Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Строение В-ва и Осн.Квант.Химии / лекции (текст) / 13- Конденсированные структуры.doc
Скачиваний:
57
Добавлен:
19.04.2015
Размер:
305.66 Кб
Скачать

Макроскопические конденсированные структуры

На практике химикам всегда приходится иметь дело с совокупностями чрезвычайно большого числа атомов и молекул — макросистемами. Опыт показывает, что в таких макросистемах частицы — атомы, молекулы, ионы — определенным образом взаимодействуют между собой, обусловливая структурирование макросистем. Эти взаимодействия носят названиемежмолекулярных взаимодействий(ММВ). Благодаря наличию ММВ все макросистемы в той или иной степени являются структурированными. Степень структурирования может изменяться в очень широких пределах — от 0 до 100 %. Таким образом, на макроскопическом уровне мы встречаемся еще с одним видом структур —макроструктурами, свойства которых обусловлены двумя факторами:

  • типом ММВ (т.е. внутренним строением самих частиц),

  • внешними условиями.

Природа и типы ммв

По природе ММВ являются остаточными взаимодействиями, возникающими за счет того, что частицы (атомы, ионы, молекулы) сами состоят из электрически заряженных фрагментов — электронов и ядер.

ММВ обладают всеми характерными особенностями остаточных взаимодействий:

  • короткодействием,

  • насыщаемостью,

  • тензорным характером.

ММВ чрезвычайно разнообразны, так как зависят от конкретного строения взаимодействующих атомов или молекул. Тем не менее, среди них можно выделить некоторые стандартные типы, характерные для микроструктур определенных классов. Основной характеристикой ММВ является потенциальная энергия взаимодействия двух частиц, взятая как функция расстояния между ними: U=f(r).

Дисперсионные ММВ(неполярная частицанеполярная частица)

Дисперсионные ММВ отличаются универсальностью — они действуют между любыми микроструктурами, содержащими движущиеся электроны. Зависимость потенциальной энергии от расстояния имеет вид:

Дипольные ММВ:

Дипольные ММВ характерны для взаимодействия полярных молекул между собой и с неполярными, но способными к поляризации молекулами и атомами. Можно выделить две разновидности взаимодействий с участием дипольных (полярных) молекул:

индукционные (дипольнеполярная частица)

ориентационные (дипольдиполь)

Поскольку ориентационные взаимодействия зависят от взаимной ориентации частиц, их интенсивность флуктуирует с течением времени. Принято оценивать их в виде, усредненном за большой промежуток времени.

Ионные ММВ:

ион неполярная частица

ион диполь

­(на малых расстояниях добавляется вклад индукционных взаимодействий)

ион ион

(на малых расстояниях добавляются вклады индукционных и ион-дипольных взаимодействий)

Ионные взаимодействия характерны для взаимодействий ионов с полярными и неполярными частицами, а также между собой.

На очень малых расстояниях между частицами (при непосредственном контакте электронных облаков) действуют силы отталкивания. Суммарный потенциал ММВ, включающий и силы притяжения и силы отталкивания, может быть описан несколькими приближенными формулами:

На кривой зависимости "Ur" имеется минимум не слишком большой глубины, сравнимой по порядку с величиной тепловой энергииkT. В зависимости от соотношения между глубиной минимума) и тепловой энергией (UkT), макросистемы можно разделить на два типа:

а) идеальные, для которыхU<kT, и наличие ММВ не влияет на характер движения частиц (движение частиц хаотическое);

б) неидеальные, для которыхU>kT, и наличие ММВ оказывает существенное влияние на характер относительного движения частиц (движение частиц упорядоченное).

При условии, что глубина ямы заметно больше U>>kT, наблюдается структурирование системы, сопровождающеесяконденсацией, когда расстояния между отдельными микрочастицами перестают быть произвольными и начинают соответствовать положению минимума на потенциальной кривой:rr*.

Свойства идеальной макросистемы с невзаимодействующими частицами определяются свойствами отдельных частиц — зная эти свойства, мы знаем все и о макросистеме. Напротив, для конденсированных макросистем(КМС) свойства определяются в первую очередь ее новыми макроскопическими характеристиками, такими как:

  • способ (тип) упаковки частиц в объеме,

  • поверхность,

  • молярный (удельный) объем.

Достаточно очевидно, что построение подробной локальной модели таких систем невозможно из-за большого числа частиц и неконтролируемости локальных условий, в которых находится каждая конкретная частица (атом, молекула, ион). Поэтому описание производится с использованием глобальных характеристик трех типов:

  • электронные,

  • энергетические,

  • геометрические,

которые могут быть либо измерены экспериментально, либо рассчитаны статистическими методами.

Кроме того, необходимо заметить, что состояния КМС могут быть разделены на два типа:

  • равновесные, для которых характерно отсутствие каких-либо макроскопически заметных процессов,

  • неравновесные, в которых можно наблюдать протекание макроскопических процессов.

В большинстве случаев неравновесные состояния быстро переходят (релаксируют) в равновесные. Однако в отдельных случаях (специальные внешние условия) неравновесные состояния могут сохраняться в течение неограниченно долгого времени. Поэтому все КМС, способные к длительному существованию, могут быть разделены на два принципиально разных типа:

  • равновесные КМС (равновесное состояние),

  • диссипативные КМС (неравновесное стационарное состояние).

Соседние файлы в папке лекции (текст)