Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Межмолекулярные силы. Агрегатные состояния вещества.

 

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат следующие 3 положения:

1. Всякое тело в природе в каком бы состоянии оно не находилось – твердом, жидком или газообразном, не является сплошным, а состоит из весьма большого числа структурных частиц – молекул.

2. Молекулы любого вещества находятся в состоянии непрерывного движения, характерной особенностью которого является его полнейшая беспорядочность или хаотичность, означающая, что все направления в движении молекул являются равноправными, равновероятными, не существует какого-либо преимущественного направления для движения молекул.

3. Между молекулами в веществе действуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. И те и другие с увеличением расстояния между молекулами быстро уменьшаются. Однако убывание сил отталкивания оказывается более быстрым, чем сил притяжения, в результате чего оказывается, что силы отталкивания преобладают на весьма малых расстояниях, а силы притяжения на более далеких расстояниях, однако и те и другие очень быстро убывают с расстоянием. Поэтому межмолекулярные силы являются коротко действующими силами. Они действуют на малых расстояниях между молекулами порядка 10^-9 м и менее.

Всякое вещество состоит из молекул, состоящих из атомов.

Молекулы – это наименьшие частицы вещества, сохраняющие все его химические свойства. Они могут состоять из двух или большего числа одинаковых или различных атомов. Различных видов молекул известно огромное число, различных же атомов, соответствующих химическим элементам периодической системы Менделеева, совсем немного, причем в природе их встречается всего 88, а остальные получены искусственным путем.

Массы атомов и молекул чрезвычайно малы (порядка 10^-23 – 10^-24 г) и выражать их в граммах или килограммах неудобно. Поэтому в химии и физике введены специальные атомные единицы массы. За атомную единицу массы принимают 1/12 массы изотопа атома изотопа углерода С¹². Массы атомов и молекул, выраженные в атомных единицах, называют соответственно относительными атомными и молекулярными массами.

Относительной атомной массой химического элемента называют отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома углерода С¹². Аналогично, относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома углерода С¹². Молекулярная масса равна сумме атомных масс входящих в состав молекулы атомов. Она легко подсчитывается по химической формуле вещества. В случае химически простых веществ (т.е. веществ, состоящих из атомов) их относительная молекулярная масса совпадает с относительной атомной массой.

В химии и физике единицей количества вещества является моль (седьмая основная единица системы СИ). Молем вещества называют такое количество вещества, которое содержит столько частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С¹². Из определения следует, что моль любого вещества, независимо от того, в каком состоянии оно находится, содержит одинаковое число молекул. Число молекул, содержащихся в 1 моле любого вещества, является одной из важнейших физических констант и называется постоянной Авогадро N_A = 6,02×10²³ 1/моль. Масса моля вещества численно равна его относительной молекулярной массе, выраженной в граммах, и обозначается тем же символом m, что и относительная молекулярная масса.

Ввиду малых размеров молекул, их число в любом макроскопическом объеме тела огромно. В 1 см³ газа при нормальных атмосферных условиях содержится 2,7×10¹⁹ молекул (число Лошмидта), а в 1 см³ воды – 3,3×10²² молекул. При этом каждая молекула может состоять из нескольких атомов.

Сами атомы также являются сложными системами, состоящими из положительно заряженных ядер и электронных оболочек. Ядро атома имеет размеры порядка 10^-13 см и в нем сосредоточена почти вся масса атома (плотность ядра вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 10¹⁴ г/см³). Электрический заряд ядра положителен, по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов нейтрального атома иопределяется порядковым номером элемента в периодической таблице. Атом в целом нейтрален.

Из строения вещества следует, что между атомами и молекулами, входящими в состав вещества, должны существовать силы взаимодействия, которые по своей природе являются электрическими силами – силами взаимодействия между заряженными частицами, из которых состоят атомы, а следовательно, и молекулы. Так как в атоме имеются частицы с разными знаками электрических зарядов, то неизбежно должны существовать как силы притяжения, так и силы отталкивания. Действительно, электроны одной молекулы и ядра другой притягиваются друг к другу, а между электронами обеих молекул, так же как и между их ядрами, действуют силы отталкивания. Хотя в целом атом и молекула электронейтральны, но заряды в атоме, и следовательно, молекуле могут быть расположены не вполне симметрично, а как бы раздвинуты друг относительно друга на некоторое расстояние. Такая асимметрия в расположении зарядов в молекуле может появиться (индуцироваться) также из-за взаимодействия этих зарядов. Появление этой асимметрии приводит к тому, что между молекулами, даже нейтральными, возникают силы притяжения. На малых расстояниях эти силы притяжения компенсируются силами отталкивания, которые обусловлены главным образом электростатическим отталкиванием.

Количественно определить силы взаимодействия между молекулами трудно, их можно определить лишь весьма приближенно. Такие оценки в полном согласии с опытом показывают, что и силы притяжения, и силы отталкивания очень сильно зависят от расстояний между центрами молекул:

F ~ ± 1/rⁿ

(знак «+» относится к силам отталкивания, а «-«- к силам притяжения). В случае нейтральных молекул n» 7 для сил притяжения и n» 9 для сил отталкивания, т.е. силы отталкивания убывают быстрее, и поэтому они могут играть роль только при непосредственном соприкосновении молекул.

Силы межмолекулярных взаимодействий определяют структуру вещества и характер молекулярного движения в нем. Известно, что газообразные, жидкие и твердые вещества имеют разную структуру, и характер молекулярного движения в них оказывается различным.

В газах среднее расстояние между молекулами во много раз больше размеров самих молекул. Межмолекулярные силы на таких расстояниях незначительны (потенциальная энергия взаимодействия молекул e_п меньше их средней кинетической энергии движения e_к, и молекулы движутся почти независимо друг от друга. В достаточно разреженном газе можно считать, что движение каждой молекулы происходит практически без действия сил, т.е. прямолинейно и равномерно. Прямолинейность движения молекул в таком газе нарушается лишь при столкновении его молекул между собой или со стенками сосуда. В момент столкновения молекула резко меняет направление своего движения и затем продолжает двигаться в новом направлении равномерно и прямолинейно вплоть до следующего столкновения и т.д. Таким образом, в газообразном состоянии вещества молекулы совершают хаотическое поступательное движение. Путь газовой молекулы представляет бесконечную ломаную линию, состоящую из множества неравных отрезков, следующих один за другим без всякого порядка. В газе отсутствует всякий порядок не только в направлении движения молекул, но нет также никакого порядка и в размещении их в пространстве для любого момента времени. Вещество в газообразном состоянии не сохраняет ни формы, ни объема.

Иначе обстоит дело в твердых кристаллических телах. В кристаллах расстояние между частицами много меньше, чем в газах, а межмолекулярные взаимодействия сильнее. Вещество в твердом состоянии сохраняет как форму, так и объем. Характер молекулярного движения в кристалле совсем иной. В кристалле частицы (молекулы, атомы или ионы – в зависимости от вещества) не могут разорвать свои связи с ближайшими соседями и переходят с места на место крайне редко. Большую часть времени они колеблются около некоторых неподвижных положений равновесия, которые распределены в пространстве не хаотически, а тем или иным закономерным образом (в виде некоторой пространственной решетки, называемой кристаллической решеткой), который также определяется характером межмолекулярных взаимодействий.

Что же касается жидкостей, то в них сочетаются свойства, типичные для кристаллов, со свойствами, типичными для газов. Жидкое состояние характеризуется тем, что вещество стремится сохранить объем, но не сохраняет формы. Молекулы жидкости не так прочно связаны друг с другом, как молекулы кристаллов, но и не так свободны, как молекулы газов. Молекулы жидкости, как и молекулы кристаллов, колеблются, но положения равновесия, около которых совершаются эти колебания, не остаются неподвижными, как в кристаллах, а непрерывно меняются. По теории, развитой советским физиком Френкелем, каждая молекула жидкости колеблется около данного положения равновесия лишь в течение некоторого промежутка времени, после чего она меняет свое положение равновесия, перемещаясь на расстояние порядка диаметра самих молекул. Время, в течение которого молекулы в жидкости колеблются около определенных положений равновесия, Френкель назвал временем оседлой жизни молекул.

При повышении Т жидкости время оседлой жизни молекулы быстро уменьшается, т.е. молекулы чаще перескакивают с одного места на другое, и жидкость по своим свойствам приближается к плотным газам: в жидкости колебательное движение частиц сочетается с поступательным перемещением (перескоком) их из одного положения равновесия в другое.

Следует отметить, что несмотря на различный характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах, общим для всех этих случаев является то, что молекулярное движение всегда имеет беспорядочный характер, т.е. скорости молекул не имеют какого-либо преимущественного направления, а распределены хаотически по всем направлениям. Интенсивность этого хаотичного движения молекул, его энергия и определяют тепловое состояние тел. Поэтому хаотическое движение молекул в веществе обычно называют тепловым движением.

Иногда молекулы жидкости соединяются в агрегаты, состоящие из большого числа молекул, причем агрегатное расположение их определенным образом упорядочено. В этом случае жидкости обладают некоторыми свойствами, характерными для твердых кристаллических тел (жидкие кристаллы).