstår endast på grund av molekylära hopp, och det sker mycket långsammare än i gaser. Värmeledningsförmåga vätskor beror på utbytet av kinetisk energi mellan partiklar som svänger runt deras jämviktspositioner med olika amplituder; skarpa hopp av molekyler spelar ingen märkbar roll. Mekanismen för värmeledning liknar dess mekanism i gaser. karaktäristiskt drag vätska är dess förmåga att ha fri yta(ej begränsad av solida väggar).

Flera teorier har föreslagits för vätskors molekylära struktur.

1. Zonmodell. PÅ det här ögonblicket tid kan en vätska anses bestå av regioner där molekylerna är ordnade i rätt ordning och bildar en sorts mikrokristall (zon). Dessa områden är så att säga åtskilda av ett ämne i gasformigt tillstånd. Med tiden bildas dessa områden på andra platser osv.

2. Teorin om kvasikristallin struktur. Betrakta en kristall vid absolut nolltemperatur (se fig. 9.9.)

Vi väljer en godtycklig riktning i den och plottar beroendet av sannolikheten P att hitta en gasmolekyl på ett visst avstånd från en annan molekyl placerad vid ursprunget (Fig. 9.9. a), medan molekylerna är belägna vid noderna i kristallgittret. Vid högre temperatur (bild 9.9, b) molekyler oscillerar runt fasta jämviktspositioner, nära vilka de tillbringar större delen av sin tid. Den strikta periodiciteten för upprepningen av sannolikhetsmaxima i en ideal kristall sträcker sig godtyckligt långt från den valda partikeln; därför är det vanligt att säga att en "lång räckviddsordning" existerar i ett fast ämne.

När det gäller en vätska (fig. 9.9, i) nära varje molekyl, dess grannar finns mer eller mindre regelbundet, men långt borta bryts denna ordning (kortdistansordning). På grafen mäts avstånden i bråkdelar av molekylens radie (r/r 0).

DISTRIBUTION AV MOLEKYLER I ETT POTENTIELLT FÄLT

GRAVITETSKRAFTER (BOLTZMANN DISTRIBUTION)

När man härledde den grundläggande ekvationen för gasernas MKT och Maxwell-fördelningen antog man att yttre krafter inte verkar på gasmolekyler, vilket innebär att molekylerna är jämnt fördelade över volymen. Men molekylerna i vilken gas som helst är alltid i det potentiella fältet för jordens gravitation. Gravitation, å ena sidan, och termisk rörelse av molekyler, å andra sidan, leder till ett visst stationärt tillstånd, där gastrycket minskar med ökande höjd.

Låt oss få lagen om tryckförändring med höjden, anta att över hela höjden: gravitationsfältet är enhetligt (g = const); temperaturen är densamma (T = const); massorna av alla molekyler är desamma.

Låt trycket p vara på höjden h. Då på höjden h + dh är trycket p + dp. Dessutom, om dh >0, då dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Nu eller .

Låt oss integrera höger och vänster sida:

; .

Var, . (26)

Detta är den så kallade barometriska formeln. Det låter dig bestämma atmosfärens tryck som en funktion av höjden över havet:

. (27)

Därför att trycket är direkt proportionellt mot koncentrationen av molekyler, då kan du få lagen om förändring i koncentrationen av molekyler med höjden, förutsatt att temperaturen inte ändras med höjden (T = const):

. (28)

Med tanke på att M = m∙NA och R = k∙N A från (27) får vi:

Därför att mgh = U(h) är den potentiella energin för en molekyl på höjden h, alltså

(30)

är Boltzmann-distributionen.

ANTAL KOLISIONER OCH MEDELFRI VÄG FÖR IDEELLA GASMOLEKYLER.

Som ett resultat av kaotisk rörelse kolliderar gasmolekyler kontinuerligt med varandra. Mellan två på varandra följande kollisioner färdas molekylen en viss väg λ, som kallas medelfri väg . I det allmänna fallet är längden på denna väg annorlunda, men sedan antalet kollisioner är mycket stort, och rörelsen är slumpmässig, då kan vi under konstanta yttre förhållanden tala om medellängd fritt lopp - . Om molekylerna i en given gas upplever 1 sekund i genomsnitt kollisioner, då

var är den aritmetiska medelhastigheten för molekyler.

Vi betraktar idealiska gasmolekyler som sfärer. Uppenbarligen kommer en kollision att inträffa om två molekyler närmar sig ett avstånd som är lika med två radier, dvs diametern på molekylerna d. Minsta avstånd, genom vilken mitten av två molekyler närmar sig under en kollision, kallas molekylernas effektiva diameter. Denna parameter beror på och därmed på gastemperaturen.

För att definiera, föreställ dig en molekyl med en effektiv diameter d, som rör sig med en hastighet bland andra molekyler, som samtidigt förblir orörliga. Denna molekyl kommer att kollidera med alla molekyler vars centrum ligger inuti en "trasig" cylinder med radien d. Detta betyder att det är lika med antalet molekyler i volymen av denna cylinder

där n är koncentrationen av molekyler och V är cylinderns volym: . Med detta i åtanke -

. (32)

Att ta hänsyn till andra molekylers rörelse ökar antalet kollisioner med en faktor. Slutligen, för z får vi:

. (33)

Sedan (34)

Därför att p ~ n, sedan för olika yttre förhållanden vi har:

För luft på 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.

ÖVERFÖRINGSFENOMEN

I termodynamiskt icke-jämviktssystem, dvs. i system där makroparametrarnas värden (T, p, ) är olika på sina olika punkter, inträffar irreversibla processer, som kallas transportfenomen . Som ett resultat av sådana processer överförs energi från ett lokalt område av systemet till ett annat (fenomenet värmeledningsförmåga), massa (fenomenet diffusion), momentum (intern friktion), laddning, etc. Detta leder till anpassningen av värdena för makroparametrar med systemets volym. Det är tydligt att överföringen av alla värden förklaras av övergången från plats till plats av ett visst antal partiklar (molekyler och atomer) som ett resultat av deras kaotiska rörelse.

Vi får den allmänna transportekvationen längs en godtycklig riktning. Låt oss rikta axeln O längs den X(Figur 3). Låt oss mentalt peka ut ett element i planet med arean ∆S, vinkelrätt mot O X. På grund av slumpmässigheten i rörelsen under tiden ∆t genom ∆S i riktning mot O X flytta N partiklar:

(1)

Här är n koncentrationen av molekyler (atomer), och är deras aritmetiska medelhastighet. Genom att passera genom ∆S överför varje molekyl sin inneboende massa, laddning, rörelsemängd, energi eller någon annan av dess egenskaper. Låt oss beteckna värdet av den kvantitet som bärs av en molekyl med bokstaven φ. Sedan under tiden ∆t genom området ∆S i O-axelns riktning X kvantitet kommer att överföras fysisk kvantitet

(2).

Uppenbarligen, om koncentrationen till höger också är n, kommer samma antal partiklar att röra sig från höger till vänster. De där. den resulterande bäringen i detta fall noll-: ∆N = 0 och ∆Nφ = 0.

Om mediet är inhomogent, dvs. antingen koncentrationen av partiklar eller värdena på φ för partiklar till vänster och höger är inte samma, då är övergångar från regioner där värdet på (nφ) är större till regionen där det är mindre troligare. Om vi ​​antar att (nφ) 1 > (nφ) 2, så kommer den resulterande överföringen av värdet på φ att bestämmas av relationen: . (3)

Minustecknet i (3) reflekterar det faktum att värdet (nφ) minskar i överföringsriktningen.

Låt oss ta reda på på vilket avstånd från ∆S till vänster och höger värdena (nφ) ska tas. Därför att förändra fysiska egenskaper molekyler uppstår endast under kollisioner, och innan kollisionen har var och en av molekylerna färdats ett avstånd lika med den fria banan, då kan vi anta att (nφ) molekyler förblir oförändrade på ett avstånd lika med den fria banan till vänster och höger om ∆ S. Dividera och multiplicera den högra sidan av (3) med 2:

Fördelningen av kvantiteter längs vilken riktning som helst bestäms av en egenskap som kallas gradienten. En gradient är en förändring i magnitud över ett avstånd som är lika med en längdenhet.

I det här fallet vid punkten med koordinat X 2 värdet på det överförbara värdet är (nφ) 2, och vid punkten X 1 – (nφ) 1 , sedan under gradienten av värdet nφ, överförd längs O-axeln X, bör man förstå förhållandet:

.

Sedan gradienten för nφ i området ∆S.

. (5)

(5) är den allmänna överföringsekvationen.

Diffusion är överföring av massa av materia . Förutsatt att molekylernas massor är desamma (m 0 = const), är gastemperaturen densamma i volym (T = const) och fördelningen av hastigheter är enhetlig över volymen ( = const), och ersätter massan av molekyl i (5) istället för φ får vi:

Eller . (6)

Detta är Ficks lag. D = är diffusionskoefficienten. [D] \u003d m 2/s.

Värmeledningsförmåga är överföring av energi . Förutsatt att koncentrationen av molekyler över hela gasvolymen (n \u003d const), molekylernas massor är desamma (m 0 \u003d const), är fördelningen av hastigheter över volymen enhetlig ( \u003d const), och den genomsnittliga kinetiska energin för translationsrörelsen för en molekyl får vi Fourierlagen:

, eller . (7)

- koefficient för värmeledningsförmåga. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

Viskositet är överföringen av momentum mellan parallella lager som rör sig på ett ordnat sätt med hastigheter u 1 och u 2. Förutsatt att över hela gasens volym är koncentrationen av molekyler n = const, molekylernas massor är desamma (m 0 = const), fördelningen av hastigheter över volymen är enhetlig ( = const), och rörelsemängden modul för en molekyl, associerad med hastigheten för den ordnade rörelsen av skikten φ = p = m 0 u, för rörelsemängden för växelverkanskraften för skikten vi har:

Eller . ()

Detta är Newtons ekvation, som bestämmer storleken på den inre friktionskraften (viskositeten). är den tvärgående hastighetsgradienten som kännetecknar hastigheten för förändring av hastighet i riktningen X vinkelrätt mot rörelsen av gnidningsskikten. η – dynamisk viskositetskoefficient . [η] = Pa s.

MOLEKYLÄRA KRAFTER

Krafterna för interaktion mellan molekyler, eller, som de också kallas, Van der Waals krafter, är elektriska till sin natur. Dessa är Coulomb-krafterna för interaktion mellan laddade partiklar som utgör atomer och molekyler. De uppträder på avstånd som står i proportion till storleken på själva molekylerna och minskar mycket snabbt med ökande avstånd. Samtidigt verkar attraktionskrafter (samverkan av motsatta laddningar) och repulsiva krafter (samverkan av liknande laddningar) samtidigt. Därför att verkliga partiklar är inte punkt, då beror storleken på dessa krafter på avståndet mellan dem på olika sätt.

Det finns tre typer av van der Waals-krafter:

a) orientering - agerar mellan polära molekyler:

,

där р är det elektriska dipolmomentet för partiklarna, r är avståndet mellan dem, k är Boltzmann-konstanten, Т är den termodynamiska temperaturen.

b) induktion – beskriva interaktionen mellan molekyler, polarisering

laddningar som uppstår under påverkan av elektriska fält från närliggande partiklar:

.

Här: р ind = ε 0 αЕ – förvärvat elektriskt dipolmoment för partiklar; α är polariserbarheten av molekyler.

i) dispersion - bestämma interaktionen mellan molekyler, där den asymmetriska fördelningen av laddningar sker slumpmässigt, i processen att flytta elektroner i banor, vilket leder till bildandet av momentana dipoler:

.

I allmänhet kan alla tre typer av krafter verka samtidigt:

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

Låt oss överväga beroendet av intermolekylära interaktionskrafter på avstånd. Attraktionskrafterna F pr anses vara negativa, och avstötningskrafterna F från anses vara positiva. Summan av dessa krafter ger resultanten - Fres = f(r). På något avstånd r 0 mellan molekylerna |F pr | = |F från | och den resulterande kraften F \u003d F pr + F från \u003d 0. Om r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , då råder attraktionskrafterna. På ett avstånd av r > 10 -9 m tenderar emellertid van der Waals-krafterna snabbt till noll.

Systemet med interagerande molekyler kännetecknas av en viss reserv av potentiell energi, som beror på r på ett komplext sätt, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 och 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.

Den minsta potentiella interaktionsenergin kallas molekylers bindningsenergi. Det är lika med det arbete som måste göras mot attraktionskrafterna för att separera molekyler som är i jämvikt.

Förhållandet mellan den minsta potentiella energin (E p min) och värdet av den fördubblade medelenergin för termisk rörelse per en frihetsgrad är ett kriterium för tillståndet för aggregation av ett ämne. Om en:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – vätska;

c) E p min >> kT är en fast kropp.

Sålunda kan vilket ämne som helst, beroende på temperaturen, vara i gasformigt, flytande eller fast aggregationstillstånd.

STRUKTURELLA EGENSKAPER HOS GAS, VÄTSKA OCH FAST KROPP

R.N. Grabovsky. Fysik kurs. 1980, sid. 168-174.

RIKTIGA GASER

Den molekylära kinetiska teorins ekvationer beskriver ganska väl beteendet hos verkliga gaser vid tillräckligt hög temperatur och lågt tryck. Detta är förståeligt, eftersom ett sådant tillstånd riktig gas närmast den ideala gasmodellen, på grundval av vilken alla slutsatser från MKT erhålls. Men med ökande tryck och sjunkande temperatur minskar det genomsnittliga avståndet mellan molekylerna och krafterna för molekylär interaktion ökar. Till exempel på n.o. volymen av molekyler är 1/10000 av den volym som upptas av gasen, och vid ett tryck på 500 atm (500 MPa) kommer det redan att vara hälften av den totala volymen gas. Det är ganska uppenbart att under dessa förhållanden upphör MKT:s lagar att fungera, till exempel, PV ¹ const vid T = const.

Uppgiften är alltså att få fram en sådan tillståndsekvation för en verklig gas som skulle ta hänsyn till molekylernas volym och deras interaktion.

©2015-2019 webbplats
Alla rättigheter tillhör deras upphovsmän. Denna webbplats gör inte anspråk på författarskap, men erbjuder gratis användning.
Sidans skapandedatum: 2016-02-13

I problemen i detta avsnitt betonar de främst tanken att molekylerna i gaser är belägna på större avstånd än i vätskor och fasta ämnen, attraktionskrafterna mellan dem är obetydliga, och därför upptar gaser en stor volym. (Ett liknande påstående med avseende på vätskor och fasta ämnen är generellt sett falskt. För fasta ämnen är ordningen på molekylerna också av stor betydelse.)

Det andra konceptet som bildas i klass VI när man löser problem i det här avsnittet är skillnaden i arten av molekylers rörelse i gaser, vätskor och fasta ämnen.

58(e). Genom att flytta proppen i potatispistolen med en pinne (fig. 14), observera minskningen av luftvolymen. Gör samma experiment, fyll röret med vatten. Förklara skillnaden i kompressibilitet mellan vatten och luft utifrån ämnenas molekylära struktur.

59. Hur förklarar man att ångan som produceras av kokande vatten upptar cirka 1700 gånger mer volym än vatten vid kokpunkten?

Svar. Ångmolekyler är belägna på så stora avstånd från varandra att attraktionskrafterna mellan dem är obetydliga och därför inte kan orsaka ångkondensation vid en given temperatur (vid en given molekylhastighet).

60(e). Häll hälften av vattnet i ett meter glasrör och alkohol ovanpå och blanda dem sedan. Hur förändrades vätskevolymen efter det? Förklara varför.

Svar. Den totala volymen minskade som ett resultat av den tätare packningen av molekylerna.

61. Forskaren Bridgman pressade olja i en stålcylinder med stor kraft. Hur förklarar man att oljepartiklar stack ut på cylinderns ytterväggar, även om det inte fanns några sprickor i dem?

62. Om du trycker ihop plattorna av bly och guld, kan du efter ett tag hitta blymolekyler i guld och guldmolekyler i bly. Förklara varför.

Lösning av problem 61 och 62. I fasta ämnen och vätskor finns det små luckor mellan molekyler, trots deras täta packning. Molekyler rör sig främst genom vibrationer. Bilden påminner om människor i en fullsatt buss, som trots tätheten rör sig, byter plats med varandra eller passerar genom slumpmässigt formade passager.

63(e). Undersök glimmerplattan och dela den i tunnare blad. Bryt och undersök bitarna i en large bordssalt. Hur kan glimmers och salts ojämlika egenskaper i olika riktningar förklaras utifrån ett ämnes molekylära struktur?

64(e). Bryt en bit av tonhöjd och förklara varför en paus alltid ger en slät yta.

Svar. Var är en förtjockad vätska, därför bildar dess molekyler inte korrekt alternerande lager, som i en kristallin kropp.

Strukturen av gaser, vätskor och fasta ämnen. Funktioner i strukturen av lösningar. Begreppet "reaktivt fält"
Teori om vätskors struktur: jämförelse med strukturen hos gaser och fasta ämnen Vätskors struktur (struktur). Vätskors struktur är för närvarande föremål för närmare studier av fysikaliska kemister. För forskning i denna riktning används de modernaste metoderna, inklusive spektral (IR, NMR, spridning av ljus av olika våglängder), röntgenspridning, kvantmekaniska och statistiska beräkningsmetoder m.m. Teorin om vätskor är mycket mindre utvecklad än den för gaser, eftersom egenskaperna hos vätskor beror på geometrin och polariteten hos nära åtskilda molekyler. Dessutom gör avsaknaden av en specifik struktur av vätskor det svårt att formalisera deras beskrivning - i de flesta läroböcker ges vätskor mycket mindre utrymmeän gaser och kristallina fasta ämnen. Vilka är egenskaperna hos var och en av de tre aggregattillstånden av materia: fast, flytande och gas. (tabell)
1) Solid: kroppen behåller volym och form
2) Vätskor behåller volymen men ändrar lätt form.
3) Gas har varken form eller volym.

Dessa tillstånd av samma ämne skiljer sig inte åt i typen av molekyler (det är samma), utan i hur molekylerna är lokaliserade och rör sig.
1) I gaser är avståndet mellan molekylerna stort fler storlekar själva molekylerna
2) Molekyler av en vätska divergerar inte över långa avstånd och vätskan behåller under normala förhållanden sin volym.
3) Partiklar av fasta kroppar är ordnade i en viss ordning. Var och en av partiklarna rör sig runt en viss punkt i kristallgittret, som en klockpendel, det vill säga den svänger.
När temperaturen sjunker stelnar vätskor och när de stiger över kokpunkten övergår de till gasformigt tillstånd. Bara detta faktum indikerar att vätskor intar en mellanposition mellan gaser och fasta ämnen, som skiljer sig från båda. Men vätskan har likheter med vart och ett av dessa tillstånd.
Det finns en temperatur där gränsen mellan gas och vätska helt försvinner. Detta är den så kallade kritiska punkten. För varje gas är temperaturen känd, över vilken den inte kan vara flytande vid något tryck; vid denna kritiska temperatur försvinner gränsen (menisken) mellan vätskan och dess mättade ånga. Förekomsten av en kritisk temperatur ("absolut kokpunkt") fastställdes av DIMendeleev 1860. Den andra egenskapen som förenar vätskor och gaser är isotropi. Det vill säga, vid första anblicken kan man anta att vätskor är närmare gaser än kristaller. Precis som gaser är vätskor isotropa, d.v.s. deras egenskaper är desamma i alla riktningar. Kristaller, tvärtom, är anisotropa: brytningsindex, kompressibilitet, styrka och många andra egenskaper hos kristaller visar sig vara olika i olika riktningar. Fasta kristallina ämnen har en ordnad struktur med repeterande element, vilket gör det möjligt att studera dem med röntgendiffraktion (metoden för röntgendiffraktionsanalys har använts sedan 1912).

Vad har vätskor och gaser gemensamt?
A) isotropisk. Egenskaperna hos en vätska, liksom gasernas, är desamma i alla riktningar, d.v.s. är isotropa, till skillnad från kristaller, som är anisotropa.
B) Vätskor, liksom gaser, har inte en bestämd form och tar formen av ett kärl (låg viskositet och hög fluiditet).
Molekyler och vätskor och gaser rör sig ganska fritt och kolliderar med varandra. Tidigare trodde man att inom volymen som upptas av vätskan antogs varje avstånd som översteg summan av deras radier vara lika troligt, dvs. tendensen till ett ordnat arrangemang av molekyler förnekades. Sålunda var vätskor och gaser i viss mån motståndare till kristaller.
Allt eftersom forskningen fortskrider, Mer fakta indikerade närvaron av likheter mellan strukturen hos vätskor och fasta ämnen. Till exempel sammanfaller värdena för värmekapacitet och kompressibilitetskoefficienter, särskilt nära smältpunkten, praktiskt taget med varandra, medan dessa värden för vätska och gas skiljer sig kraftigt.
Redan från detta exempel kan man dra slutsatsen att bilden av termisk rörelse i vätskor vid en temperatur nära stelningstemperaturen liknar termisk rörelse i fasta ämnen och inte i gaser. Tillsammans med detta kan man också notera sådana betydande skillnader mellan materiens gasformiga och flytande tillstånd. I gaser är molekyler fördelade över rymden på ett helt slumpmässigt sätt, d.v.s. det senare anses vara ett exempel på strukturlös utbildning. Vätskan har fortfarande en viss struktur. Detta bekräftas experimentellt av röntgendiffraktion, som visar minst ett tydligt maximum. Strukturen hos en vätska är hur dess molekyler är fördelade i rymden. Tabellen illustrerar likheterna och skillnaderna mellan gas- och flytande tillstånd.
Gasfas Flytande fas
1. Avståndet mellan molekylerna l är vanligtvis (för låga tryck) mycket större än radien för molekylen r: l  r ; praktiskt taget hela volymen V som upptas av gasen är fri volym. I vätskefasen, tvärtom, l 2. Den genomsnittliga kinetiska energin för partiklar, lika med 3/2kT, är större än den potentiella energin U för deras intermolekylära interaktion. Den potentiella energin för interaktionen mellan molekyler är större än medelvärdet kinetisk energi för deras rörelse: U3/2 kT
3. Partiklar kolliderar under sin translationella rörelse, kollisionsfrekvensfaktorn beror på partiklarnas massa, deras storlek och temperatur Varje partikel svänger i buren som skapas av molekylerna som omger den. Svängningsamplituden a beror på den fria volymen, a  (Vf/ L)1/3
4. Diffusion av partiklar sker som ett resultat av deras translationella rörelse, diffusionskoefficienten D  0,1 - 1 cm2 / s (p  105 Pa) och beror på gastrycket
(D  p-1) Diffusion sker som ett resultat av att en partikel hoppar från en cell till en annan med en aktiveringsenergi ED,
D  e-ED/RT i icke-viskösa vätskor
D  0,3 - 3 cm2 / dag.
5. Partikeln roterar fritt, rotationsfrekvensen r bestäms endast av partikelns tröghetsmoment och temperatur, rotationsfrekvensen r T1/2 Er/RT
Det flytande tillståndet är emellertid nära det fasta tillståndet i ett antal viktiga indikatorer (kvasikristallinitet). Ansamlingen av experimentella fakta visade att vätskor och kristaller har mycket gemensamt. Fysiska och kemiska studier av enskilda vätskor har visat att nästan alla av dem har några element i kristallstrukturen.
För det första är de intermolekylära avstånden i en vätska nära de i ett fast ämne. Detta bevisas av det faktum att under smältningen av den senare ändras volymen av ämnet obetydligt (vanligtvis ökar den med högst 10%). För det andra skiljer sig energin för intermolekylär interaktion i en vätska och i ett fast ämne obetydligt. Detta följer av det faktum att smältvärmen är mycket mindre än förångningsvärmen. Till exempel, för vatten Hpl= 6 kJ/mol och Hsp= 45 kJ/mol; för bensen Hpl = 11 kJ/mol och Htest = 48 kJ/mol.
För det tredje förändras ett ämnes värmekapacitet under smältning väldigt lite, d.v.s. det är nära för båda dessa stater. Därav följer att arten av partiklars rörelse i en vätska är nära den i ett fast ämne. För det fjärde kan en vätska, som en fast kropp, motstå stora dragkrafter utan att gå sönder.
Skillnaden mellan en vätska och en fast substans ligger i flytbarheten: en fast substans behåller sin form, en vätska ändrar den lätt även under påverkan av en liten ansträngning. Dessa egenskaper härrör från sådana egenskaper hos strukturen hos en vätska som stark intermolekylär interaktion, kortdistansordning i arrangemanget av molekyler och förmågan hos molekyler att ändra sin position relativt snabbt. När en vätska värms upp från fryspunkten till kokpunkten ändras dess egenskaper smidigt, med uppvärmning ökar dess likheter med en gas gradvis.
Var och en av oss kan lätt komma ihåg många ämnen som han anser vara vätskor. Det är dock inte så lätt att ge en exakt definition av detta materiatillstånd, eftersom vätskor har sådana fysikaliska egenskaper att de i vissa avseenden liknar fasta ämnen och i andra liknar de gaser. Likheten mellan vätskor och fasta ämnen är mest uttalad i glasartade material. Deras övergång från fast till flytande med ökande temperatur sker gradvis, och inte som en uttalad smältpunkt, de blir helt enkelt mjukare och mjukare, så att det är omöjligt att ange i vilket temperaturområde de ska kallas fasta ämnen, och i vilka de ska vara kallas vätskor. Vi kan bara säga att viskositeten för ett glasartat ämne i flytande tillstånd är mindre än i fast tillstånd. Solida glas benämns därför ofta som underkylda vätskor. Tydligen mest karakteristisk egenskap vätskor, vilket skiljer dem från fasta ämnen, är deras låga viskositet, dvs. hög fluiditet. Tack vare henne tar de formen av kärlet där de hälls. På molekylär nivå innebär hög fluiditet en relativt stor frihet av vätskepartiklar. I detta liknar vätskor gaser, även om krafterna för intermolekylär interaktion mellan vätskor är större, är molekylerna närmare och mer begränsade i sin rörelse.
Det som har sagts kan närma sig på ett annat sätt - utifrån idén om lång- och kortdistansordning. Långdistansordning finns i kristallina fasta ämnen, vars atomer är ordnade på ett strikt ordnat sätt och bildar tredimensionella strukturer som kan erhållas genom upprepad upprepning av enhetscellen. Det finns ingen långväga ordning i vätska och glas. Detta betyder dock inte att de inte är beställda alls. Antalet närmaste grannar för alla atomer är nästan detsamma, men arrangemanget av atomer när de rör sig bort från valfri vald position blir mer och mer kaotisk. Ordning finns alltså bara på små avstånd, därav namnet: kortdistansordning. En adekvat matematisk beskrivning av strukturen hos en vätska kan endast ges med hjälp av statistisk fysik. Till exempel, om en vätska består av identiska sfäriska molekyler, kan dess struktur beskrivas av den radiella fördelningsfunktionen g(r), som ger sannolikheten att hitta någon molekyl på ett avstånd r från den givna, vald som referenspunkt . Experimentellt kan denna funktion hittas genom att studera diffraktionen av röntgenstrålar eller neutroner, och med tillkomsten av höghastighetsdatorer började den beräknas med metoden datorsimulering, baserat på tillgängliga data om karaktären hos de krafter som verkar mellan molekyler, eller på antaganden om dessa krafter, såväl som på lagarna i Newtons mekanik. Genom att jämföra de radiella fördelningsfunktionerna som erhålls teoretiskt och experimentellt kan man verifiera riktigheten av antagandena om arten av intermolekylära krafter.
I organiska ämnen, vars molekyler har en långsträckt form, i ett eller annat temperaturområde, finns ibland områden av vätskefasen med en lång räckvidd orienteringsordning, vilket visar sig i en tendens till parallell inriktning av de långa axlarna av molekylerna. I detta fall kan orienteringsordning åtföljas av koordinationsordning av molekylära centra. Flytande faser av denna typ kallas vanligtvis flytande kristaller. Det flytande-kristallina tillståndet är mellanliggande mellan kristallint och flytande. Flytande kristaller har både fluiditet och anisotropi (optisk, elektrisk, magnetisk). Ibland kallas detta tillstånd mesomorft (mesofas) på grund av frånvaron av långväga ordning. Den övre gränsen för tillvaron är temperaturen för upplysning (en isotrop vätska). Termotropa (mesogena) FA finns över en viss temperatur. Typiska är cyanobifenyler. Lyotropisk - vid upplösning, till exempel vattenlösningar av tvål, polypeptider, lipider, DNA. Studiet av flytande kristaller (mesofas - smältning i två steg - grumlig smälta, sedan genomskinlig, övergång från en kristallin fas till en vätska genom en mellanform med anisotropa optiska egenskaper) är viktigt för teknikens syften - flytande kristallindikation.
Molekyler i en gas rör sig slumpmässigt (slumpmässigt). I gaser är avståndet mellan atomer eller molekyler i genomsnitt många gånger större än storleken på själva molekylerna. Molekyler i en gas rör sig med höga hastigheter (hundratals m/s). De kolliderar och studsar av varandra som perfekt elastiska bollar, vilket ändrar storleken och riktningen på hastigheterna. På stora avstånd mellan molekyler är attraktionskrafterna små och kan inte hålla gasmolekyler nära varandra. Därför kan gaser expandera i det oändliga. Gaser komprimeras lätt, det genomsnittliga avståndet mellan molekylerna minskar, men förblir fortfarande stort i storlek. Gaser behåller varken form eller volym, deras volym och form sammanfaller med volymen och formen på kärlet de fyller. Flera nedslag av molekyler på kärlets väggar skapar gastryck.
Atomer och molekyler av fasta ämnen vibrerar runt vissa jämviktspositioner. Därför behåller fasta ämnen både volym och form. Om du mentalt kopplar centra för jämviktspositioner för atomer eller joner i en fast kropp, får du ett kristallgitter.
Molekylerna i en vätska ligger nästan nära varandra. Därför är vätskor mycket dåligt komprimerbara och behåller sin volym. Molekyler av en vätska vibrerar runt jämviktspositionen. Då och då gör molekylen övergångar från ett stabilt tillstånd till ett annat, som regel i riktning mot en yttre krafts verkan. Tiden för molekylens sedimenterade tillstånd är liten och minskar med ökande temperatur, och tiden för övergången av molekylen till ett nytt sedimenterat tillstånd är ännu kortare. Därför är vätskor flytande, behåller inte sin form och tar formen av kärlet som de hälls i.

Kinetisk teori om vätskor Den kinetiska teorin om vätskor som utvecklats av Ya. I. Frenkel betraktar en vätska som dynamiskt system partiklar, som delvis liknar det kristallina tillståndet. Vid temperaturer nära smältpunkten reduceras termisk rörelse i en vätska huvudsakligen till harmoniska svängningar av partiklar runt vissa genomsnittliga jämviktspositioner. I motsats till det kristallina tillståndet är dessa jämviktspositioner för molekyler i en vätska tillfälliga för varje molekyl. Efter att ha svängt runt en jämviktsposition under en tid t, hoppar molekylen till en ny position i grannskapet. Ett sådant hopp inträffar med energiförbrukningen U, så den "fastställda livslängden" t beror på temperaturen enligt följande: t = t0 eU/RT, där t0 är perioden för en svängning runt jämviktspositionen. För vatten vid rumstemperatur t » 10-10s, t0 = 1,4 x 10-12s, det vill säga en molekyl, som har gjort cirka 100 vibrationer, hoppar till en ny position, där den fortsätter att oscillera. Från röntgen- och neutronspridningsdata kan man beräkna partikelfördelningstäthetsfunktionen  som en funktion av avståndet r från en partikel vald som centrum. I närvaro av långdistansordning i ett kristallint fast ämne har funktionen (r) ett antal distinkta maxima och minima. På grund av partiklarnas höga rörlighet bevaras endast kortdistansordning i en vätska. Detta följer tydligt av vätskors röntgenmönster: funktionen (r) för en vätska har ett tydligt första maximum, ett diffust andra, och sedan (r) = konst. Den kinetiska teorin beskriver smältning enligt följande. I ett fast ämnes kristallgitter finns det alltid ett litet antal vakanser (hål) som långsamt vandrar runt i kristallen. Ju närmare temperaturen är smälttemperaturen, desto högre koncentration av "hål" och desto snabbare rör sig de genom provet. Vid smältpunkten får bildningen av "hål" en lavinliknande kooperativ karaktär, partikelsystemet blir dynamiskt, ordningen på lång räckvidd försvinner och fluiditeten uppstår. Den avgörande rollen vid smältning spelas av bildandet av fri volym i vätskan, vilket gör systemet flytande. Den viktigaste skillnaden mellan en flytande och en fast kristallin kropp är att det finns en fri volym i vätskan, av vilken en betydande del har formen av fluktuationer ("hål"), vars vandring genom vätskan ger den en sådan karakteristisk kvalitet som flytbarhet. Antalet sådana "hål", deras volym och rörlighet beror på temperaturen. Vid låg temperatur blir vätskan, om den inte har förvandlats till en kristallin kropp, ett amorft fast ämne med mycket låg fluiditet på grund av en minskning av "hålens" volym och rörlighet. Såväl som kinetisk teori Under de senaste decennierna har den statistiska teorin om vätskor framgångsrikt utvecklats.

Struktur av is och vatten. Den viktigaste och vanligaste vätskan under normala förhållanden är vatten. Detta är den vanligaste molekylen på jorden! Det är ett utmärkt lösningsmedel. Till exempel innehåller alla biologiska vätskor vatten. Vatten löser många oorganiska (salter, syror, baser) och organiska ämnen (alkoholer, sockerarter, karboxylsyror aminer). Vilken struktur har denna vätska? Vi måste återigen återkomma till frågan som vi diskuterade i den första föreläsningen, nämligen till en så specifik intermolekylär interaktion som vätebindningen. Vatten, både i flytande och kristallin form, uppvisar anomala egenskaper just på grund av närvaron av många vätebindningar. Vilka är dessa anomala egenskaper: hög kokpunkt, hög smältpunkt och hög förångningsentalpi. Låt oss först titta på grafen, sedan på tabellen och sedan på diagrammet över vätebindningen mellan två vattenmolekyler. Faktum är att varje vattenmolekyl koordinerar 4 andra vattenmolekyler runt sig själv: två på grund av syre, som en donator av två ensamma elektronpar till två protoniserade väten, och två på grund av protoniserade väten som koordinerar med syre från andra vattenmolekyler. I föregående föreläsning visade jag dig en bild med grafer över smältpunkt, kokpunkt och entalpi för förångning av grupp VI-hydrider beroende på perioden. Dessa beroenden har en tydlig anomali för syrehydrid. Alla dessa parametrar för vatten är märkbart högre än de som förutspåtts från ett nästan linjärt beroende för följande hydrider av svavel, selen och tellur. Vi förklarade detta med förekomsten av en vätebindning mellan protoniserat väte och en elektrondensitetsacceptor, syre. Vätebindning har studerats mest framgångsrikt med hjälp av vibrationsinfraröd spektroskopi. Den fria OH-gruppen har en karakteristisk vibrationsenergi som gör att OH-bindningen växelvis förlängs och förkortas, vilket ger ett karakteristiskt band i molekylens infraröda absorptionsspektrum. Men om OH-gruppen deltar i en vätebindning är väteatomen bunden av atomer på båda sidor och därmed "dämpas" dess vibration och frekvensen minskar. Följande tabell visar att en ökning av styrkan och "koncentrationen" av vätebindningen leder till en minskning av absorptionsfrekvensen. I figuren motsvarar kurva 1 maximum av det infraröda absorptionsspektrumet för O-H-grupper i is (där alla H-bindningar är bundna); kurva 2 motsvarar maximum för gruppernas infraröda absorptionsspektrum O-N individ H2O-molekyler lösta i CCl4 (där det inte finns några H-bindningar - lösningen av H2O i CCl4 är för utspädd); och kurva 3 motsvarar absorptionsspektrumet för flytande vatten. Om flytande vatten hade två betyg O-N grupper - bildar vätebindningar och inte bildar dem - och några O-N grupper i vatten skulle de vibrera på samma sätt (med samma frekvens) som i is (där de bildar H-bindningar), och andra - som i CCl4-miljön (där de inte bildar H-bindningar). Då skulle vattnets spektrum ha två maxima motsvarande två O-H uppger grupper, deras två karakteristiska svängningsfrekvenser: med vilken frekvens vibrerar gruppen, med detta absorberar den ljus. Men "två-maximum"-bilden observeras inte! Istället ser vi på kurva 3 ett, mycket suddigt maximum, som sträcker sig från maxvärdet för kurva 1 till maxvärdet för kurva 2. Det betyder att alla O-H-grupper i flytande vatten bildar vätebindningar - men alla dessa bindningar har en annan energi, " lös” (har en annan energi), och på olika sätt. Detta visar att bilden där en del av vätebindningarna i vatten bryts och en del behålls är strängt taget felaktig. Det är dock så enkelt och bekvämt att beskriva vattens termodynamiska egenskaper att det används flitigt - och vi kommer också att hänvisa till det. Men tänk på att det inte är helt korrekt.
Således är IR-spektroskopi en kraftfull metod för att studera vätebindning, och många data om strukturen hos vätskor och fasta ämnen som är förknippade med det har erhållits med denna spektrala metod. Som ett resultat, för flytande vatten är den isliknande modellen (O.Ya. Samoilovs modell) en av de mest allmänt erkända. Enligt denna modell flytande vatten störs av termisk rörelse (bevis och följd av termisk rörelse - Brownsk rörelse, som först observerades av den engelske botanikern Robert Brown 1827 på pollen under ett mikroskop) en isliknande tetraedrisk ram (varje vattenmolekyl i en iskristall är sammankopplad med vätebindningar med reducerad energi jämfört med den i is - "lös" vätebindningar) med fyra omgivande vattenmolekyler), är hålrummen i denna ram delvis fyllda med vattenmolekyler, och vattenmolekylerna som finns i hålrummen och i noderna i de isliknande karacas är energimässigt ojämlika.

Till skillnad från vatten, i en iskristall vid noderna av kristallgittret finns vattenmolekyler med lika energi och de kan bara prestera oscillerande rörelser. I en sådan kristall finns både kort- och långdistansordning. I flytande vatten (som för en polär vätska) bevaras vissa element i kristallstrukturen (desutom, även i gasfasen, ordnas flytande molekyler i små instabila kluster), men det finns ingen långvägsordning. Således skiljer sig strukturen hos en vätska från strukturen hos en gas i närvaro av kortdistansordning, men den skiljer sig från strukturen hos en kristall i frånvaro av långdistansordning. Det mest övertygande beviset på detta är studiet av röntgenspridning. Tre grannar till varje molekyl i flytande vatten är belägna i ett lager och är på ett större avstånd från det (0,294 nm) än den fjärde molekylen från det angränsande lagret (0,276 nm). Varje vattenmolekyl i sammansättningen av det isliknande ramverket bildar en spegelsymmetrisk (stark) och tre centralt symmetriska (mindre starka) bindningar. Den första hänför sig till bindningarna mellan vattenmolekylerna i ett givet lager och angränsande lager, resten - till bindningarna mellan vattenmolekylerna i ett lager. Därför är en fjärdedel av alla bindningar spegelsymmetriska och tre fjärdedelar är centralt symmetriska. Konceptet med den tetraedriska miljön för vattenmolekyler ledde till slutsatsen att dess struktur är mycket genombruten och att det finns tomrum i den, vars dimensioner är lika med eller större än dimensionerna för vattenmolekyler.

Delar av strukturen av flytande vatten. a - elementär vattentetraeder (lätta cirklar - syreatomer, svarta halvor - möjliga positioner för protoner på en vätebindning); b - spegelsymmetriskt arrangemang av tetraedrar; c - centralt symmetriskt arrangemang; d - placering av syrecentra i strukturen av vanlig is. Vatten kännetecknas av betydande krafter av intermolekylär interaktion på grund av vätebindningar, som bildar ett rumsligt nätverk. Som vi sa i föregående föreläsning beror en vätebindning på förmågan hos en väteatom kopplad till ett elektronegativt element att bilda en ytterligare bindning med en elektronegativ atom i en annan molekyl. Vätebindningen är relativt stark och uppgår till flera 20-30 kilojoule per mol. När det gäller styrka upptar den en mellanplats mellan van der Waals-energin och energin hos en typisk jonbindning. Energi i en vattenmolekyl kemisk bindning H-O är 456 kJ/mol, och vätebindningsenergin för H...O är 21 kJ/mol.

Väteföreningar
Molekylvikt Temperatur,  С
frysning kokande
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Isstruktur. vanlig is. Prickad linje - H-bindningar. Små hålrum omgivna av H2O-molekyler är synliga i isens genombrutna struktur.
Således är isens struktur en genombruten konstruktion av vattenmolekyler, anslutna till varandra endast genom vätebindningar. Placeringen av vattenmolekyler i isstrukturen avgör förekomsten av breda kanaler i strukturen. Under issmältningen "faller" vattenmolekyler in i dessa kanaler, vilket förklarar ökningen av vattentätheten jämfört med isens densitet. Iskristaller förekommer i form av regelbundna hexagonala plattor, tabellformade segregationer och sammanväxter av komplex form. Strukturera vanlig is dikteras av H-bindningar: det är bra för geometrin hos dessa bindningar (O-H tittar direkt på O), men inte särskilt bra för tät van der Waals-kontakt av H2O-molekyler. Därför är isens struktur genombruten, i den omsluter H2O-molekyler mikroskopiska (mindre än en H2O-molekyl i storlek) porer. Isens genombrutna struktur leder till två välkända effekter: (1) is är mindre tät än vatten, den flyter i den; och (2) under starkt tryck - till exempel smälter bladen på en skridsko isen. De flesta av de vätebindningar som finns i is bevaras i flytande vatten. Detta följer av hur liten värmen från smältande is (80 cal/g) jämfört med värmen från kokande vatten (600 cal/g vid 0°C). Man kan säga att endast 80/(600+80) = 12% av de H-bindningar som existerar i isbrott i flytande vatten. Den här bilden - att en del av vätebindningarna i vatten bryts, och en del är bevarade - är dock inte helt korrekt: snarare blir alla vätebindningar i vatten lösa. Detta illustreras väl av följande experimentella data.

Struktur av lösningar. Från konkreta exempel för vatten, låt oss gå vidare till andra vätskor. Olika vätskor skiljer sig från varandra i storleken på molekyler och arten av intermolekylära interaktioner. Således finns det i varje specifik vätska en viss pseudokristallin struktur, kännetecknad av kort räckvidd och i viss mån liknar den struktur som erhålls när en vätska fryser och förvandlas till en fast substans. Vid upplösning av ett annat ämne, d.v.s. när en lösning bildas förändras naturen av intermolekylära interaktioner och en ny struktur uppstår med ett annat arrangemang av partiklar än i ett rent lösningsmedel. Denna struktur beror på lösningens sammansättning och är specifik för varje enskild lösning. Bildandet av flytande lösningar åtföljs vanligtvis av solvatiseringsprocessen, dvs. inriktning av lösningsmedelsmolekyler runt lösta molekyler på grund av verkan av intermolekylära krafter. Skilj mellan när och fjärrlösning, d.v.s. runt det lösta ämnets molekyler (partiklar) bildas primära och sekundära solvatskal. I det primära solvatiseringsskalet finns lösningsmedelsmolekyler i närheten, som rör sig tillsammans med det lösta ämnets molekyler. Antalet lösningsmedelsmolekyler i det primära solvatiseringsskalet kallas, vilket beror på både lösningsmedlets natur och det lösta ämnets natur. Sammansättningen av det sekundära solvatiseringsskalet inkluderar lösningsmedelsmolekyler som är belägna på mycket större avstånd och påverkar de processer som sker i lösningen på grund av interaktion med det primära solvatiseringsskalet.
När man överväger stabiliteten hos solvater skiljer man mellan kinetisk och termodynamisk stabilitet.
I vattenlösningar är de kvantitativa egenskaperna för kinetisk hydratisering (O.Ya. Samoilov) värdena i /  och Ei = Ei-E, där i och  är den genomsnittliga uppehållstiden för vattenmolekyler i jämvikten position nära den i:te jonen och in rent vatten och Ei och E är utbytesaktiveringsenergin och aktiveringsenergin för självdiffusionsprocessen i vatten. Dessa kvantiteter är relaterade till varandra genom ett ungefärligt förhållande:
i/  exp(Ei/RT)
om EI  0, i/  1 (utbytet av vattenmolekyler närmast jonen sker mindre ofta (långsammare) än utbytet mellan molekyler i rent vatten) - positiv hydrering
om EI  0, i/  1 (utbytet av vattenmolekyler närmast jonen sker oftare (snabbare) än utbytet mellan molekyler i rent vatten) - negativ hydrering

Så för litiumjon EI = 1,7 kJ/mol, och för cesiumjon Ei= - 1,4 kJ/mol, dvs. en liten "hård" litiumjon håller vattenmolekyler starkare än en stor och "diffus" cesiumjon med samma laddning. Den termodynamiska stabiliteten hos de bildade solvaten bestäms av förändringen i Gibbs energi under solvatisering (solvG) = (solvH) - T(solvS). Ju mer negativt detta värde är, desto stabilare är solvatet. I grund och botten är det bestämt negativa värden lösningsentalpier.
Begreppet lösningar och teorier om lösningar. Sanna lösningar erhålls spontant när två eller flera ämnen kommer i kontakt, på grund av förstörelsen av bindningar mellan partiklar av en typ och bildandet av bindningar av en annan typ och fördelningen av ämnet i hela volymen på grund av diffusion. Enligt deras egenskaper delas lösningar in i idealiska och verkliga, lösningar av elektrolyter och icke-elektrolyter, utspädda och koncentrerade, omättade, mättade och övermättade. Rastorernas egenskaper beror på arten och storleken på MMW. Dessa interaktioner kan vara av fysisk natur (van der Waals krafter) och komplex fysikalisk-kemisk natur (vätebindning, jon-molekylbindning, laddningsöverföringskomplex, etc.). Processen för lösningsbildning kännetecknas av den samtidiga manifestationen av attraktionskrafter och frånstötande krafter mellan de interagerande partiklarna. I frånvaro av frånstötande krafter skulle partiklar smälta samman (klibba ihop) och vätskor kunde komprimeras i det oändliga; i frånvaro av attraktionskrafter skulle det vara omöjligt att få vätskor eller fasta ämnen. I föregående föreläsning tog vi upp de fysikaliska och kemiska teorierna om lösningar.
Men skapandet av en enhetlig teori om lösningar stöter på betydande svårigheter och för närvarande har den ännu inte skapats, även om forskning utförs av de flesta moderna metoder kvantmekanik, statistisk termodynamik och fysik, kristallkemi, röntgendiffraktionsanalys, optiska metoder, NMR-metoder. reaktivt fält. I fortsättningen av övervägandet av krafterna för intermolekylär interaktion kommer vi att överväga begreppet "reaktivt fält", vilket är viktigt för att förstå strukturen och strukturen hos kondenserad materia och verkliga gaser, i synnerhet, flytande tillstånd, och därav allt fysisk kemi flytande lösningar.
Ett reaktivt fält uppstår i blandningar av polära och opolära molekyler, till exempel för blandningar av kolväten och naftensyror. Polära molekyler verkar av ett fält med en viss symmetri (fältsymmetri bestäms av symmetri hos lediga molekylära orbitaler) och styrka H på opolära molekyler. De senare är polariserade på grund av laddningsseparation, vilket leder till uppkomsten (induktion) av en dipol. En molekyl med en inducerad dipol verkar i sin tur på en polär molekyl och ändrar dess elektromagnetiska fält, d.v.s. exciterar ett reaktivt (svars)fält. Uppkomsten av ett reaktivt fält leder till en ökning av interaktionsenergin hos partiklar, vilket uttrycks i skapandet av starka solvatiseringsskal för polära molekyler i en blandning av polära och opolära molekyler.
Den reaktiva fältenergin beräknas enligt följande formel: där:
tecken "-" - bestämmer attraktionen av molekyler
S - statisk elektrisk permeabilitet
 obegränsat är permittiviteten på grund av den elektroniska och atomära polariserbarheten hos molekyler
NA - Avogadros nummer
VM är volymen som upptas av 1 mol av ett polärt ämne i en isotrop vätska v = dipolmoment
ER är energin för 1 mol av ett polärt ämne i lösning
Begreppet "reaktivt fält" kommer att tillåta oss att bättre förstå strukturen av rena vätskor och lösningar. Den kvantkemiska metoden för studiet av det reaktiva fältet utvecklades av M.V. L. Ya Karpova Sålunda väntar problemet med det flytande tillståndet på sina unga forskare. Du och korten i dina händer.

Strukturen av gaser, vätskor och fasta ämnen.

Grundläggande bestämmelser för molekylär kinetisk teori:

Alla ämnen är uppbyggda av molekyler och molekyler är uppbyggda av atomer.

atomer och molekyler är i konstant rörelse,

Det finns attraktionskrafter och frånstötande krafter mellan molekyler.

PÅ gaser molekylerna rör sig slumpmässigt, avstånden mellan molekylerna är stora, de molekylära krafterna är små, gasen upptar hela den volym som den tillhandahålls.

PÅ vätskor molekyler beställs endast på små avstånd, och på stora avstånd bryts ordningen (symmetri) av arrangemanget - "kortdistansordning". Molekylär attraktionskrafter håller molekyler nära varandra. Molekylernas rörelser "hoppar" från en stabil position till en annan (vanligtvis inom ett lager. Denna rörelse förklarar en vätskas flytbarhet. En vätska har ingen form, men har volym.

Fasta ämnen - ämnen som behåller sin form, delas in i kristallina och amorfa. kristallint fast ämne kroppar har ett kristallgitter, i vars noder det kan finnas joner, molekyler eller atomer. De oscillerar i förhållande till stabila jämviktspositioner. Kristallgitter har en regelbunden struktur i hela volymen - en "lång räckviddsordning" av plats.

Amorfa kroppar behåller sin form, men har inte ett kristallgitter och har som ett resultat inte en uttalad smältpunkt. De kallas frusna vätskor, eftersom de, liksom vätskor, har en "nära" ordning av molekylärt arrangemang.

Interaktionskrafter hos molekyler

Alla molekyler av ett ämne interagerar med varandra genom krafter av attraktion och repulsion. Bevis på molekylers växelverkan: fenomenet vätning, motstånd mot kompression och sträckning, låg kompressibilitet av fasta ämnen och gaser, etc. Anledningen till molekylernas växelverkan är den elektromagnetiska växelverkan mellan laddade partiklar i materia. Hur förklarar man det? En atom består av en positivt laddad kärna och ett negativt laddat elektronskal. Kärnans laddning är lika med den totala laddningen för alla elektroner, därför är atomen som helhet elektriskt neutral. En molekyl som består av en eller flera atomer är också elektriskt neutral. Betrakta interaktionen mellan molekyler med exemplet med två orörliga molekyler. Gravitationskrafter och elektromagnetiska krafter kan existera mellan kroppar i naturen. Eftersom massorna av molekyler är extremt små, kan de försumbara krafterna av gravitationsinteraktion mellan molekyler ignoreras. På mycket stora avstånd finns det heller ingen elektromagnetisk interaktion mellan molekyler. Men med ett minskat avstånd mellan molekylerna börjar molekylerna orientera sig så att deras sidor som är vända mot varandra kommer att ha laddningar av olika tecken (i allmänhet förblir molekylerna neutrala), och attraktionskrafter uppstår mellan molekylerna. Med en ännu större minskning av avståndet mellan molekylerna uppstår repulsiva krafter som ett resultat av interaktionen av negativt laddade elektronskal hos molekylernas atomer. Som ett resultat påverkas molekylen av summan av attraktions- och repulsionskrafterna. På stora avstånd råder attraktionskraften (på ett avstånd av 2-3 molekylära diametrar, attraktionen är maximal), på korta avstånd, den frånstötande kraften. Det finns ett sådant avstånd mellan molekyler där attraktionskrafterna blir lika med repulsionskrafterna. Denna position för molekylerna kallas positionen för stabil jämvikt. Molekyler som ligger på avstånd från varandra och förbundna med elektromagnetiska krafter har potentiell energi. I positionen för stabil jämvikt är den potentiella energin hos molekyler minimal. I ett ämne interagerar varje molekyl samtidigt med många närliggande molekyler, vilket också påverkar värdet på molekylernas minsta potentiella energi. Dessutom är ett ämnes alla molekyler i kontinuerlig rörelse, d.v.s. har kinetisk energi. Således bestäms strukturen av ett ämne och dess egenskaper (fasta, flytande och gasformiga kroppar) av förhållandet mellan den minimala potentiella energin för interaktion mellan molekyler och den kinetiska energin för molekylernas termiska rörelse.

Fasta, flytande och gasformiga kroppars struktur och egenskaper

Kropparnas struktur förklaras av samspelet mellan kroppspartiklar och arten av deras termiska rörelse.

Fast

Fasta ämnen har en konstant form och volym och är praktiskt taget inkompressibla. Den minsta potentiella energin för interaktion mellan molekyler är större än den kinetiska energin för molekyler. Stark interaktion av partiklar. Den termiska rörelsen av molekyler i ett fast ämne uttrycks endast genom svängningar av partiklar (atomer, molekyler) runt positionen för stabil jämvikt.

På grund av de stora attraktionskrafterna kan molekyler praktiskt taget inte ändra sin position i ett ämne, vilket förklarar invariansen i volymen och formen av fasta ämnen. De flesta fasta ämnen har ett rumsligt ordnat arrangemang av partiklar som bildar ett vanligt kristallgitter. Partiklar av materia (atomer, molekyler, joner) är belägna vid hörnen - noderna i kristallgittret. Kristallgittrets noder sammanfaller med positionen för stabil jämvikt för partiklarna. Sådana fasta ämnen kallas kristallina.

Flytande

Vätskor har en viss volym, men har inte sin egen form, de tar formen av kärlet där de är belägna. Den minsta potentiella energin för interaktion mellan molekyler är jämförbar med den kinetiska energin hos molekyler. Svag partikelinteraktion. Den termiska rörelsen av molekyler i en vätska uttrycks av svängningar runt positionen för stabil jämvikt inom volymen som tillhandahålls till molekylen av dess grannar. Molekyler kan inte röra sig fritt genom hela volymen av ett ämne, men övergångar av molekyler till närliggande platser är möjliga. Detta förklarar vätskans flytbarhet, förmågan att ändra sin form.

I vätskor är molekylerna ganska starkt bundna till varandra av attraktionskrafter, vilket förklarar invariansen av vätskans volym. I en vätska är avståndet mellan molekylerna ungefär lika med molekylens diameter. Med en minskning av avståndet mellan molekyler (komprimering av en vätska), ökar repulsiva krafter kraftigt, så vätskor är inkompressibla. När det gäller deras struktur och karaktär av termisk rörelse intar vätskor en mellanposition mellan fasta ämnen och gaser. Även om skillnaden mellan en vätska och en gas är mycket större än mellan en vätska och en fast substans. Till exempel, under smältning eller kristallisation, förändras en kropps volym många gånger mindre än under avdunstning eller kondensation.

Gaser har inte en konstant volym och upptar hela volymen av kärlet där de finns. Den minsta potentiella energin för interaktion mellan molekyler är mindre än den kinetiska energin för molekyler. Materiapartiklar samverkar praktiskt taget inte. Gaser kännetecknas av en fullständig störning i arrangemanget och rörelsen av molekyler.

Avståndet mellan gasmolekylerna är många gånger större än molekylernas storlek. Små attraktionskrafter kan inte hålla molekyler nära varandra, så gaser kan expandera i det oändliga. Gaser komprimeras lätt under inverkan av yttre tryck, eftersom. avstånden mellan molekylerna är stora, och interaktionskrafterna är försumbara. Gasens tryck på kärlets väggar skapas av påverkan av rörliga gasmolekyler.