§ 33. Взаємодія молекул. Пояснення агрегатних станів на основі молекулярно-кінетичної теорії

Природа сил міжмолекулярної взаємодії. З проявом сил міжмолекулярної взаємодії ми ознайомились, вивчаючи механіку (пригадайте природу сили тертя та сили пружності).

Згідно з третім положенням молекулярно-кінетичної теорії, молекули взаємодіють одна з одною силами електромагнітної природи. Хоча молекули є електронейтральними, до їх складу входять різнойменно заряджені частинки — ядро та електрони. Як відомо, однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні — притягаються, тому між молекулами одночасно діють сили і притягання, і відштовхування. Крім того, між рухомими зарядженими частинками атомів і молекул є магнітна взаємодія, яка робить свій внесок у рівнодійну сил притягання й відштовхування молекул.

Сили притягання й відштовхування існують одночасно, але, як показують досліди, залежать від відстаней між частинками по-різному. Теоретичні розрахунки доводять, що сили відштовхування між двома молекулами залежать від відстані між ними за законом

а сили притягання —

Кінетична і потенціальна енергія молекул. Молекули тіла можуть мати різні швидкості, тому для характеристики стану тіла використовують середню кінетичну енергію поступального руху молекул Е_К. Оскільки між молекулами є сили взаємодії, то молекули тіла, крім кінетичної, мають потенціальну енергію Е_П. Вважатимемо, що потенціальна енергія відокремленої молекули, яка не взаємодіє з іншими молекулами, дорівнює нулю. Тоді під час взаємодії двох молекул потенціальна енергія, зумовлена силами відштовхування, буде додатною, а силами притягання — від’ємною, оскільки, зближуючи молекули, для подолання сил відштовхування треба виконати певну роботу, а сили притягання, навпаки, самі виконують роботу.

На малюнку 139 наведено залежність зміни потенціальної енергії взаємодії двох молекул від відстані між ними. Частину кривої потенціальної енергії в околі її найменшого значення називають потенціальною ямою, а найменше значення потенціальної енергії Е_п.мін — глибиною потенціальної ями (або енергією зв’язку).

Мал. 139. Графік залежності потенціальної енергії взаємодії молекул від відстані між ними

Енергія зв’язку Е_п.мін визначається величиною роботи, яку потрібно виконати проти сил притягання, щоб молекули, які перебували в рівноважному стані, віддалилися на нескінченно велику відстань. Іншими словами, глибина потенціальної ями має простий фізичний зміст: «щоб викотитися з 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 та середньою потенціальною енергіями — визначає той чи інший агрегатний стан речовини.

Повна енергія на будь-яких відстанях залишається сталою: E_пов = Е_к + Е_п = const.

Якби не було теплового руху (E_к = 0), молекули розмістилися б на відстані r₀, яка відповідає рівноважному стану, оскільки рівнодійна міжмолекулярних сил на цій відстані дорівнює нулю (мал. 139). Повна енергія в цьому разі дорівнює потенціальній енергії взаємодії.

Оскільки молекули завжди мають кінетичну енергію (їх тепловий рух ніколи не припиняється), то відстань між ними безперервно змінюється. Якщо кінетична енергія Е молекули буде меншою від Е_п.мін, то молекула рухатиметься так, що значення її потенціальної енергії взаємодії лежатиме в межах потенціальної ями. До того ж сили взаємодії утримують молекули одна біля одної на деякій середній відстані r. Що більшою буде кінетична енергія молекули, то більшою стає середня відстань між молекулами.

Якщо кінетична енергія молекули Е_к2 більша за Е_п.мін, то вона подолає «потенціальний бар’єр» і відстань між молекулами може збільшуватись безмежно.

Слід зазначити, що характер зміни потенціальної енергії в усіх речовинах однаковий, але значення мінімальної потенціальної енергії Е_п.мін залежить від природи речовин та її агрегатного стану.

Агрегатні стани речовини. Одна й та сама речовина може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах, які називають агрегатними станами речовини. Наприклад, лід, вода та водяна пара.

Властивості речовини залежать від руху її молекул і сили взаємодії між ними. Сили міжмолекулярної взаємодії намагаються утримати молекули на певних відстанях одна від одної, а хаотичний рух молекул намагається розкидати їх по всьому простору. Спільна дія обох цих чинників і визначає агрегатний стан кожної речовини.

Звернімося знову до графіка залежності потенціальної енергії взаємодії молекул від відстані між ними (мал. 139). Доки кінетична енергія поступального руху молекул мала, молекула здійснює коливальний рух у межах потенціальної ями. Її кінетична енергія при цьому переходить у потенціальну енергію взаємодії, і навпаки. Швидкості окремих молекул можуть мати різні значення, відповідно різними будуть і значення кінетичної енергії, але поки середнє значення кінетичної енергії набагато менше від Е_п.мін, молекули тільки коливаються навколо своїх середніх положень і речовина залишається у твердому стані.

Повна (внутрішня) енергія речовини у твердому стані визначається потенціальною енергією і має найменше значення порівняно з іншими агрегатними станами (за однакових значень температури) (мал. 140, а).

З підвищенням температури тіла кінетична енергія Е_к руху його молекул збільшується, а з наближенням Е_к до Е_п.мін речовина переходить у рідкий стан. Абсолютне значення внутрішньої енергії речовини в рідкому стані близьке до нуля (мал. 140, б).

З подальшим нагріванням тіла Е_к поступального руху стає більшою за енергію зв’язку молекул Е_к > Е_п.мін, сили міжмолекулярної взаємодії вже не можуть утримати молекули одна біля одної, і вони розлітаються по всьому наданому їм простору (об’єму), речовина переходить у газоподібний стан. Внутрішня енергія визначається практично тільки значенням кінетичної енергії (мал. 140, в).

Мал. 140. Порівняння повної (внутрішньої) енергії в різних агрегатних станах речовини

Отже, якщо Е_к < Е_п.мін, то речовина перебуває у твердому стані, якщо Е_к ≈ Е_п.мін — стан речовини рідкий, якщо Е_к > Е_п.мін — газоподібний.

Виникає запитання, чому за тієї самої температури одні речовини тверді, інші рідкі чи газоподібні? Пояснюється це тим, що, хоч вигляд потенціальної кривої для всіх речовин однаковий, глибина потенціальної ями і відстань рівноважного стану залежать від виду речовини.

Поняття фази речовини. Під час перетворення речовини з одного агрегатного стану в інший протягом деякого часу речовина може існувати в різних агрегатних станах (неоднорідна система). Для опису рівноважних станів неоднорідних систем вводять поняття фази речовини.

Однорідна речовина перебуває в одній фазі, наприклад, шматок льоду або краплина води. Якщо в закритій посудині міститься вода, у якій плавають шматочки льоду, то вода — це рідка фаза, лід — тверда, а суміш повітря й водяної пари над поверхнею води — газоподібна. Це приклад трифазної системи. Якщо до води додати олію, то матимемо систему з двома рідкими фазами, оскільки вода й олія не змішуються.

Різні агрегатні стани речовини є її різними фазами. Але поняття «фаза» — ширше, ніж агрегатний стан. Так, багато речовин у твердому агрегатному стані можуть мати кілька фаз, які відрізняються одна від одної своїми властивостями. Наприклад, алмаз і графіт є різними твердими фазами вуглецю.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Яка природа міжмолекулярних сил? Які властивості мають сили молекулярної взаємодії?
• 2. Як сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними?
• 3. Назвіть основні визначальні властивості газів, рідин, твердих тіл.
• 4. Опишіть характер руху та розміщення молекул у газах, рідинах і твердих тілах.
• 5. Яке співвідношення між кінетичною та потенціальною енергіями молекул для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини?
• 6. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах?

Експериментуємо

• Візьміть два невеликі скельця (найкраще — предметні скельця від мікроскопа) і добре витріть їхні поверхні сухою ганчіркою, щоб на них не було пилу, жиру та вологи. Складіть поверхні разом і, тримаючи одне з них у горизонтальному положенні, переконайтеся, що вони «злиплися». Поясніть це «злипання» скелець. Чому вони не тримаються разом, якщо їх попередньо не протерти? Чому дослід не вдається зі шматочками дерева чи металу?

§ 4. Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості твердих тіл, рідин та газів

1. Речовини в природі можуть перебувати в трьох агрегатних станах: у твердому, рідкому і газоподібному. Так, вода при певних значеннях температури може бути твердою (лід), рідкою (вода), газоподібною (пара). Ртуть, яка застосовується, наприклад, у відомому вам медичному термометрі, перебуває в рідкому стані; якщо її охолодити до температури нижче -39 °С, то вона стане твердою, а якщо нагріти вище 357 °С, то вона перетвориться в газ.

Із прикладів, які згадувалися вище, а також із ваших власних спостережень можна зробити висновок, що властивості тіл у різних агрегатних станах різні. Розглянемо їх.

2. Тверде тіло має певну форму і певний об’єм. Його важко стиснути або розтягнути; якщо його стиснути, а потім відпустити, то воно, як правило, відновлює свою форму і свій об’єм. Виняток становлять деякі речовини, твердий стан яких близький за своїми властивостями до рідин (пластилін, віск).

3. Наллємо рідину в банку, переллємо її з банки в склянку, а потім — у чашку. У всіх випадках рідина буде набувати форму посудини, в яку вона налита. Це говорить про те, що рідина в земних умовах (де діє сила тяжіння) не має власної форми. Тільки дуже маленькі краплі рідини мають свою форму — форму кулі.

Об’єм рідини змінити надзвичайно важко. Це можна перевірити, якщо набрати воду в насос, закрити отвір внизу і спробувати стиснути воду. Навряд чи ваші спроби виявляться вдалими. Це означає, що рідина має власний об’єм, який не змінюється при деформації.

4. На відміну від рідини об’єм газу змінити досить легко. Наприклад, стиснувши руками м’яч або повітряну кульку, ми міняємо об’єм повітря, що наповнює їх. Газ не має власного об’єму, він займає повністю об’єм посудини, в якій знаходиться. Те ж можна сказати і про форму газу.

З розглянутих прикладів можна зробити висновок:

тверді тіла зберігають власну форму і власний об’єм; рідини зберігають власний об’єм, але не мають власної форми; гази не мають ні власного об’єму, ні власної форми. Тверді тіла і рідини важко стиснути, гази легко стискаються.

5. Чому ж гази, рідини і тверді тіла мають такі різні властивості? Пояснити це можна, використовуючи знання про те, що речовини складаються з частинок (молекул, атомів, йонів), які перебувають в безперервному хаотичному русі та взаємодіють між собою.

Перш за все слід мати на увазі, що молекули речовини в різних агрегатних станах однакові. Так, лід, вода і водяна пара складаються з молекул води, які містять два атоми гідрогену і один атом оксигену. Отже, причину відмінності властивостей речовини в різних станах треба шукати в розташуванні, характері руху і взаємодії молекул.

Оскільки гази займають увесь наданий їм об’єм, то очевидно, що сили притягання між молекулами газу малі. А це означає, що молекули перебувають на порівняно великих відстанях одна від одної. В середньому відстані між молекулами газу в десятки разів більші за відстані між молекулами рідини. Це підтверджується тим, що гази легко стискаються.

Малі сили притягання впливають і на характер руху молекул газу. Молекула газу рухається прямолінійно до зіткнення з іншою молекулою, в результаті чого змінює напрямок свого руху і рухається прямолінійно до наступного зіткнення.

6. Тверді тіла важко стиснути. Це пов’язано з тим, що їхні молекули (атоми, йони) перебувають близько одна від одної і при невеликій зміні відстані між ними різко зростають сили відштовхування. Порівняно велике притягання між молекулами твердих тіл призводить до того, що вони зберігають форму та об’єм.

Атоми або молекули більшості твердих тіл розташовані в певному порядку і утворюють кристалічну ґратку. На рисунку 10 зображено кристалічну ґратку алмазу. У вузлах кристалічної ґратки (положеннях рівноваги частинок) розташовані атоми карбону (С). Частинки твердого тіла (атоми, молекули або йони) здійснюють коливальний рух відносно вузлів кристалічної ґратки.

Рис. 10

7. У рідинах молекули розташовані також досить близько одна від одної. Тому рідини зберігають свій об’єм і погано стискаються. Але оскільки рідини не зберігають свою форму, можна припустити, що сили притягання між молекулами рідини менші, ніж між молекулами твердого тіла. Характер руху молекул рідини дуже складний. Вони розмішуються не так упорядковано, як молекули твердих тіл, але в більшому порядку, ніж молекули газів. Молекули рідини здійснюють коливальний рух відносно положень рівноваги, однак із плином часу ці положення рівноваги змішуються, тобто молекули перескакують з місця на місце.

На рисунку 11 показано розташування молекул води в різних агрегатних станах: а) — у твердому, б) — в рідкому, в) — у газоподібному.

Рис. 11

Запитання для самоперевірки

• 1. Назвіть основні властивості твердих тіл; рідин; газів.
• 2. Користуючись рисунком 11, поясніть, чим відрізняється: а) будова газів, рідин і твердих тіл; б) характер руху молекул газів, рідин і твердих тіл; в) взаємодія молекул газів, рідин і твердих тіл.
• 3. Чому гази заповнюють увесь наданий їм об’єм?
• 4. Чому рідини погано стискаються?
• 5. Чому рідини не зберігають свою форму?
• 6. Чому тверді тіла зберігають форму та об’єм?

Завдання 4

• 1. Випишіть з тексту параграфа і наведіть свої приклади речовин, що перебувають у різних агрегатних станах при температурах 0 °С — 100 °С. Заповніть таблицю 2.

Тверда речовина

Рідка речовина

Газоподібна речовина

Агрегатний стан речовини

Власна форма

Власний об’єм

Відстань між молекулами

Сили взаємодії між молекулами

Характер руху молекул

• 3*. Наведіть приклади використання властивостей газів, рідин і твердих тіл у техніці.

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку та виконайте запропоновані в електронному додатку завдання.