Cum se află particulele în solide, lichide și gaze? Idei abstracte despre modele despre structura lichidelor, gazelor și cristalelor Cum se mișcă moleculele în solide

Abstract
La disciplina „Concepte ale științelor naturale moderne”
Subiect: „Idei model despre structura lichidelor, gazelor și cristalelor”

Completat de: student gr. 10E1 A. Antoshkina
Verificat de: profesor asociat G. V. Surovitskaya

Penza 2010

Conţinut
Introducere
Capitolul 1. Lichid
1.1.Conceptul de lichid

1.3.Proprietăți lichide
Capitolul 2. Gaze
2.1 Conceptul de gaz
2.2 Mișcarea moleculară
2.3.Proprietățile gazului
Capitolul 3. Cristale
3.1.Conceptul de cristale
3.2.tipuri de rețele cristaline
3.3. Proprietățile cristalelor, formă și sistem
Concluzie
Referințe

Introducere
În funcție de senzațiile pe care diverse substanțe (corpuri de substanțe) le provoacă în simțurile umane, toate pot fi împărțite în trei grupe principale: gazoase, lichide și cristaline (solide).
Gazele nu au propria suprafață și propriul volum. Ocupă complet vasul în care se află. Gazele au o capacitate nelimitată de a se extinde odată cu creșterea temperaturii și scăderea presiunii. Distanțele dintre moleculele din gaze sunt de multe ori mai mari decât dimensiunile moleculelor în sine, iar interacțiunile dintre ele, așa-numitele interacțiuni intermoleculare, sunt slabe, iar moleculele din gaz se mișcă aproape independent unele de altele. Dispunerea particulelor într-un gaz este aproape complet aleatorie (haotică).
Cristalele, ca toate solidele, au o suprafață care le separă de alte solide și un volum corespunzător acestuia, care nu se modifică (sau mai bine zis, se modifică foarte puțin) într-un câmp gravitațional. Distanțele dintre particulele din cristale sunt mult mai mici decât cele ale gazelor, iar interacțiunile intermoleculare sau interatomice (dacă cristalul este construit din atomi ai unui element) sunt mult mai puternice decât în ​​cazul gazelor și lichidelor. Particulele dintr-un cristal sunt distribuite într-o ordine regulată destul de strictă, formând o rețea cristalină. Particulele care alcătuiesc rețeaua cristalină sunt relativ ferm fixate pe loc. O caracteristică distinctivă a cristalelor este că proprietățile lor nu sunt aceleași în direcții diferite. Acest fenomen se numește anizotropie a proprietăților.
Lichidele combină multe dintre proprietățile stărilor gazoase și cristaline. Au o suprafață și un volum, care sunt afectate de modificările poziției vasului cu lichid în câmpul gravitațional. Un lichid într-un câmp gravitațional ocupă partea inferioară a vasului în care se află. Moleculele dintr-o substanță lichidă sunt legate între ele prin forțe intermoleculare mult mai puternice decât într-un gaz. Ordinea în aranjarea particulelor în substanțele lichide este, de asemenea, mult mai mare decât în ​​gaze. În unele lichide, de exemplu apă, volumele individuale foarte mici au o ordine apropiată de cea din cristale.
În raport, am încercat să dezvălui esența fiecărei stări a materiei: lichidă, gazoasă și cristalină. Ea a descris proprietățile substanțelor, aranjarea moleculelor și rețelele cristaline. Acum să aruncăm o privire mai atentă asupra fiecărei substanțe, prezentând-o în funcție de model.

Capitolul 1. Lichid
1.1 Conceptul de lichid
Fiecare dintre noi își poate aminti cu ușurință multe substanțe pe care le consideră lichide. Cu toate acestea, nu este atât de ușor să dai o definiție exactă a acestei stări a materiei. Un lichid ocupă o poziție intermediară între un solid cristalin, caracterizat prin ordine completă în aranjarea particulelor care îl formează (ioni, atomi, molecule) și un gaz, ale cărui molecule se află într-o stare de mișcare haotică (dezordonată).
Forma corpurilor lichide poate fi determinată în întregime sau parțial de faptul că suprafața lor se comportă ca o membrană elastică. Deci, apa se poate acumula în picături. Dar un lichid este capabil să curgă chiar și sub suprafața sa staționară și acest lucru înseamnă, de asemenea, că forma (părțile interne ale corpului lichid) nu este păstrată.
Moleculele lichide nu au o poziție definită, dar în același timp nu au libertate totală de mișcare. Există o atracție între ei, suficient de puternică încât să-i țină aproape. O substanță în stare lichidă există într-un anumit interval de temperatură, sub care se transformă în stare solidă (se produce cristalizarea sau transformarea într-o stare amorfă în stare solidă - sticlă), deasupra căreia se transformă în stare gazoasă (se produce evaporarea). Limitele acestui interval depind de presiune. De regulă, o substanță în stare lichidă are o singură modificare. (Cele mai importante excepții sunt lichidele cuantice și cristalele lichide.) Prin urmare, în majoritatea cazurilor, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (fază lichidă). Toate lichidele sunt de obicei împărțite în lichide pure și amestecuri. Unele amestecuri de lichide sunt de mare importanță pentru viață: sânge, apă de mare etc. Lichidele pot acționa ca solvenți.
1.2. Dispunerea moleculelor într-un lichid
Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe întregul volum al cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă a unui lichid, la fel ca într-un solid, este „sandwich” pe toate părțile de moleculele învecinate și suferă vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când orice moleculă se poate muta într-un loc liber din apropiere. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt legate de centri specifici, ca în cristale, și se pot mișca în întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordin de scurtă durată (Fig. 1).

Fig.1. un exemplu de ordine pe rază scurtă a moleculelor lichide și ordine pe rază lungă a moleculelor unei substanțe cristaline: 1.1 – apă; 1. – gheață.

Orez. 2. vapori de apă (1) și apă (2). Moleculele de apă sunt mărite de aproximativ 5·107 ori.
Figura 2 ilustrează diferența dintre o substanță gazoasă și un lichid folosind apa ca exemplu. Molecula de apă H2O este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen situati la un unghi de 104°. Distanța medie dintre moleculele de abur este de zeci de ori mai mare decât distanța medie dintre moleculele de apă. Spre deosebire de Fig. 1, unde moleculele de apă sunt descrise ca bile, Fig. 2 oferă o idee despre structura moleculei de apă. Datorită ambalării dense a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu o schimbare a presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în ​​gaze.

1.3 Proprietăți lichide
Fluiditate. Principala proprietate a lichidelor este fluiditatea. Dacă se aplică o forță externă unei secțiuni a unui lichid care este în echilibru, atunci apare un flux de particule lichide în direcția în care se aplică această forță: lichidul curge. Astfel, sub influența forțelor externe dezechilibrate, lichidul nu își păstrează forma și dispunerea relativă a părților și, prin urmare, ia forma vasului în care se află. Spre deosebire de solidele din plastic, un lichid nu are o limită de randament: este suficient să aplicați o forță externă arbitrar mică pentru ca lichidul să curgă.
Conservarea volumului. Una dintre proprietățile caracteristice ale unui lichid este că are un anumit volum (în condiții externe constante). Lichidele sunt extrem de greu de comprimat mecanic deoarece, spre deosebire de gaze, există foarte puțin spațiu liber între molecule. Presiunea exercitată asupra unui lichid închis într-un vas se transmite fără modificare în fiecare punct al volumului acestui lichid (legea lui Pascal este valabilă și pentru gaze). Această caracteristică, împreună cu compresibilitatea foarte scăzută, este utilizată în mașinile hidraulice. Lichidele în general cresc în volum (se extind) când sunt încălzite și scad în volum (se contractă) când sunt răcite. Cu toate acestea, există excepții, de exemplu, apa se contractă atunci când este încălzită, la presiune normală și la temperaturi de la 0 °C la aproximativ 4 °C.
Viscozitate. În plus, lichidele (cum ar fi gazele) se caracterizează prin vâscozitate. Este definită ca abilitatea de a rezista mișcării unei părți față de alta - adică ca frecare internă. Când straturile adiacente de lichid se mișcă unul față de celălalt, inevitabil apar ciocniri de molecule în plus față de cea cauzată de mișcarea termică. Apar forțe care inhibă mișcarea ordonată. În acest caz, energia cinetică a mișcării ordonate se transformă în energie termică - energia mișcării haotice a moleculelor Lichidul din vas, pus în mișcare și lăsat în sine, se va opri treptat, dar temperatura acestuia va crește.
Formarea liberă a suprafeței și tensiunea superficială. Datorită conservării volumului, lichidul este capabil să formeze o suprafață liberă. O astfel de suprafață este interfața dintre fazele unei substanțe date: pe de o parte există o fază lichidă, pe de altă parte există o fază gazoasă (abur) și, eventual, alte gaze, de exemplu, aer. Dacă fazele lichide și gazoase ale aceleiași substanțe intră în contact, apar forțe care tind să reducă aria interfeței - forțe de tensiune superficială. Interfața se comportă ca o membrană elastică care tinde să se contracte. Tensiunea superficială poate fi explicată prin atracția dintre moleculele lichide. Fiecare moleculă atrage alte molecule, se străduiește să se „înconjoare” cu ele și, prin urmare, părăsește suprafața. În consecință, suprafața tinde să scadă. Prin urmare, bulele de săpun și bulele tind să ia o formă sferică la fierbere: pentru un volum dat, o sferă are suprafața minimă. Dacă asupra unui lichid acţionează numai forţele de tensiune superficială, acesta va lua neapărat o formă sferică - de exemplu, picăturile de apă cu gravitate zero. Obiectele mici cu o densitate mai mare decât cea a lichidului sunt capabile să „plutească” pe suprafața lichidului, deoarece forța gravitației este mai mică decât forța care împiedică creșterea suprafeței. (Consultați Tensiunea de suprafață.)
Evaporare și condensare. Evaporarea este trecerea treptată a unei substanțe de la o fază lichidă la cea gazoasă (abur). În timpul mișcării termice, unele molecule părăsesc lichidul prin suprafața sa și devin vapori. În același timp, unele molecule trec înapoi din vapori în lichid. Dacă mai multe molecule părăsesc un lichid decât intră, atunci are loc evaporarea. Condensarea este un proces invers, trecerea unei substanțe de la o stare gazoasă la una lichidă. În acest caz, mai multe molecule trec în lichidul din vapori decât în ​​vaporii din lichid. Evaporarea și condensarea sunt procese de neechilibru, ele au loc până când se stabilește echilibrul local (dacă se stabilește), iar lichidul se poate evapora complet, sau ajunge în echilibru cu vaporii săi, când tot atâtea molecule părăsesc lichidul.
Fierberea este procesul de vaporizare într-un lichid. La o temperatură suficient de ridicată, presiunea vaporilor devine mai mare decât presiunea din interiorul lichidului și acolo încep să se formeze bule de vapori care (în condițiile gravitației) plutesc spre vârf.
Udarea este un fenomen de suprafață care apare atunci când un lichid intră în contact cu o suprafață solidă în prezența aburului, adică la interfețele celor trei faze. Udarea caracterizează „lipirea” unui lichid de o suprafață și răspândirea peste aceasta (sau, dimpotrivă, respingerea și neîmprăștierea). Există trei cazuri: fără umezire, umezire limitată și umezire completă.
Miscibilitatea este capacitatea lichidelor de a se dizolva unele în altele. Un exemplu de lichide miscibile: apă și alcool etilic, un exemplu de lichide nemiscibile: apă și ulei lichid.
Difuzia. Atunci când într-un vas există două lichide amestecate, moleculele, ca urmare a mișcării termice, încep să treacă treptat prin interfață și astfel lichidele se amestecă treptat. Acest fenomen se numește difuzie (apare și în substanțele aflate în alte stări de agregare).
Supraîncălzire și hipotermie.
Coexistenta cu alte faze. Din punct de vedere formal, pentru coexistența de echilibru a unei faze lichide cu alte faze ale aceleiași substanțe - gazoase sau cristaline - sunt necesare condiții strict definite. Deci, la o anumită presiune, este necesară o temperatură strict definită. Cu toate acestea, în natură și în tehnologie de pretutindeni, lichidul coexistă cu aburul, sau și cu o stare solidă de agregare - de exemplu, apa cu abur și adesea cu gheață (dacă considerăm aburul ca o fază separată prezentă alături de aer). Acest lucru se datorează următoarelor motive:
- Stare de neechilibru. Este nevoie de timp pentru ca un lichid să se evapore până când lichidul s-a evaporat complet, coexistă cu aburul. În natură, apa se evaporă în mod constant, la fel ca și procesul invers - condensarea.
- Volum închis. Lichidul dintr-un vas închis începe să se evapore, dar deoarece volumul este limitat, presiunea vaporilor crește, devine saturat chiar înainte ca lichidul să se evapore complet, dacă cantitatea sa a fost suficient de mare. Când se atinge starea de saturație, cantitatea de lichid evaporat este egală cu cantitatea de lichid condensat, sistemul intră în echilibru. Astfel, într-un volum limitat, se pot stabili condițiile necesare coexistenței de echilibru a lichidului și vaporilor.
- Prezența unei atmosfere în condițiile gravitației pământului. Un lichid este afectat de presiunea atmosferică (aer și abur), în timp ce pentru abur trebuie luată în considerare aproape doar presiunea parțială a acestuia. Prin urmare, lichidul și vaporii deasupra suprafeței sale corespund diferitelor puncte ale diagramei de fază, în regiunea de existență a fazei lichide și, respectiv, în regiunea de existență a fazei gazoase. Acest lucru nu anulează evaporarea, dar evaporarea necesită timp în care ambele faze coexistă. Fără această condiție, lichidele ar fierbe și s-ar evapora foarte repede.

Capitolul 2. Gaze
2.1. Conceptul de gaz
GAZ este una dintre stările agregate ale unei substanțe în care particulele sale constitutive (atomi, molecule) sunt situate la distanțe considerabile unele de altele și se află în mișcare liberă. Spre deosebire de un lichid și un solid, unde moleculele se află la distanțe apropiate și sunt conectate între ele prin forțe semnificative de atracție și repulsie, interacțiunea moleculelor într-un gaz se manifestă numai în scurte momente de apropiere (coliziune) a acestora. În acest caz, există o schimbare bruscă a mărimii și direcției vitezei de mișcare a particulelor care se ciocnesc.
Numele „gaz” provine din cuvântul grecesc „haos” și a fost introdus de Van Helmont la începutul secolului al XVII-lea, reflectă bine adevărata natură a mișcării particulelor într-un gaz, care se caracterizează prin dezordine completă și haos; . Spre deosebire, de exemplu, de lichide, gazele nu formează o suprafață liberă și umplu uniform întregul volum disponibil. Starea gazoasă, dacă includem gazele ionizate, este cea mai comună stare a materiei din Univers (atmosfere planetare, stele, nebuloase, materie interstelară etc.).
2.2. Mișcarea moleculară
Mișcarea moleculelor în gaze este aleatorie: vitezele moleculelor nu au nicio direcție preferată, dar sunt distribuite haotic în toate direcțiile. Datorită ciocnirilor dintre molecule între ele, vitezele lor se schimbă tot timpul atât în ​​direcție, cât și în mărime. Prin urmare, vitezele moleculelor pot diferi foarte mult unele de altele. În orice moment într-un gaz există molecule care se mișcă extrem de rapid și molecule care se mișcă relativ lent. Cu toate acestea, numărul de molecule care se mișcă mult mai lent sau mult mai repede decât celelalte este mic. Majoritatea moleculelor se deplasează la viteze care diferă relativ puțin de o viteză medie, în funcție de tipul de molecule și de temperatura corpului. În cele ce urmează, când vorbim despre viteza moleculelor, ne vom referi la viteza medie a acestora. Vom aborda mai târziu problema măsurării și calculării vitezei medii a moleculelor. În multe discuții referitoare la mișcarea moleculelor de gaz, conceptul de cale liberă medie joacă un rol important. Calea liberă medie este distanța medie parcursă de molecule între două ciocniri succesive. Pe măsură ce densitatea gazului scade, calea liberă medie crește. La presiunea atmosferică și 0°C, calea medie liberă a moleculelor de aer este de aproximativ 10-8-10-7 m (Fig. 371).

Orez. 371. Aceasta este aproximativ calea unei molecule de aer la presiune normală (creștetă de un milion de ori)
În gazele foarte rarefiate (de exemplu, în interiorul becurilor goale), drumul liber mediu ajunge la câțiva centimetri și chiar la zeci de centimetri. Aici moleculele se deplasează de la perete la perete aproape fără ciocniri. În solide, moleculele vibrează în jurul pozițiilor medii. În lichide, moleculele vibrează și în jurul pozițiilor medii. Totuși, din când în când fiecare moleculă sare într-o nouă poziție medie, separată de cea anterioară prin mai multe distanțe intermoleculare.
2.3. Proprietățile gazului
În starea gazoasă, energia interacțiunii dintre particule este mult mai mică decât energia lor cinetică: EMMB<< Екин.
Prin urmare, moleculele de gaz (atomii) nu sunt ținute împreună, ci se mișcă liber într-un volum semnificativ mai mare decât volumul particulelor în sine. Forțele de interacțiune intermoleculară apar atunci când moleculele se apropie suficient una de cealaltă. Interacțiunea intermoleculară slabă determină densitatea scăzută a gazului, dorința de expansiune nelimitată și capacitatea de a exercita presiune asupra pereților vasului, care împiedică această dorință. Moleculele de gaz sunt în mișcare aleatorie, haotică și nu există nicio ordine în gaz în ceea ce privește aranjarea moleculelor. Starea unui gaz se caracterizează prin: temperatură - T, presiune - p și volum - V. La presiuni scăzute și temperaturi ridicate, toate gazele tipice se comportă aproximativ la fel. Dar deja la temperaturi obișnuite și, mai ales, scăzute și presiuni mari, începe să apară individualitatea gazelor. O creștere a presiunii externe și o scădere a temperaturii apropie particulele de gaz, astfel încât interacțiunea intermoleculară începe să se manifeste într-o măsură mai mare. Pentru astfel de gaze nu mai este posibilă aplicarea ecuației Mendeleev-Clapeyron: dar trebuie utilizată ecuația van der Waals:
unde a și b sunt termeni constanți care iau în considerare prezența forțelor atractive între molecule și respectiv volumul intrinsec al moleculelor.
Când gazele sunt comprimate, când densitatea lor crește semnificativ, forțele FMI devin din ce în ce mai vizibile, ceea ce duce la crearea condițiilor pentru formarea diferiților asociați din molecule. Asociații sunt grupuri relativ instabile de molecule. Din natura componentelor FMI rezultă că forțele de interacțiune universală cresc odată cu creșterea dimensiunilor atomice, polarizabilitatea crește brusc, prin urmare, cu cât același tip de particule (atomi sau molecule) ale unei substanțe sunt mai grele, cu atât gradul este de obicei mai mare. de asocierea lor la o anumită temperatură, temperaturile mai scăzute o astfel de substanță se transformă din gaz în lichid.

Capitolul 3. Cristale
3.1.Conceptul de cristale
Lumea cristalelor este o lume nu mai puțin frumoasă, diversă, în curs de dezvoltare și adesea nu mai puțin misterioasă decât lumea naturii vii. Importanța cristalelor pentru științele geologice constă în faptul că marea majoritate a scoarței terestre se află în stare cristalină. În clasificarea unor astfel de obiecte fundamentale ale geologiei precum mineralele și rocile, conceptul de cristal este primar, elementar, similar cu un atom din tabelul periodic al elementelor sau cu o moleculă în clasificarea chimică a substanțelor. Conform afirmației aforistice a renumitului mineralog, profesor al Institutului Minier din Sankt Petersburg D.P. Grigoriev, „un mineral este un cristal”. Este clar că proprietățile mineralelor și rocilor sunt strâns legate de proprietățile generale ale stării cristaline.
Cuvântul „cristal” este grecesc (????????????), sensul său inițial este „gheață”. Cu toate acestea, deja în antichitate, acest termen a fost transferat la poliedre naturale transparente ale altor substanțe (cuarț, calcit etc.), deoarece se credea că aceasta era și gheață, care din anumite motive a devenit stabilă la temperaturi ridicate. În rusă, acest cuvânt are două forme: „cristal” în sine, adică un corp multifațetat natural și „cristal” - un tip special de sticlă cu un indice de refracție ridicat, precum și cuarț transparent incolor („cristal de rocă”). Majoritatea limbilor europene folosesc același cuvânt pentru ambele concepte (comparați engleza „Crystal Palace” - „Crystal Palace” din Londra și „Crystal Growth” - un jurnal internațional despre creșterea cristalelor).
Omenirea a făcut cunoștință cu cristalele din cele mai vechi timpuri. Acest lucru se datorează, în primul rând, capacității lor de a se autodecupa, care se realizează adesea în natură, adică de a lua spontan forma unor poliedre uimitor de perfecte. Chiar și o persoană modernă, când întâlnește cristale naturale pentru prima dată, cel mai adesea nu crede că aceste poliedre nu sunt opera unui meșter priceput. Formei cristalelor i s-a acordat mult timp o semnificație magică, așa cum o demonstrează unele descoperiri arheologice. Mențiunile despre „cristal” (aparent, încă vorbim despre „cristal”) se găsesc în mod repetat în Biblie (vezi, de exemplu: Apocalipsa lui Ioan, 21, 11; 32, 1 etc.). Printre matematicieni, există o opinie argumentată că prototipurile celor cinci poliedre regulate (solide platonice) erau cristale naturale. Multe poliedre arhimediene (semi-regulate) au, de asemenea, analogi exacti sau foarte apropiati în lumea cristalelor. Și în arta aplicată a antichității, poliedrele cristaline au fost uneori folosite ca modele și cele care, evident, nu erau considerate de știința vremii. De exemplu, Schitul de Stat conține un șir de mărgele, a cărui formă reproduce cu exactitate forma caracteristică a cristalelor frumosului mineral semiprețios granat. Aceste margele sunt realizate din aur (se presupune că lucrarea din Orientul Mijlociu din secolele I-V d.Hr.). Astfel, cristalele au de mult timp un impact notabil asupra principalelor domenii de interes uman: emoțional (religie, artă), ideologic (religie), intelectual (știință, artă).
3.2. Principalele tipuri de rețele cristaline
În solide, atomii pot fi localizați în spațiu în două moduri: 1) Dispunerea aleatorie a atomilor, atunci când aceștia nu ocupă un loc anume unul față de celălalt. Astfel de corpuri se numesc amorfe 2) Un aranjament ordonat de atomi, când atomii ocupă locuri bine definite în spațiu.
Atomii oscilează în raport cu poziția lor medie cu o frecvență de aproximativ 1013 Hz. Amplitudinea acestor oscilații este proporțională cu temperatura. Datorită dispunerii ordonate a atomilor în spațiu, centrele lor pot fi conectate prin linii drepte imaginare. Setul de astfel de linii care se intersectează reprezintă o rețea spațială, care se numește rețea cristalină.
Orbitele electronilor exterioare ale atomilor se ating, astfel încât densitatea de împachetare a atomilor din rețeaua cristalină este foarte mare. Solidele cristaline constau din boabe cristaline - cristalite. În boabele învecinate, rețelele cristaline sunt rotite unele față de altele la un anumit unghi. În cristalite, se observă ordine pe distanță scurtă și lungă. Aceasta înseamnă prezența unui aranjament ordonat și stabilitatea atât a vecinilor săi cei mai apropiați care înconjoară un atom dat (ordine pe distanță scurtă), cât și a atomilor aflați la distanțe semnificative de acesta, până la granițele granulelor (ordine pe distanță lungă).

a) b)
Orez. 1.1. Dispunerea atomilor în materie cristalină (a) și amorfă (b).
Datorită difuziei, atomii individuali își pot părăsi locurile în nodurile rețelei cristaline, dar ordinea structurii cristaline în ansamblu nu este perturbată.
Toate metalele sunt corpuri cristaline care au un anumit tip de rețea cristalină, constând din ioni încărcați pozitiv cu mobilitate redusă, între care se mișcă electronii liberi (așa-numitul gaz de electroni). Acest tip de structură se numește legătură metalică. Tipul de rețea este determinat de forma unui corp geometric elementar, a cărui repetare repetată de-a lungul a trei axe spațiale formează rețeaua unui corp cristalin dat.

A) B)

C) D)
Orez. 1.2. Principalele tipuri de rețele de cristal metalice:
A) cubic (1 atom pe celulă)
B) cubic centrat pe corp (bcc) (2 atomi per celulă)
etc.............

Fizica moleculară ușor!

Forțele de interacțiune moleculară

Toate moleculele unei substanțe interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie.
Dovezi ale interacțiunii moleculelor: fenomenul de umectare, rezistența la compresiune și tensiune, compresibilitatea scăzută a solidelor și gazelor etc.
Motivul pentru interacțiunea moleculelor este interacțiunile electromagnetice ale particulelor încărcate dintr-o substanță.

Cum să explic asta?

Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și un înveliș de electroni încărcat negativ. Sarcina nucleului este egală cu sarcina totală a tuturor electronilor, astfel încât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric.
O moleculă constând din unul sau mai mulți atomi este, de asemenea, neutră din punct de vedere electric.

Să luăm în considerare interacțiunea dintre molecule folosind exemplul a două molecule staționare.

Între corpuri din natură pot exista forțe gravitaționale și electromagnetice.
Deoarece masele moleculelor sunt extrem de mici, forțele neglijabile ale interacțiunii gravitaționale dintre molecule pot fi ignorate.

La distanțe foarte mari nu există nicio interacțiune electromagnetică între molecule.

Dar, pe măsură ce distanța dintre molecule scade, moleculele încep să se orienteze astfel încât părțile lor față în față vor avea sarcini de semne diferite (în general, moleculele rămân neutre), iar între molecule apar forțe atractive.

Cu o scădere și mai mare a distanței dintre molecule, forțele de respingere apar ca urmare a interacțiunii învelișurilor de electroni încărcate negativ ale atomilor moleculelor.

Ca urmare, molecula este acționată de suma forțelor de atracție și repulsie. La distante mari predomina forta de atractie (la distanta de 2-3 diametre ale moleculei atractia este maxima), la distante scurte predomina forta de repulsie.

Există o distanță între molecule la care forțele de atracție devin egale cu forțele de respingere. Această poziție a moleculelor se numește poziția de echilibru stabil.

Moleculele situate la distanță unele de altele și conectate prin forțe electromagnetice au energie potențială.
Într-o poziție stabilă de echilibru, energia potențială a moleculelor este minimă.

Într-o substanță, fiecare moleculă interacționează simultan cu multe molecule învecinate, ceea ce afectează și valoarea energiei potențiale minime a moleculelor.

În plus, toate moleculele unei substanțe sunt în mișcare continuă, adică. au energie cinetică.

Astfel, structura unei substanțe și proprietățile ei (corpuri solide, lichide și gazoase) sunt determinate de relația dintre energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor și rezerva de energie cinetică a mișcării termice a moleculelor.

Structura și proprietățile corpurilor solide, lichide și gazoase

Structura corpurilor se explică prin interacțiunea particulelor corpului și prin natura mișcării lor termice.

Solid

Solidele au o formă și un volum constant și sunt practic incompresibile.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este mai mare decât energia cinetică a moleculelor.
Interacțiune puternică cu particule.

Mișcarea termică a moleculelor dintr-un solid este exprimată numai prin vibrațiile particulelor (atomi, molecule) în jurul unei poziții stabile de echilibru.

Datorită forțelor mari de atracție, moleculele practic nu își pot schimba poziția în materie, ceea ce explică invariabilitatea volumului și formei solidelor.

Majoritatea solidelor au un aranjament ordonat spațial de particule care formează o rețea cristalină obișnuită.
Particulele de materie (atomi, molecule, ioni) sunt situate la vârfuri - nodurile rețelei cristaline. Nodurile rețelei cristaline coincid cu poziția de echilibru stabil al particulelor.

Astfel de solide se numesc cristaline.

Lichid
Lichidele au un anumit volum, dar nu au o formă proprie ele iau forma vasului în care se află.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este comparabilă cu energia cinetică a moleculelor.
Interacțiune slabă cu particule.

Mișcarea termică a moleculelor dintr-un lichid este exprimată prin vibrații în jurul unei poziții stabile de echilibru în volumul furnizat moleculei de vecinii ei.

Moleculele nu se pot mișca liber pe întregul volum al unei substanțe, dar sunt posibile tranzițiile moleculelor către locurile învecinate. Aceasta explică fluiditatea lichidului și capacitatea de a-și schimba forma.

În lichide, moleculele sunt destul de ferm legate între ele prin forțe de atracție, ceea ce explică invarianța volumului lichidului.

Într-un lichid, distanța dintre molecule este aproximativ egală cu diametrul moleculei. Când distanța dintre molecule scade (comprimarea lichidului), forțele de respingere cresc brusc, astfel încât lichidele sunt incompresibile.
În ceea ce privește structura lor și natura mișcării termice, lichidele ocupă o poziție intermediară între solide și gaze.

Deși diferența dintre un lichid și un gaz este mult mai mare decât între un lichid și un solid. De exemplu, în timpul topirii sau cristalizării, volumul unui corp se modifică de multe ori mai puțin decât în ​​timpul evaporării sau condensării.
Gazele nu au un volum constant și ocupă întregul volum al vasului în care se află.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este mai mică decât energia cinetică a moleculelor.
Particulele de materie practic nu interacționează.

Gazele se caracterizează prin dezordine completă în aranjarea și mișcarea moleculelor.

Acest material nu vorbește doar despre modul în care particulele sunt aranjate în solide, ci și despre modul în care se mișcă în gaze sau lichide. Vor fi descrise și tipurile de rețele cristaline din diferite substanțe.

Stare fizică

Există anumite standarde care indică prezența a trei stări tipice de agregare și anume: lichid și gaz.

1. Să definim componentele pentru fiecare stare de agregare.
2. Lichidul își poate schimba cu ușurință forma, dar în același timp își păstrează volumul.
3. Substanțele gazoase nu păstrează nici formă, nici volum.

Principalul criteriu prin care se determină starea de agregare este aranjarea moleculelor și metodele de mișcare a acestora. Într-o substanță gazoasă, distanța minimă dintre moleculele individuale este mult mai mare decât ele însele. La rândul lor, moleculele nu se dispersează pe distanțe mari în condiții normale și își păstrează volumul. Particulele active din solide sunt aranjate într-o ordine strict definită, fiecare dintre ele, precum pendulul unui ceas, se mișcă în jurul unui anumit punct al rețelei cristaline. Acest lucru conferă solidelor rezistență și rigiditate deosebite.

Prin urmare, în acest caz, cea mai presantă întrebare este cum se află particulele active în solide. În toate celelalte cazuri, atomii (moleculele) nu au o astfel de structură ordonată.

Caracteristicile lichidului

Este necesar să se acorde o atenție deosebită faptului că lichidele sunt un fel de legătură intermediară între starea solidă a corpului și faza lui gazoasă. Astfel, atunci când temperatura scade, lichidul se solidifică, iar când crește peste punctul de fierbere al substanței, se transformă în stare gazoasă. Cu toate acestea, lichidul are caracteristici comune atât cu substanțele solide, cât și cu cele gazoase. Astfel, în 1860, remarcabilul om de știință D.I Mendeleev a stabilit existența așa-numitei temperaturi critice - fierbere absolută. Aceasta este valoarea la care granița subțire dintre un gaz și o substanță în stare solidă dispare.

Următorul criteriu, care combină două stări de agregare vecine, este izotropia. În acest caz, proprietățile lor sunt aceleași în toate direcțiile. Cristalele, la rândul lor, sunt anizotrope. Ca și gazele, lichidele nu au o formă fixă ​​și ocupă întregul volum al recipientului în care se află. Adică au vâscozitate scăzută și fluiditate ridicată. Ciocnind unele cu altele, microparticulele de lichid sau gaz se mișcă liber. Anterior, se credea că în volumul ocupat de un lichid nu exista o mișcare ordonată a moleculelor. Astfel, lichidul și gazul erau opuse cristalelor. Dar, ca urmare a cercetărilor ulterioare, au fost dovedite asemănările dintre solide și lichide.

În faza lichidă la o temperatură apropiată de solidificare, mișcarea termică seamănă cu cea din solide. În acest caz, lichidul poate avea în continuare o anumită structură. Prin urmare, dând un răspuns la întrebarea cum se află particulele în solide în lichide și gaze, putem spune că în acestea din urmă mișcarea moleculelor este haotică și dezordonată. Dar în solide, moleculele ocupă în majoritatea cazurilor o anumită poziție, fixă.

În acest caz, lichidul este un fel de verigă intermediară. Mai mult, cu cât temperatura sa este mai aproape de fierbere, cu atât moleculele se mișcă mai mult ca în gaze. Dacă temperatura este mai aproape de trecerea la faza solidă, atunci microparticulele încep să se miște din ce în ce mai ordonat.

Modificarea stării substanțelor

Să ne uităm la cel mai simplu exemplu de schimbare a stării apei. Gheața este faza solidă a apei. Temperatura sa este sub zero. La o temperatură de zero, gheața începe să se topească și se transformă în apă. Acest lucru se explică prin distrugerea rețelei cristaline: atunci când sunt încălzite, particulele încep să se miște. Temperatura la care o substanță își schimbă starea de agregare se numește punct de topire (în cazul nostru, pentru apă este 0). Rețineți că temperatura gheții va rămâne la același nivel până când se topește complet. În acest caz, atomii sau moleculele lichidului se vor mișca în același mod ca în solide.

După aceasta, vom continua să încălzim apa. În același timp, particulele încep să se miște mai intens până când substanța noastră atinge următorul punct de schimbare a stării de agregare - punctul de fierbere. Acest moment apare atunci când legăturile dintre moleculele care îl formează se rup din cauza accelerării mișcării – atunci capătă un caracter liber, iar lichidul în cauză trece în faza gazoasă. Procesul de transformare a unei substanțe (apa) dintr-o fază lichidă într-o fază gazoasă se numește fierbere.

Temperatura la care fierbe apa se numește punct de fierbere. În cazul nostru, această valoare este de 100 de grade Celsius (temperatura depinde de presiune, presiunea normală este de o atmosferă). Notă: până când lichidul existent se transformă complet în vapori, temperatura acestuia rămâne constantă.

Procesul invers de tranziție a apei de la starea gazoasă (abur) la lichid, care se numește condensare, este de asemenea posibil.

În continuare, puteți observa procesul de înghețare - procesul de tranziție a lichidului (apă) în formă solidă (starea inițială este descrisă mai sus - aceasta este gheața). Procesele descrise mai devreme oferă un răspuns direct la modul în care particulele sunt aranjate în solide, lichide și gaze. Locația și starea moleculelor unei substanțe depind de starea ei de agregare.

Ce este un solid? Cum se comportă microparticulele în el?

Un corp solid este o stare a unui mediu material, a cărei caracteristică distinctivă este păstrarea unei forme constante și natura constantă a mișcării termice a microparticulelor care efectuează vibrații minore. Corpurile pot fi în stare solidă, lichidă și gazoasă. Există, de asemenea, o a patra stare, pe care oamenii de știință moderni tind să o clasifice ca agregată - aceasta este așa-numita plasmă.

Deci, în primul caz, orice substanță, de regulă, are o formă constantă, neschimbată, iar influența cheie asupra acestui lucru este modul în care particulele sunt aranjate în solide. La nivel microscopic, este clar că atomii care alcătuiesc un solid sunt legați între ei prin legături chimice și sunt localizați la nodurile rețelei cristaline.

Dar există o excepție - substanțele amorfe, care sunt în stare solidă, dar nu se pot lăuda cu prezența unei rețele cristaline. Din aceasta putem da un răspuns la modul în care particulele sunt aranjate în solide. În primul caz, fizica indică faptul că atomii sau moleculele sunt localizate în locurile rețelei. Dar în al doilea caz nu există cu siguranță o astfel de ordonare, iar o astfel de substanță este mai asemănătoare cu un lichid.

Fizica și structura posibilă a unui corp solid

În acest caz, substanța tinde să-și mențină volumul și, desigur, forma. Adică, pentru a-l schimba pe acesta din urmă, trebuie depus efort, și nu contează dacă este un obiect metalic, o bucată de plastic sau lut. Motivul constă în structura sa moleculară. Sau mai precis, în interacțiunea moleculelor care alcătuiesc corpul. În acest caz, ele sunt situate cel mai aproape. Acest aranjament de molecule este de natură repetitivă. De aceea, forțele de atracție reciprocă dintre fiecare dintre aceste componente sunt foarte puternice.

Interacțiunea microparticulelor explică natura mișcării lor. Este foarte dificil să reglați forma sau volumul unui astfel de corp solid într-o direcție sau alta. Particulele unui corp solid nu se pot mișca haotic pe întregul volum al unui corp solid, dar pot oscila doar în jurul unui anumit punct din spațiu. Moleculele unui solid oscilează haotic în direcții diferite, dar se ciocnesc de altele similare, care le readuc la starea lor inițială. De aceea, particulele din solide sunt, de regulă, aranjate într-o ordine strict definită.

Particulele și aranjarea lor într-un solid

Solidele pot fi de trei tipuri: cristaline, amorfe și compozite. Este compoziția chimică care influențează aranjarea particulelor în solide.

Solidele cristaline au o structură ordonată. Moleculele sau atomii lor formează o rețea spațială cristalină de formă regulată. Astfel, un solid în stare cristalină are o anumită rețea cristalină, care, la rândul său, stabilește anumite proprietăți fizice. Acesta este răspunsul la modul în care particulele sunt aranjate într-un solid.

Să dăm un exemplu: în urmă cu mulți ani la Sankt Petersburg, într-un depozit era depozitat un stoc de nasturi albi de tablă lucioasă, care, la scăderea temperaturii, și-au pierdut strălucirea și s-au transformat din alb în gri. Nasturii s-au prăbușit în pulbere gri. „Cuma de staniu” a fost numele dat acestei „boali”, dar de fapt a fost o restructurare a structurii cristalelor sub influența temperaturii scăzute. Staniul, la trecerea de la soiul alb la soiul gri, se sfărâmă în pulbere. Cristalele, la rândul lor, sunt împărțite în mono- și policristale.

Monocristale și policristale

Monocristalele (sare de masă) sunt cristale unice omogene reprezentate de o rețea cristalină continuă sub formă de poligoane regulate. Policristalele (nisip, zahăr, metale, pietre) sunt corpuri cristaline care au crescut împreună din cristale mici, situate haotic. În cristale se observă un fenomen numit anizotropie.

Amorfozitatea: un caz special

Corpurile amorfe (rășină, colofoniu, sticlă, chihlimbar) nu au o ordine clară, strictă în aranjarea particulelor. Acesta este un caz neobișnuit al ordinii în care se găsesc particulele în solide. În acest caz, se observă fenomenul de izotropie, proprietățile fizice ale corpurilor amorfe sunt aceleași în toate direcțiile. La temperaturi ridicate devin ca lichidele vâscoase, iar la temperaturi scăzute devin ca niște solide. Când sunt expuse la influențe externe, ele prezintă simultan proprietăți elastice, adică la impact se divid în particule miniaturale, cum ar fi solidele și fluiditate: cu expunerea prelungită la temperatură, încep să curgă ca lichidele. Nu au temperaturi specifice de topire și cristalizare. Când sunt încălzite, corpurile amorfe se înmoaie.

Exemple de substanțe amorfe

Să luăm, de exemplu, zahărul obișnuit și să aflăm aranjamentul particulelor în solide în diferite cazuri folosind exemplul său. În acest caz, același material poate apărea sub formă cristalină sau amorfă. Dacă zahărul topit se întărește lent, moleculele formează rânduri egale - cristale (zahăr în bucăți sau zahăr granulat). Dacă zahărul topit, de exemplu, este turnat în apă rece, răcirea va avea loc foarte repede, iar particulele nu vor avea timp să formeze rândurile corecte - topitura se va întări fără a forma cristale. Așa obțineți bomboane de zahăr (acesta este zahăr necristalin).

Dar după ceva timp, o astfel de substanță se poate recristaliza, particulele se adună în rânduri regulate. Dacă bomboana de zahăr stă câteva luni, va începe să fie acoperită cu un strat liber. Așa apar cristalele la suprafață. Pentru zahăr durata de viață va fi de câteva luni, iar pentru piatră va fi de milioane de ani. Carbonul este un exemplu unic. Grafitul este carbon cristalin, structura sa este stratificată. Iar diamantul este cel mai dur mineral de pe pământ, capabil să taie sticla și să taie pietrele, este folosit pentru găurire și lustruire. În acest caz, există o singură substanță - carbonul, dar particularitatea constă în capacitatea de a forma diferite forme cristaline. Acesta este un alt răspuns la modul în care particulele sunt aranjate într-un solid.

Rezultate. Concluzie

Structura și aranjarea particulelor în solide depind de tipul căruia îi aparține substanța în cauză. Dacă substanța este cristalină, atunci aranjarea microparticulelor va fi ordonată. Structurile amorfe nu au această caracteristică. Dar compozitele pot aparține atât primului cât și celui de-al doilea grup.

Într-un caz, lichidul se comportă similar cu un solid (la o temperatură scăzută, care este aproape de temperatura de cristalizare), dar se poate comporta și ca un gaz (pe măsură ce crește). Prin urmare, în această revizuire, am examinat modul în care particulele sunt situate nu numai în solide, ci și în alte stări agregate de bază ale materiei.

În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei mult mai mare decât dimensiunea moleculelor, dar foarte mică. Prin urmare, gazele nu au propria lor formă și volum constant. Gazele sunt ușor comprimate deoarece forțele de respingere pe distanțe mari sunt, de asemenea, mici. Gazele au proprietatea de a se extinde la nesfârșit, umplând întregul volum care le este furnizat. Moleculele de gaz se mișcă cu viteze foarte mari, se ciocnesc între ele și se aruncă în direcții diferite. Se creează numeroase impacturi ale moleculelor asupra pereților vasului presiunea gazului.

Mișcarea moleculelor în lichide

În lichide, moleculele nu numai că oscilează în jurul poziției de echilibru, dar fac și salturi de la o poziție de echilibru la alta. Aceste salturi apar periodic. Se numește intervalul de timp dintre astfel de sărituri timpul mediu al vieții stabilite(sau timp mediu de relaxare) și se notează cu litera τ. Cu alte cuvinte, timpul de relaxare este timpul oscilațiilor în jurul unei poziții specifice de echilibru. La temperatura camerei, acest timp este în medie de 10 -11 s. Timpul unei oscilații este de 10 -12 ... 10 -13 s.

Timpul vieții sedentare scade odată cu creșterea temperaturii. Distanța dintre moleculele unui lichid este mai mică decât dimensiunea moleculelor, particulele sunt situate aproape una de cealaltă și este mare. Cu toate acestea, aranjarea moleculelor lichide nu este strict ordonată pe tot volumul.

Lichidele, ca și solidele, își păstrează volumul, dar nu au propria lor formă. Prin urmare, ele iau forma vasului în care se află. Lichidul are următoarele proprietăți: fluiditate. Datorită acestei proprietăți, lichidul nu rezistă la schimbarea formei, este ușor comprimat, iar proprietățile sale fizice sunt aceleași în toate direcțiile din interiorul lichidului (izotropia lichidelor). Natura mișcării moleculare în lichide a fost stabilită pentru prima dată de fizicianul sovietic Iakov Ilici Frenkel (1894 - 1952).

Mișcarea moleculelor în solide

Moleculele și atomii unui solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formă rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii efectuează mișcări vibraționale în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, solidele în condiții normale își păstrează volumul și au propria lor formă.

Lichidul ocupă o poziție intermediară în proprietăți și structură între gaze și substanțele cristaline solide. Prin urmare, are proprietățile substanțelor gazoase și solide. În teoria cinetică moleculară, diferite stări de agregare ale unei substanțe sunt asociate cu diferite grade de ordine moleculară. Pentru solide, așa-numitele comandă pe distanță lungăîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se pe distanțe mari. În lichide există un așa-numit ordine de închidereîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, care se repetă pe distanțe, este comparabilă cu cele interatomice. La temperaturi apropiate de temperatura de cristalizare, structura lichidului este aproape de un solid. La temperaturi ridicate apropiate de punctul de fierbere, structura lichidului corespunde stării gazoase - aproape toate moleculele participă la mișcarea termică haotică.

Lichidele, ca și solidele, au un anumit volum, iar ca și gazele, ele iau forma recipientului în care se află. Moleculele de gaz practic nu sunt conectate prin forțe de interacțiune intermoleculară și, în acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor de gaz este mult mai mare decât energia potențială medie cauzată de forțele de atracție dintre ele, astfel încât moleculele de gaz zboară în mod diferit. direcţii şi gazul ocupă volumul care îi este prevăzut. În solide și lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt deja semnificative și țin moleculele la o anumită distanță unele de altele. În acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor este mai mică decât energia potențială medie din cauza forțelor interacțiunii intermoleculare și nu este suficientă depășirea forțelor de atracție dintre molecule, prin urmare solidele și lichidele au un anumit volum.

Presiunea în lichide crește foarte brusc odată cu creșterea temperaturii și scăderea volumului. Expansiunea volumetrică a lichidelor este mult mai mică decât cea a vaporilor și gazelor, deoarece forțele care leagă moleculele din lichid sunt mai semnificative; aceeași remarcă este valabilă pentru dilatarea termică.

Capacitatea termică a lichidelor crește de obicei cu temperatura (deși doar ușor). Raportul Ср/СV este practic egal cu unitatea.

Teoria lichidelor nu a fost încă pe deplin dezvoltată. Dezvoltarea unui număr de probleme în studiul proprietăților complexe ale lichidelor aparține lui Ya.I. Frenkel (1894–1952). El a explicat mișcarea termică într-un lichid prin faptul că fiecare moleculă oscilează un timp în jurul unei anumite poziții de echilibru, după care se deplasează brusc într-o nouă poziție, separată de cea inițială la o distanță de ordinul interatomiei. Astfel, moleculele lichidului se mișcă destul de lent pe întreaga masă a lichidului. Pe măsură ce temperatura lichidului crește, frecvența mișcării vibraționale crește brusc, iar mobilitatea moleculelor crește.

Pe baza modelului Frenkel, este posibil să explic câteva caracteristici distinctive proprietățile lichidului. Astfel, lichidele, chiar și în apropierea temperaturii critice, au mult mai mari viscozitate decât gazele, iar vâscozitatea scade odată cu creșterea temperaturii (și nu crește, ca și în cazul gazelor). Acest lucru se explică prin natura diferită a procesului de transfer de impuls: este transmis de molecule care fac un salt de la o stare de echilibru la alta, iar aceste salturi devin semnificativ mai frecvente odată cu creșterea temperaturii. Difuziaîn lichide se produce numai din cauza salturilor moleculare și are loc mult mai lent decât în ​​gaze. Conductivitate termică lichidele este cauzată de schimbul de energie cinetică între particulele care oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru cu amplitudini diferite; salturile bruște de molecule nu joacă un rol vizibil. Mecanismul conductivității termice este similar cu mecanismul său în gaze. O trăsătură caracteristică a unui lichid este capacitatea sa de a avea suprafata libera(nu este limitat de pereți solidi).