Силы взаимодействия молекул. Строение тел

На прошлых уроках мы убедились, что молекулы взаимодействуют друг с другом посредством двух сил. Если расстояния между молекулами превышают размеры молекул в два-три раза, то между молекулами действуют силы притяжения. На меньших расстояниях преобладают силы отталкивания. Эти силы, конечно, имеют электромагнитную природу. Как вы знаете, молекулы состоят из атомов, которые, в свою очередь включают в себя заряженные частицы, такие как протоны и электроны. На малых расстояниях происходит взаимодействие электронов и атомных ядер соседних молекул.

Считается, что если молекулы находятся на расстоянии, равном диаметру молекулы, то силы отталкивания уравновешивают силы притяжения. Если же это расстояние уменьшается, то электронные оболочки атомов начинают перекрываться, в результате чего силы отталкивания резко возрастают.

Для наглядности мы можем рассмотреть график зависимости силы взаимодействия молекул от расстояния между ними.

На графике синей кривой обозначена сила притяжения, которую условно считают отрицательной. Красной кривой обозначена сила отталкивания, а зеленой кривой — равнодействующая сила. Итак, мы видим, что на расстояниях, не превышающих размеры молекул, преобладают силы отталкивания. На расстояниях превышающих размеры молекул в несколько раз преобладают силы притяжения. Логично, что на очень больших расстояниях, силы притяжения и отталкивания стремятся к нулю (это подтверждается графиком). А теперь обратите внимание на положение устойчивого равновесия. Это такое положение, при котором сила отталкивания уравновешивает силу притяжения. Как и было сказано ранее, положение устойчивого равновесия достигается при расстоянии между молекулами, равном диаметру молекулы.

Если бы не было хотя бы одной из этих сил, то ни жидких, ни твердых тел просто не существовало бы. С помощью молекулярно-кинетической теории можно объяснить, как вещество может находиться в трех агрегатных состояниях.

Начнем с того, что в любом теле частицы обладают потенциальной и кинетической энергией. Действительно, ведь потенциальная энергия определяется взаимным расположением молекул. Поскольку молекулы совершают перемещения или колебания, они обладают ненулевой скоростью, а, значит, кинетической энергией.

Как вы знаете, твердые тела сохраняют объём и форму. Это обусловлено тем, что атомы или молекулы твердых тел строго упорядочены и лишь колеблются около положения равновесия.

Если соединить положения равновесия атомов твердого тела, то получится некая решетка правильной формы. Эту решетку называют кристаллической.

Поэтому твердые тела иногда называют кристаллическими. Итак, в твердых телах все частицы расположены в соответствии со строгим порядком и только колеблются относительно положения равновесия. Поэтому, кинетическая энергия частиц твердого тела весьма невелика по сравнению с потенциальной энергией.

В жидкостях такого четкого порядка нет, хотя молекулы и расположены вплотную друг к другу. Молекулы также колеблются около положения равновесия, но иногда эти молекулы могут совершать так называемые прыжки

 То есть, молекула из одного положения равновесия перескакивает в другое. Дело в том, что молекулы жидкости непрерывно соударяются, поэтому такие перескоки происходят достаточно часто. Этим объясняется тот факт, что слои жидкости легко могут меняться местами, то есть перемешиваться.

Поскольку молекулы жидкости находятся в непосредственной близости друг от друга, жидкости практически не сжимаются. При попытке уменьшения объёма, силы отталкивания резко возрастают и препятствуют сжатию. Так как молекулы жидкости находятся на маленьком расстоянии друг от друга, но при этом совершают перемещения с довольно большими скоростями, можно заключить, что частицы жидкости обладают как существенной кинетической энергией, так и потенциальной.

В отличие от жидкостей, газы довольно легко сжимаются. Это объясняется тем, что в газах расстояния между атомами или молекулами во много раз превышают размеры молекул.

При нормальном давлении суммарный объём молекул газа, находящихся в комнате в десятки тысяч раз меньше, чем объём комнаты. При сжатии газа, расстояния между молекулами уменьшаются и при этом возрастает давление в сосуде. Дело в том, что давление газа обусловлено многочисленными ударами молекул о стенки сосуда. Итак, в газах кинетическая энергия частиц значительно больше, чем потенциальная энергия. Частицы находятся на большом расстоянии и двигаются с огромными скоростями.

Для наглядности мы можем провести некоторые аналогии. В твердых телах молекулы расположены в соответствии со строгим порядком и только колеблются. Аналогией могут послужить, ученики, сидящие в классе.

Люди расположены в строгом порядке относительно друг друга (то есть сидят на определенных местах по рядам). При этом сидя на своём месте, они могут совершать некоторые движения.

Аналогией жидкости может послужить метро в час-пик. Люди находятся очень близко друг к другу, но, тем не менее, каждый человек может переместиться из одного места в другое (точно так же, как молекула жидкости может перескочить из одного положения равновесия в другое).

Наконец, аналогией газа может являться футбольное поле. Футболисты бегают по нему с большими скоростями и находятся на большом расстоянии друг от друга.

Существуют также, аморфные тела, которые являются некой промежуточной стадией между жидкостями и твердыми телами. Дело в том, что аморфные тела могут сохранять свою форму в течение длительного времени, но, вместе с тем, их структура напоминает структуру жидкостей. Иногда аморфные тела рассматривают, как очень вязкие жидкости. Примерами аморфных тел могут послужить, пластилин, канифоль или смола.