18.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^-9м 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 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. Молекулярная масса равна сумме атомных масс входящих в состав молекулы атомов. Она легко подсчитывается по химической формуле вещества.

В химии и физике единицей количества вещества является моль. Молем вещества называют такое количество вещества, которое содержит столько частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С¹².

Ввиду малых размеров молекул, их число в любом макроскопическом объеме тела огромно. В 1 см³газа при нормальных атмосферных условиях содержится 2,710¹⁹молекул (число Лошмидта), а в 1 см³воды – 3,310²²молекул. При этом каждая молекула может состоять из нескольких атомов.

Электрический заряд ядра положителен, по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов нейтрального атома и определяется 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. 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 молекулn7 для сил притяжения иn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. 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. Т о, в газообразном состоянии вещества молекулы совершают хаотическое поступательное движение. 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 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, 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.

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.