Силы межмолекулярного взаимодействия

П

очему вещество, состоящее из одних и тех же молекул, находящихся в движении, ведет себя в различных агрегатных состояниях совершенно различным образом?

Дело в том, что отдельные частицы, из которых состоит вещество, не только хаотически движутся, но и взаимодействуют между собой. То есть, внутренний строй материи определяется, с одной стороны, хаотическим движением частиц, с другой - силами притяжения и отталкивания между ними.

Любой атом, как известно, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. Таким образом, природа сил межмолекулярного взаимодействия - электромагнитная. При изменении взаимного расположения молекул происходит такая перегруппировка зарядов, что на сравнительно больших расстояниях преобладают силы притяжения, а на меньших - силы отталкивания. На рисунке показаны зависимости межмолекулярных сил от расстояния, причем силы отталкивания считаются отрицательными, а силы притяжения - положительными.

Силы притяжения и отталкивания действуют на очень малых расстояниях (2-3 диаметра молекул) и убывают до нуля с увеличением расстояния.

Поместим одну молекулу в начало координат - точку О, а другую будем приближать к первой вдоль оси Оr, уменьшая расстояние r между ними. С уменьшением расстояния r возрастают обе силы, как притяжения, так и отталкивания (см. тонкие линии на рис.). Однако на разных расстояниях скорость их увеличения различна. Расчеты показывают, что сила притяжения обратно пропорциональна 7-й степени расстояния r, а сила отталкивания - 9-й степени этого расстояния, поэтому на больших расстояниях между молекулами преобладают силы притяжения, а на меньших - силы отталкивания.

В итоге, когда расстояние r между молекулами велико, т. е. во много раз больше их размеров, сила притяжения с уменьшением расстоянияr r растет быстрее силы отталкивания, поэтому равнодействующая этих сил, изображенная на рисунке сплошной кривой, растет вначале в сторону силы притяжения и достигает максимума на некотором расстоянии между молекулами.

При дальнейшем сближении молекул равнодействующая их сил притяжения и отталкивания быстро убывает и обращается в нуль на расстоянии r₀, соизмеримом с диаметром молекул. На этом расстоянии сила отталкивания равна силе притяжения.

Если молекулы сближать дальше, сила отталкивания возрастает значительно быстрее силы притяжения, поэтому равнодействующая этих сил растет теперь в сторону силы отталкивания, стремясь к бесконечности при стремлении расстояния между молекулами к нулю.

Минимальное расстояние r_э, на которое могут сблизиться молекулы, называется их эффективным диаметром.

О собенности строения твердых, жидких и газообразных веществ

Газ занимает весь предоставленный ему объем сосуда, не сохраняя ни формы, ни объёма; жидкость принимает форму сосуда, в который налита, то есть сохраняет объём, не сохраняя формы; твердое тело сохраняет форму и размеры вне зависимости от сосуда, в который его помещают.

Для изменения формы или объема твердого тела или для сжатия жидкости надо приложить большие усилия, газ же расширяется сам собой, а сжать его весьма легко. Ответ напрашивается сам собой. Сжать тело - это, значит, сблизить его частицы, уменьшить расстояние между ними. Если для этого приходится прикладывать большие усилия, значит какие-то силы, действующие между частицами вещества, препятствуют действию внешних сил. При сжатии тела проявляется действие сил отталкивания, при растяжении — сил притяжения.