Взаємодія молекул

· Прояви взаємодії молекул

· Природа сил міжмолекулярної взаємодії

· Кінетична і потенціальна енергія молекул

Прояви взаємодії молекул. Про існування сил притягання і відштовхування між молекулами переконливо свідчить той факт, що тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі молекули, незважаючи на те, що молекули розділені проміжками і постійно та хаотично рухаються. З проявом сил міжмолекулярної взаємодії ми ознайомились при вивченні механіки. У твердих тілах міжмолекулярні сили виявляють себе як сили пружності при різних деформаціях і зумовлюють міцність тіла. Сили тертя між контактуючими поверхнями залежить від того, з якого матеріалу виготовлено поверхні і від якості їх обробки. Якщо зробити поверхні більш гладенькими - тертя зменшиться. Однак, зменшувати шершавість поверхонь можна лише до певної межі, оскільки у разі дуже гладких (наприклад, полірованих) поверхонь проявляються сили міжмолекулярного притягання і перешкоджають ковзанню.

Сили притягання, що виникають між гладенькими поверхнями досить значні. Так, можна міцно з’єднати свинцеві циліндри, притискуючи їх один до одного зачищеними плоскими поверхнями. При площі поверхні в 1 см² зчеплені циліндри витримують гирю масою 5 кг (мал. 7).

Мал. 7. Прояв міжмолекулярних сил притягання

Виникнення великих сил притягання між молекулами використовують при склеюванні, зварюванні. Так, притискаючи один до одного осколки розбитої фарфорової чашки, не можна її відновити, бо відстань між величезною більшістю молекул у щілині така велика, що сили міжмолекулярної взаємодії між ними не виникають. Щоб добитись з’єднання, треба збільшити кількість точок зіткнення осколків, для цього використовують клей.

Прояв сил міжмолекулярного притягання використовують під час виготовлення деталей методом порошкової металургії. Порошки різних матеріалів піддають всебічному стисканню, при цьому їх частинки зближуються до відстаней, на яких між ними діють величезні сили зчеплення, і з порошків утворюється міцна деталь.

Природа сил міжмолекулярної взаємодії. Згідно третього положення молекулярно-кінетичної теорії молекули взаємодіють одна з одною силами електромагнітної природи. Хоч молекули є електронейтральними, до їх складу входить різнойменно заряджені частинки: ядро і електрони. Як відомо, однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягаються, тому між молекулами одночасно діють сили притягання і відштовхування. Крім того, між рухомими зарядженими частинками атомів і молекул є магнітна взаємодія, яка впливає на рівнодійну сил притягання і відштовхування молекул.

Сили притягання і відштовхування існують одночасно, але, як показують досліди, залежать від відстаней між частинками по-різному. Теоретичні розрахунки показують, що залежність сил відштовхування між двома молекулами від відстані між ними виражається співвідношенням ~ , а залежність сил притягання - ~ . Залежність сил міжмолекулярної взаємодії від відстані між ними можна зобразити графічно[4] (мал.8), вважаючи сили відштовхування додатними, а сили притягання - від’ємними. Тоді рівнодійна цих сил дорівнюватиме геометричній сумі відповідних ординат графіків і для різних значень абсцис, тобто Для різних відстаней вона неоднакова за напрямом і значенням. Графік рівнодійної має специфічний вигляд кривої, що перетинає вісь абсцис.

Мал. 8. Графічне зображення залежності міжмолекулярних сил від відстані між молекулами

Проаналізуємо характер дії сили міжмолекулярної взаємодії між двома молекулами. Нехай молекула А знаходиться у початку системи координат, а молекула В на відстані R, яку називають радіусом молекулярної дії. На цій відстані сили міжмолекулярної дії начинають помітно діяти і діють одночасно, причому за абсолютним значенням . Тому можна вважати, що на такій відстані практично діє одна сила притягання. На такій відстані й перебувають молекули в газах.

Із зменшенням відстані між молекулами сила притягання зростає значно швидше від сили відштовхування і на відстані r набуває максимального значення. Рівнодійна також зростає від нуля до максимального значення (кажуть «максимальна глибина кривої»).

На відстані r ₀ сили притягання і відштовхування врівноважуються , рівнодійна дорівнює нулеві (крива перетинає вісь абсцис). Ця відстань відповідає рівноважному стану молекул. На такій відстані були б розташовані молекули в твердих тілах і рідинах у випадку, якби не було теплового руху. У результаті теплового руху, відстань між молекулами весь час змінюється: то збільшується, то зменшується. Молекули, коливаючись відносно рівноважних положень, то відштовхуються, коли наближаються на відстань, меншу за r ₀, то притягаються, якщо віддаляються більше, ніж на r ₀. Слід зауважити, що у випадку, коли молекули зближаються рівнодійна зростає набагато швидше, ніж зменшуватиметься, коли молекули віддаляються.

З дальшим зменшенням відстані між молекулами переважатимуть сили відштовхування. Рівнодійна F різко зростає (крива іде вгору). Відстань найбільш можливого зближення молекул d _e називають ефективним діаметром молекули.

Для різних видів молекул рівноважні відстані між ними неоднакові. Різні і «глибини» кривої рівнодійної.

Для систем, що складаються з великої кількості взаємодіючих частинок (макроскопічних тіл) поняття сили слід використовувати з деяким обмеженням. Як уже зазначалось, законами механіки Ньютона можна дослідити сили взаємодії тільки між двома сусідніми молекулами. У дійсності у макроскопічному тілі будь-яка молекула оточена великою кількістю взаємодіючих з нею молекул. Сумарна сила, що діє на молекулу в середньому дорівнює нулю! При цьому неважливо, чи діють тільки сили притягання (відштовхування) чи сили притягання і відштовхування діють одночасно. І у тому і в іншому випадку молекула перебуває у рівноважному стані. Тільки у першому стані рівновага буде нестійкою, у другому – стійкою.

Як відомо з механіки Ньютона, умовою стійкої рівноваги є стан тіла, коли його центр тяжіння займає найнижче положення, якому відповідає мінімальне значення потенціальної енергії. Цей принцип застосовний не тільки для тіл у полі тяжіння, а й для будь-якої системи: система перебуває у стані стійкої рівноваги за умови, коли її потенціальна енергія мінімальна. Тому при дослідженні властивостей речовини важливо досліджувати не тільки сили, а й залежність потенціальної енергії молекул від відстані між ними.

Кінетична і потенціальна енергія молекул. Молекули тіла можуть мати різні швидкості, тому для характеристики стану тіла використовують середню енергію поступального руху молекул . Оскільки між молекулами є сили взаємодії, то молекули тіла, крім кінетичної енергії, мають потенціальну енергію .

Вважатимемо, що потенціальна енергія відокремленої молекули, яка не взаємодіє з іншими молекулами, дорівнює нулю. Тоді при взаємодії двох молекул потенціальна енергія, зумовлена силами відштовхування, буде додатною, а силами притягання – від’ємною, оскільки при зближенні молекул для подолання сил відштовхування треба виконати певну роботу, а сили притягання, навпаки, самі виконують роботу.

На мал.9 наведено графік зміни потенціальної енергії взаємодії двох молекул залежно від відстані між ними. Частину графіка потенціальної енергії поблизу від її найменшого значення називають потенціальною ямою, а величину найменшого значення потенціальної енергії - глибиною потенціальної ями (або енергією зв’язку).

Енергія зв’язку - визначається величиною роботи, яку потрібно виконати проти сил притягання, щоб молекули, які перебували у рівноважному стані, віддалити одну від одної на нескінченно велику відстань.

Іншими словами, глибина потенціальної ями має простий фізичний зміст: «щоб викотитись із ями, необхідна енергія, що дорівнює глибині ями».

Повна енергія, яка складається з кінетичної енергії молекул і їх потенціальної енергії взаємодії визначає внутрішню енергію тіла. Співвідношення між двома складовими внутрішньої енергії – середньою кінетичною і середньою потенціальною енергіями – визначає той чи інший агрегатний стан речовини.

Повна енергія на будь-яких відстанях залишається сталою: .

Мал. 9. Графічне зображення залежності потенціальної енергії взаємодії молекул від відстані між ними

Якби не було теплового руху (), молекули розмістилися б на відстані r ₀, яка відповідає рівноважному стану, оскільки рівнодійна міжмолекулярних сил дорівнює нулю (див.мал.9). Повна енергія дорівнює у цьому випадку потенціальній енергії взаємодії.

Оскільки молекули завжди мають кінетичну енергію (їх тепловий рух ніколи не припиняється), то відстань між ними безперервно змінюється. Якщо кінетична енергія молекули буде менша від , то молекула рухатиметься так, що значення її потенціальної енергії взаємодії лежатиме в межах потенціальної ями. Сили взаємодії утримують молекули одну біля від одної на деякій середній відстані r. Чим більшою буде кінетична енергія молекули, тим більшою стає середня відстань між молекулами.

Якщо кінетична енергія більша за , то вона долає «потенціальний бар’єр» і відстань між молекулами може збільшуватись необмежено.

Слід зазначити, що характер зміни потенціальної енергії у всіх речовин однаковий, але значення мінімальної потенціальної енергії залежить від природи речовини та агрегатного стану.

Дайте відповіді на запитання

1. Яка природа міжмолекулярних сил? Які властивості мають сили молекулярної взаємодії?

2. Як сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними?

3. Як пояснюється з молекулярного погляду поява сили пружності внаслідок стиснення і розтягування тіл?