1.2.2. Формирование традиционной молекулярной модели жидкости и затвердевания

Традиционная молекулярная модель вещества характеризуется, как известно, двумя основными особенностями: а) центральное парное взаимодействие частиц - молекул или атомов; б) классическое их движение. Обычно считается, что эта модель является результатом какого-то анализа, обоснования, исследования взаимодействий методами квантовой теории связи и др.; но в действительности обе названные особенности были просто перенесены в молекулярные модели еще в ХV111 веке из небесной механики Ньютона, и эти модели приняли почти современный вид уже у ближайших последователей Ньютона, когда еще практически ничего не было известно о свойствах и размерах атомов, об их взаимодействиях; после этого атомы еще более столетия оставались понятием из химии, "необязательной гипотезой" а само слово "атом" редко употреблялось [1,17]. Физики ("натурфилософы") говорили обычно не об атомах, а о "частицах материи", "корпускулах" и др. Как известно, механика Ньютона позволила точно описать движение небесных тел, а также поведение таких лабораторных механизмов, как маятники, соударяющиеся шары, волчки и др. Естественно, что и последующие молекулярные модели представлялись как системы колеблющихся, вращающихся, соударяющихся упругих атомов-шариков, связанных центральными силами. Представление о парном притяжении и отталкивании атомов сформировалось, таким образом, давно, ещё в ХV111 веке, по аналогии с гравитационными, а затем и с кулоновскими взаимодействиями физики. Далее Ньютон выразил "пожелание и надежду", что и "все остальные" явления природы можно описать тем же путем, отыскивая соответствующие частицы материи и выясняя законы сил притяжения и отталкивания между ними. Это пожелание Ньютона "целых два столетия служило программой всех теоретических исследований в физике" [17], вплоть до перехода к квантовой механике. Что касается физхимии, то мы и в настоящее время "инстинктивно" стремимся все явления объяснить на основе все той же традиционной модели классически движущихся и попарно притягивающихся и отталкивающихся атомов-шариков; мы по-прежнему стремимся представить механику атомных перегруппировок аналогичной небесной механике Ньютона, хотя в настоящее время для таких объяснений приходится допускать уже многочисленные натяжки. Уже последователь Ньютона Боскович (1711 - 1787) на основе притяжения и отталкивания частиц объяснял, в частности, механические свойства твердых тел, их прочность, сцепление частиц, а также капиллярность жидкостей и др. Он первый осознал, что не существует абсолютно жестких, пластически недеформируемых веществ, к которым неприменимо понятие вязкости, так как все вещества состоят из взаимодействующих частиц, которые находятся в динамическом равновесии. Принятый Босковичем закон взаимодействия частиц включал несколько чередующихся областей притяжения и отталкивания; по современной терминологии, он пользовался осциллирующим парным потенциалом; такой потенциал отнюдь не является, следовательно, достижением последних десятилетий. Уже в ХV111 веке разрабатывается представление о том, что причиной затвердевания является уплотнение системы классических атомов-шариков, уменьшение свободного объёма, которое затрудняет направленные перемещения и перегруппировки атомов; их подвижность уменьшается также вследствие увеличения числа связей - координационного числа. Ньютон (и даже ещё Декарт) отмечали, что частицы жидкости "свободно движутся друг относительно друга"; в твердых телах они плотно сжаты и неподвижны. Очевидно, это близко к современному представлению Френкеля: "Кристалл подобен толпе, плотно сжатой в закрытом помещении"; после выхода нескольких человек появляется простор для перегруппировок и мы получаем модель жидкости. В модели затвердевания Ломоносова [36] (рис.1.1) твёрдому телу соответствует плотнейшая упаковка атомов-шариков типа гранецентрированный куб, а жидкости - более рыхлая упаковка типа простой куб с плотностью, в 1000/707 раз меньшей. Переход от второй упаковки к первой сопровождается, по современной терминологии, ростом координационного числа Z с 6 до 12. Согласно Ломоносову, вследствие такого роста числа "прикосновений" (роста Z) "частицы крепкий союз твердости обретают, потеряв жидкость". Эта модель совпадает с современными [2], вплоть до такой детали, что в структуре жидкости можно двигать цепочки атомов-шариков, не задевая соседних цепочек.

Рис.1.1. Модель плавления-кристаллизации по М.В.Ломоносову (схема). Затвердевание соответствует превращению структуры типа "простой куб" (жидкость) в гранецентрированный куб (кристалл). В отличие от кристалла, в жидкости атомные цепочки могут двигаться, не задевая другие цепочки

Ломоносову удалось также закристаллизовать ртуть и показать, что в твердом состоянии ее, как и другие металлы, можно "ковать обухом". Подобные эксперименты тогда имели большое значение, доказывая универсальность затвердевания. Открытие закона Кулона (1784) дало достаточно сильные центральные взаимодействия для построения моделей затвердевания и твердого тела, ионных решеток и др.