Tri stavy hmoty: molekulárna štruktúra pevných látok, kvapalín a plynov. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies - Knowledge Hypermarket
1. Model štruktúry pevných látok. Zmena agregačných stavov hmoty. Kryštalické telá. Vlastnosti monokryštálov. Amorfné telá.
Pevná látka je stav agregácie látky, ktorý sa vyznačuje stálosťou tvaru a charakterom pohybu atómov, ktoré vykonávajú malé vibrácie okolo rovnovážnych polôh.
Pri absencii vonkajších vplyvov si pevné telo zachováva svoj tvar a objem.
Vysvetľuje sa to tým, že príťažlivosť medzi atómami (alebo molekulami) je väčšia ako u kvapalín (a najmä plynov). Atómy stačí udržiavať blízko ich rovnovážnych polôh.
Molekuly alebo atómy väčšiny pevných látok, ako je ľad, soľ, diamant a kovy, sú usporiadané v určitom poradí. Takéto pevné látky sa nazývajú kryštalický . Hoci sú častice týchto telies v pohybe, tieto pohyby predstavujú oscilácie okolo určitých bodov (rovnovážne polohy). Častice sa nemôžu pohybovať ďaleko od týchto bodov, takže pevná látka si zachováva svoj tvar a objem.
Navyše, na rozdiel od kvapalín, body rovnováhy atómov alebo iónov pevného telesa, ktoré sú spojené, sa nachádzajú vo vrcholoch pravidelnej priestorovej mriežky, ktorá je tzv. kryštalický.
Rovnovážne polohy, voči ktorým dochádza k tepelným vibráciám častíc, sa nazývajú uzly kryštálovej mriežky.
Monokryštál- pevné teleso, ktorého častice tvoria monokryštálovú mriežku (jednokryštál).
Jednou z hlavných vlastností monokryštálov, ktorá ich odlišuje od kvapalín a plynov, je anizotropia ich fyzikálne vlastnosti. Pod anizotropia označuje závislosť fyzikálnych vlastností od smeru v kryštáli . Anizotropné sú mechanické vlastnosti (napríklad je známe, že sľuda sa ľahko exfoliuje v jednom smere a veľmi ťažko v kolmom smere), elektrické vlastnosti (elektrická vodivosť mnohých kryštálov závisí od smeru), optické vlastnosti (fenomén dvojlom a dichroizmus - anizotropia absorpcie, takže napríklad jeden kryštál turmalínu je „zafarbený“ v rôznych farbách - zelenej a hnedej, v závislosti od toho, z ktorej strany sa naň pozeráte).
Polykryštál- tuhá látka pozostávajúca z náhodne orientovaných monokryštálov. Väčšina pevných látok, s ktorými sa stretávame v každodennom živote, sú polykryštalické - soľ, cukor, rôzne kovové výrobky. Náhodná orientácia tavených mikrokryštálov, z ktorých sú zložené, vedie k zániku anizotropie vlastností.
Kryštalické telesá majú určitú teplotu topenia.
Amorfné telá. Okrem kryštalických telies sa medzi tuhé látky zaraďujú aj amorfné telieska. Amorfný znamená v gréčtine „beztvarý“.
Amorfné telá- ide o pevné telesá, ktoré sa vyznačujú neusporiadaným usporiadaním častíc v priestore.
V týchto telách molekuly (alebo atómy) vibrujú okolo náhodne umiestnených bodov a ako molekuly kvapalín majú určitú ustálenú životnosť. Ale na rozdiel od tekutín je tento čas veľmi dlhý.
Medzi amorfné telesá patrí sklo, jantár, rôzne iné živice a plasty. Tieto telesá si síce pri izbovej teplote zachovajú svoj tvar, no so stúpajúcou teplotou postupne mäknú a začnú tiecť ako kvapaliny: Amorfné telesá nemajú určitú teplotu ani bod topenia.
V tom sa líšia od kryštalických telies, ktoré sa s rastúcou teplotou nepremieňajú postupne, ale náhle do kvapalného stavu (pri veľmi špecifickej teplote - bod topenia).
Všetky amorfné telá izotropný, t.j. majú rovnaké fyzikálne vlastnosti v rôznych smeroch. Pri náraze sa správajú ako pevné telesá – štiepia sa, a ak sú vystavené veľmi dlho, tečú.
V súčasnosti existuje veľa látok v amorfnom stave získaných umelo, napríklad amorfné a sklovité polovodiče, magnetické materiály a dokonca aj kovy.
2. Rozptyľovanie svetla. Typy spektier. Spektrograf a spektroskop. Spektrálna analýza. Druhy elektromagnetického žiarenia a ich využitie v železničnej doprave.
Lúč bieleho svetla prechádzajúci cez trojuholníkový hranol sa nielen odkláňa, ale aj rozkladá na zložkové farebné lúče.
Tento jav objavil Isaac Newton prostredníctvom série experimentov.
1. Model štruktúry kvapalín. Nasýtené a nenasýtené páry; závislosť tlaku nasýtených pár od teploty; varu. Vlhkosť vzduchu; rosný bod, vlhkomer, psychrometer.
Odparovanie - odparovanie, ku ktorému dochádza pri akejkoľvek teplote z voľného povrchu kvapaliny. Pri tepelnom pohybe pri akejkoľvek teplote kinetická energia molekúl kvapaliny výrazne neprevyšuje potenciálnu energiu ich spojenia s inými molekulami. Odparovanie je sprevádzané ochladzovaním kvapaliny. Rýchlosť vyparovania závisí od: otvoreného povrchu, teploty a koncentrácie molekúl v blízkosti kvapaliny.
Kondenzácia- proces prechodu látky z plynného do kvapalného skupenstva.
Odparovaním kvapaliny v uzavretej nádobe pri konštantnej teplote dochádza k postupnému zvyšovaniu koncentrácie molekúl vyparujúcej sa látky v plynnom stave. Po určitom čase po začiatku vyparovania dosiahne koncentrácia látky v plynnom stave hodnotu, pri ktorej sa počet molekúl vracajúcich sa do kvapaliny rovná počtu molekúl opúšťajúcich kvapalinu za rovnaký čas. Nainštalované dynamická rovnováha medzi procesmi vyparovania a kondenzácie hmoty.
Látka v plynnom stave, ktorá je v dynamickej rovnováhe s kvapalinou, sa nazýva nasýtená para. (Para je súhrn molekúl, ktoré opúšťajú kvapalinu počas procesu vyparovania.) Para pri tlaku pod nasýteným sa nazýva nenasýtená.
V dôsledku neustáleho vyparovania vody z povrchov nádrží, pôdy a vegetácie, ako aj dýchania ľudí a zvierat, atmosféra vždy obsahuje vodnú paru. Preto je atmosférický tlak súčtom tlaku suchého vzduchu a vodnej pary v ňom obsiahnutej. Tlak vodnej pary bude maximálny, keď je vzduch nasýtený parou. Nasýtená para sa na rozdiel od nenasýtenej pary neriadi zákonmi ideálneho plynu. Tlak nasýtených pár teda nezávisí od objemu, ale závisí od teploty. Táto závislosť sa nedá vyjadriť jednoduchým vzorcom, preto na základe experimentálneho štúdia závislosti tlaku nasýtenej pary od teploty boli zostavené tabuľky, z ktorých možno určiť jej tlak pri rôznych teplotách.
Tlak vodnej pary vo vzduchu pri danej teplote sa nazýva absolútna vlhkosť. Keďže tlak pary je úmerný koncentrácii molekúl, absolútnu vlhkosť možno definovať ako hustotu vodnej pary prítomnej vo vzduchu pri danej teplote, vyjadrenú v kilogramoch na meter kubický (p).
Relatívna vlhkosť je pomer hustoty vodnej pary (alebo tlaku) vo vzduchu pri danej teplote k hustote (alebo tlaku) vodnej pary pri danej teplote rovnakú teplotu, vyjadrenú v percentách, t.j.
Najpriaznivejšia pre človeka v stredných klimatických šírkach je relatívna vlhkosť 40-60%.
Znížením teploty vzduchu môže byť para v ňom privedená do nasýtenia.
rosný bodje teplota, pri ktorej sa para vo vzduchu nasýti. Pri dosiahnutí rosného bodu vo vzduchu alebo na predmetoch, s ktorými prichádza do styku, vodná para začne kondenzovať. Na stanovenie vlhkosti vzduchu sa používajú prístroje nazývané vlhkomery a psychrometre.
Štruktúra plynov, kvapalín a pevných látok. Vlastnosti štruktúry riešení. Pojem „reaktívne pole“
Teória štruktúry kvapalín: porovnanie so štruktúrou plynov a pevných látok Štruktúra (štruktúra) kvapalín. Štruktúra kvapalín je v súčasnosti predmetom podrobného štúdia fyzikálnych chemikov. Na výskum v tomto smere sa využívajú najmodernejšie metódy vrátane spektrálnych (IR, NMR, rozptyl svetla rôznych vlnových dĺžok), röntgenového rozptylu, kvantovomechanických a štatistických výpočtových metód atď. Teória kvapalín je oveľa menej rozvinutá ako teória plynov, pretože vlastnosti kvapalín závisia od geometrie a polarity vzájomne blízko umiestnených molekúl. Navyše chýbajúca špecifická štruktúra kvapalín sťažuje ich formalizovaný popis – vo väčšine učebníc je kvapalinám venovaný oveľa menej miesta ako plynom a kryštalickým pevným látkam. Aké sú vlastnosti každého z troch agregovaných stavov hmoty: tuhá látka, kvapalina a plyn. (stôl)
1) Pevné: telo si zachováva objem a tvar
2) Tekutiny si zachovávajú objem, ale ľahko menia tvar.
3) Plyn nemá tvar ani objem.
Tieto stavy tej istej látky sa nelíšia v druhu molekúl (je to rovnaké), ale v tom, ako sa molekuly nachádzajú a pohybujú.
1) V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami oveľa väčšia ako veľkosť samotných molekúl
2) Molekuly kvapaliny sa nerozptyľujú na veľké vzdialenosti a kvapalina si za normálnych podmienok zachováva svoj objem.
3) Častice pevných látok sú usporiadané v určitom poradí. Každá častica sa pohybuje okolo určitého bodu v kryštálovej mriežke ako hodinové kyvadlo, to znamená, že kmitá.
Kvapaliny pri poklese teploty tuhnú a keď vystúpia nad bod varu, prechádzajú do plynného skupenstva. Už tento fakt naznačuje, že kvapaliny zaujímajú medziľahlú polohu medzi plynmi a pevnými látkami, ktoré sa od oboch líšia. Kvapalina má však podobnosť s každým z týchto stavov.
Existuje teplota, pri ktorej hranica medzi plynom a kvapalinou úplne zmizne. Toto je takzvaný kritický bod. Pre každý plyn je známa teplota, nad ktorou nemôže byť pri žiadnom tlaku kvapalný; pri tejto kritickej teplote mizne hranica (meniskus) medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou. Existenciu kritickej teploty („absolútny bod varu“) stanovil D.I. Mendelejev v roku 1860. Druhou vlastnosťou, ktorá spája kvapaliny a plyny, je izotropia. To znamená, že na prvý pohľad možno predpokladať, že kvapaliny sú bližšie k plynom ako ku kryštálom. Kvapaliny sú rovnako ako plyny izotropné, t.j. ich vlastnosti sú vo všetkých smeroch rovnaké. Naopak, kryštály sú anizotropné: index lomu, stlačiteľnosť, pevnosť a mnohé ďalšie vlastnosti kryštálov v rôznych smeroch sú odlišné. Pevné kryštalické látky majú usporiadanú štruktúru s opakujúcimi sa prvkami, čo umožňuje ich štúdium röntgenovou difrakciou (metóda röntgenovej difrakcie, používaná od roku 1912).
Čo majú spoločné kvapaliny a plyny?
A) Izotropia. Vlastnosti kvapalín, podobne ako plynov, sú vo všetkých smeroch rovnaké, t.j. sú izotropné, na rozdiel od kryštálov, ktoré sú anizotropné.
B) Kvapaliny, podobne ako plyny, nemajú špecifický tvar a majú tvar nádoby (nízka viskozita a vysoká tekutosť).
Molekuly kvapalín aj plynov sa pohybujú pomerne voľne a navzájom sa zrážajú. Predtým sa verilo, že v rámci objemu obsadeného kvapalinou sa akákoľvek vzdialenosť presahujúca súčet ich polomerov považovala za rovnako pravdepodobnú, t.j. tendencia k usporiadanému usporiadaniu molekúl bola popretá. Kvapaliny a plyny boli teda do určitej miery proti kryštálom.
Ako výskum postupoval, narastajúci počet faktov naznačoval prítomnosť podobností medzi štruktúrou kvapalín a tuhých látok. Napríklad hodnoty tepelných kapacít a koeficientov stlačiteľnosti, najmä v blízkosti bodu topenia, sa navzájom prakticky zhodujú, zatiaľ čo tieto hodnoty pre kvapalinu a plyn sa výrazne líšia.
Už z tohto príkladu môžeme usúdiť, že obraz tepelného pohybu v kvapalinách pri teplote blízkej teplote tuhnutia pripomína tepelný pohyb v pevných látkach, a nie v plynoch. Spolu s tým možno zaznamenať také významné rozdiely medzi plynným a kvapalným stavom hmoty. V plynoch sú molekuly rozmiestnené po priestore úplne chaoticky, t.j. druhý sa považuje za príklad bezštruktúrneho vzdelávania. Kvapalina má stále určitú štruktúru. Experimentálne to potvrdzuje röntgenová difrakcia, ktorá ukazuje aspoň jedno jasné maximum. Štruktúra kvapaliny je spôsob, akým sú jej molekuly rozložené v priestore. Tabuľka ilustruje podobnosti a rozdiely medzi plynným a kvapalným stavom.
Plynná fáza Kvapalná fáza
1. Vzdialenosť medzi molekulami l je zvyčajne (pre nízke tlaky) oveľa väčšia ako polomer molekuly r: l r ; Takmer celý objem V obsadený plynom je voľný objem. V kvapalnej fáze je naopak l 2. Priemerná kinetická energia častíc rovná 3/2kT je väčšia ako potenciálna energia U ich medzimolekulovej interakcie Potenciálna energia interakcie molekúl je väčšia ako priemerná kinetická energia ich pohybu: U3/2 kT
3. Častice sa zrážajú počas svojho translačného pohybu, faktor frekvencie zrážky závisí od hmotnosti častíc, ich veľkosti a teploty. Každá častica prechádza oscilačným pohybom v klietke, ktorú vytvárajú molekuly, ktoré ju obklopujú. Amplitúda vibrácií a závisí od voľného objemu a (Vf/ L)1/3
4. Difúzia častíc nastáva v dôsledku ich translačného pohybu, koeficient difúzie D 0,1 - 1 cm2/s (p 105 Pa) a závisí od tlaku plynu
(D p-1) Difúzia nastáva ako výsledok skoku častice z jednej bunky do druhej s aktivačnou energiou ED,
D e-ED/RT v neviskóznych kvapalinách
D 0,3 - 3 cm2/deň.
5. Častica sa voľne otáča, frekvencia rotácie r je určená len momentmi zotrvačnosti častice a teplotou, frekvencia rotácie r T1/2 Rotácia je brzdená stenami bunky, rotácia častica je sprevádzaná prekonaním potenciálovej bariéry Er, ktorá závisí od síl medzimolekulovej interakcie, vr e- Er/RT
Kvapalné skupenstvo je však v mnohých dôležitých ukazovateľoch blízke pevnému skupenstva (kvázikryštalinita). Hromadenie experimentálnych faktov naznačilo, že kvapaliny a kryštály majú veľa spoločného. Fyzikálno-chemické štúdie jednotlivých kvapalín ukázali, že takmer všetky majú niektoré prvky kryštalickej štruktúry.
Po prvé, medzimolekulové vzdialenosti v kvapaline sú blízke vzdialenostiam v pevnej látke. Dokazuje to skutočnosť, že keď sa roztopí, objem látky sa mierne zmení (zvyčajne sa nezväčší o viac ako 10%). Po druhé, energia medzimolekulovej interakcie v kvapaline a v pevnej látke sa mierne líši. Vyplýva to zo skutočnosti, že teplo topenia je oveľa menšie ako teplo vyparovania. Napríklad pre vodu Hpl = 6 kJ/mol a Hsp = 45 kJ/mol; pre benzén Hpl = 11 kJ/mol a Hsp = 48 kJ/mol.
Po tretie, tepelná kapacita látky sa počas topenia mení veľmi málo, t.j. je blízko pre oba tieto štáty. Z toho vyplýva, že povaha pohybu častíc v kvapaline je blízka pohybu v pevnej látke. Po štvrté, kvapalina, podobne ako tuhá látka, dokáže vydržať veľké ťahové sily bez toho, aby sa zlomila.
Rozdiel medzi kvapalinou a pevnou látkou je tekutosť: pevná látka si zachováva svoj tvar, kvapalina ho ľahko mení aj pod vplyvom malej sily. Tieto vlastnosti vyplývajú z takých štrukturálnych vlastností kvapaliny, ako sú silné medzimolekulové interakcie, usporiadanie molekúl s krátkym dosahom a schopnosť molekúl relatívne rýchlo meniť svoju polohu. Keď sa kvapalina zahrieva z bodu mrazu do bodu varu, jej vlastnosti sa zahrievaním postupne menia, jej podobnosť s plynom sa postupne zvyšuje.
Každý z nás si ľahko vybaví mnohé látky, ktoré považuje za tekutiny. Presnú definíciu tohto skupenstva však nie je také jednoduché, keďže kvapaliny majú také fyzikálne vlastnosti, že sa v niektorých ohľadoch podobajú na pevné látky a v iných na plyny. Podobnosti medzi kvapalinami a tuhými látkami sú najvýraznejšie v sklovitých materiáloch. Ich prechod z pevnej látky na kvapalinu so zvyšujúcou sa teplotou nastáva postupne, a nie ako výrazný bod topenia, jednoducho sa stávajú mäkšími, takže nie je možné určiť, v ktorom teplotnom rozsahu by sa mali nazývať pevné látky a v ktorých kvapalinách. Môžeme len povedať, že viskozita sklovitej látky v kvapalnom stave je nižšia ako v pevnom stave. Pevné sklá sa preto často nazývajú podchladené kvapaliny. Zrejme najcharakteristickejšou vlastnosťou kvapalín, ktorá ich odlišuje od pevných látok, je nízka viskozita, t.j. vysoký obrat. Vďaka nej nadobúdajú tvar nádoby, do ktorej sa nalievajú. Na molekulárnej úrovni znamená vysoká tekutosť relatívne väčšiu voľnosť tekutých častíc. V tomto ohľade sa kvapaliny podobajú plynom, hoci sily medzimolekulovej interakcie medzi kvapalinami sú väčšie, molekuly sú umiestnené bližšie k sebe a ich pohyb je obmedzenejší.
K tomu sa dá pristupovať inak – z hľadiska myšlienky rádu na veľké a krátke vzdialenosti. Ďalekodosahové usporiadanie existuje v kryštalických tuhých látkach, ktorých atómy sú usporiadané striktne usporiadaným spôsobom a tvoria trojrozmerné štruktúry, ktoré možno získať mnohonásobným opakovaním základnej bunky. V kvapalinách a skle nie je poriadok na veľké vzdialenosti. To však neznamená, že sa vôbec neobjednajú. Počet najbližších susedov pre všetky atómy je takmer rovnaký, ale usporiadanie atómov, keď sa vzďaľujú od akejkoľvek vybranej polohy, sa stáva čoraz chaotickejším. Poriadok teda existuje len na krátke vzdialenosti, odtiaľ názov: poriadok na krátke vzdialenosti. Adekvátny matematický popis štruktúry kvapaliny možno poskytnúť iba pomocou štatistickej fyziky. Napríklad, ak kvapalina pozostáva z rovnakých guľovitých molekúl, potom jej štruktúru možno opísať pomocou radiálnej distribučnej funkcie g(r), ktorá udáva pravdepodobnosť detekcie akejkoľvek molekuly vo vzdialenosti r od danej molekuly zvolenej ako referenčný bod. Táto funkcia sa dá zistiť experimentálne štúdiom difrakcie röntgenových lúčov alebo neutrónov a s príchodom vysokorýchlostných počítačov sa začala počítať pomocou počítačovej simulácie na základe existujúcich údajov o povahe síl pôsobiacich medzi molekulami, alebo na predpokladoch o týchto silách, ako aj na Newtonových zákonoch mechaniky . Porovnaním radiálnych distribučných funkcií získaných teoreticky a experimentálne je možné overiť správnosť predpokladov o charaktere medzimolekulových síl.
V organických látkach, ktorých molekuly majú pretiahnutý tvar, sa v jednom alebo druhom rozsahu teplôt niekedy nachádzajú oblasti kvapalnej fázy s orientáciou na veľké vzdialenosti, čo sa prejavuje tendenciou k paralelnému zarovnaniu dlhých osí molekuly. V tomto prípade môže byť orientačné usporiadanie sprevádzané koordinačným usporiadaním centier molekúl. Kvapalné fázy tohto typu sa zvyčajne nazývajú tekuté kryštály. Kvapalný kryštalický stav je stredný medzi kryštalickým a kvapalným. Kvapalné kryštály majú tekutosť aj anizotropiu (optické, elektrické, magnetické). Niekedy sa tento stav nazýva mezomorfný (mezofáza) - kvôli absencii usporiadania na veľké vzdialenosti. Horná hranica existencie je teplota čistenia (izotropná kvapalina). Termotropné (mezogénne) FA existujú nad určitou teplotou. Typické sú kyanobifenyly. Lyotropné - pri rozpustení sú to napríklad vodné roztoky mydiel, polypeptidov, lipidov, DNA.
Štúdium tekutých kryštálov (mezofáza - topenie v dvoch stupňoch - zakalená tavenina, potom priehľadná, prechod z kryštalickej fázy do kvapaliny cez intermediárnu formu s anizotropnými optickými vlastnosťami) je dôležité pre technologické účely - displej z tekutých kryštálov.
Molekuly v plyne sa pohybujú chaoticky (náhodne). V plynoch je vzdialenosť medzi atómami alebo molekulami v priemere mnohonásobne väčšia ako veľkosť samotných molekúl. Molekuly v plyne sa pohybujú vysokou rýchlosťou (stovky m/s). Keď sa zrazia, odrazia sa od seba ako absolútne elastické gule a menia veľkosť a smer rýchlostí. Pri veľkých vzdialenostiach medzi molekulami sú príťažlivé sily malé a nie sú schopné udržať molekuly plynu blízko seba. Preto sa plyny môžu neobmedzene rozširovať. Plyny sa ľahko stláčajú, priemerná vzdialenosť medzi molekulami sa zmenšuje, no stále zostáva väčšia ako ich veľkosť. Plyny si nezachovajú tvar ani objem; ich objem a tvar sa zhodujú s objemom a tvarom nádoby, ktorú napĺňajú. Početné dopady molekúl na steny nádoby vytvárajú tlak plynu.
Molekuly kvapaliny sú umiestnené takmer blízko seba. Kvapaliny sa preto veľmi ťažko stláčajú a zachovávajú si svoj objem. Molekuly kvapaliny vibrujú okolo rovnovážnej polohy. Z času na čas molekula prechádza z jedného stacionárneho stavu do druhého, zvyčajne v smere pôsobenia vonkajšej sily. Čas ustáleného stavu molekuly je krátky a s rastúcou teplotou klesá a čas prechodu molekuly do nového ustáleného stavu je ešte kratší. Kvapaliny sú preto tekuté, nezachovávajú si svoj tvar a nadobúdajú tvar nádoby, do ktorej sa nalievajú.
Kinetická teória kvapalín Kinetická teória kvapalín, ktorú vypracoval Ya I. Frenkel, považuje kvapalinu za dynamický systém častíc, čiastočne pripomínajúci kryštalický stav. Pri teplotách blízkych bodu topenia sa tepelný pohyb v kvapaline redukuje hlavne na harmonické vibrácie častíc okolo určitých priemerných rovnovážnych polôh. Na rozdiel od kryštalického stavu sú tieto rovnovážne polohy molekúl v kvapaline dočasné pre každú molekulu. Po oscilácii okolo jednej rovnovážnej polohy po určitú dobu t molekula preskočí do novej polohy umiestnenej v blízkosti. K takémuto skoku dochádza pri výdaji energie U, preto doba „ustálenej životnosti“ t závisí od teploty nasledovne: t = t0 eU/RT, kde t0 je perióda jednej oscilácie okolo rovnovážnej polohy. Pre vodu pri izbovej teplote t » 10-10 s, t0 = 1,4 x 10-12 s, t.j. jedna molekula po dokončení asi 100 vibrácií preskočí do novej polohy, kde ďalej osciluje. Z údajov o rozptyle röntgenového žiarenia a neutrónov je možné vypočítať funkciu hustoty rozloženia častíc v závislosti od vzdialenosti r od jednej častice zvolenej ako stred. V prítomnosti rádu s dlhým dosahom v kryštalickej pevnej látke má funkcia (r) množstvo jasných maxím a miním. V kvapaline sa vďaka vysokej pohyblivosti častíc zachováva len poriadok na krátke vzdialenosti. Z röntgenových difrakčných obrazcov kvapalín to jasne vyplýva: funkcia (r) pre kvapalinu má prvé maximum jasné, druhé maximum je rozmazané a potom (r) = konšt. Kinetická teória opisuje topenie nasledovne. V kryštálovej mriežke tuhej látky je vždy malé množstvo voľných miest (dier), ktoré pomaly putujú okolo kryštálu. Čím bližšie je teplota k bodu topenia, tým vyššia je koncentrácia „dier“ a tým rýchlejšie sa pohybujú cez vzorku. V bode topenia proces tvorby „dier“ nadobúda lavínovitý kooperatívny charakter, systém častíc sa stáva dynamickým, mizne ďalekonosný poriadok a objavuje sa tekutosť. Rozhodujúcu úlohu pri tavení zohráva tvorba voľného objemu v kvapaline, vďaka čomu je systém tekutý. Najdôležitejší rozdiel medzi kvapalinou a pevným kryštalickým telesom je v tom, že v kvapaline je voľný objem, ktorého značná časť má formu fluktuácií („diery“), ktorých putovanie kvapalinou jej dáva napr. charakteristická kvalita ako tekutosť. Počet takýchto „dier“, ich objem a pohyblivosť závisia od teploty. Pri nízkych teplotách sa kvapalina, ak sa nepremenila na kryštalické teleso, stáva amorfnou pevnou látkou s veľmi nízkou tekutosťou v dôsledku zníženia objemu a pohyblivosti „dier“. Spolu s kinetickou teóriou sa v posledných desaťročiach úspešne rozvíja aj štatistická teória kvapalín.
Štruktúra ľadu a vody. Najdôležitejšou a najbežnejšou kvapalinou za normálnych podmienok je voda. Toto je najbežnejšia molekula na Zemi! Je to vynikajúce rozpúšťadlo. Napríklad všetky biologické tekutiny obsahujú vodu. Voda rozpúšťa mnohé anorganické (soli, kyseliny, zásady) a organické látky (alkoholy, cukry, karboxylové kyseliny, amíny). Aká je štruktúra tejto kvapaliny? Opäť sa budeme musieť vrátiť k problematike, ktorou sme sa zaoberali v prvej prednáške, a to k takej špecifickej medzimolekulovej interakcii, akou je vodíková väzba. Voda, v kvapalnej aj kryštalickej forme, vykazuje anomálne vlastnosti práve kvôli prítomnosti mnohých vodíkových väzieb. Aké sú tieto anomálne vlastnosti: vysoký bod varu, vysoký bod topenia a vysoká entalpia vyparovania. Pozrime sa najprv na graf, potom na tabuľku a potom na diagram vodíkovej väzby medzi dvoma molekulami vody. V skutočnosti každá molekula vody koordinuje okolo seba 4 ďalšie molekuly vody: dve vďaka kyslíku, ako donor dvoch osamelých elektrónových párov dvom protónovaným vodíkom, a dve vďaka protónovaným vodíkom, koordinovaným s kyslíkmi iných molekúl vody. V predchádzajúcej prednáške som vám ukázal diapozitív s grafmi teploty topenia, teploty varu a entalpie odparovania hydridov skupiny VI v závislosti od obdobia. Tieto závislosti majú jasnú anomáliu pre hydrid kyslíka. Všetky tieto parametre pre vodu sú výrazne vyššie ako parametre predpovedané z takmer lineárnej závislosti pre nasledujúce hydridy síry, selénu a telúru. Vysvetlili sme to existenciou vodíkovej väzby medzi protónovaným vodíkom a akceptorom elektrónovej hustoty – kyslíkom. Vodíková väzba sa najúspešnejšie študuje pomocou vibračnej infračervenej spektroskopie. Voľná OH skupina má charakteristickú vibračnú energiu, ktorá spôsobuje, že O-H väzba sa striedavo predlžuje a skracuje, čím vzniká charakteristický pás v infračervenom absorpčnom spektre molekuly. Ak je však OH skupina zapojená do vodíkovej väzby, atóm vodíka sa zviaže atómami na oboch stranách a tým sa jeho vibrácie „utlmia“ a frekvencia sa zníži. Nasledujúca tabuľka ukazuje, že zvýšenie sily a „koncentrácie“ vodíkovej väzby vedie k zníženiu frekvencie absorpcie. Na vyššie uvedenom obrázku krivka 1 zodpovedá maximu infračerveného absorpčného spektra O-H skupín v ľade (kde sú všetky H-väzby spojené); krivka 2 zodpovedá maximu infračerveného absorpčného spektra O-H skupín jednotlivých molekúl H2O rozpustených v CCl4 (kde nie sú H väzby - roztok H2O v CCl4 je príliš zriedený); a krivka 3 zodpovedá absorpčnému spektru kvapalnej vody. Ak by v tekutej vode boli dva typy skupín O-H – tie, ktoré tvoria vodíkové väzby a tie, ktoré nie – a niektoré skupiny O-H vo vode by vibrovali rovnakým spôsobom (s rovnakou frekvenciou) ako v ľade (kde tvoria H-). väzby) a iné - ako v prostredí CCl4 (kde netvoria H-väzby). Potom by spektrum vody malo dve maximá, zodpovedajúce dvom stavom skupín O-H, ich dvom charakteristickým vibračným frekvenciám: s frekvenciou, pri ktorej skupina vibruje, absorbuje svetlo. Ale nie je dodržaný „dvojitý“ obraz! Namiesto toho na krivke 3 vidíme jedno, veľmi rozmazané maximum, siahajúce od maxima krivky 1 po maximum krivky 2. To znamená, že všetky skupiny O-H v kvapalnej vode tvoria vodíkové väzby – ale všetky tieto väzby majú inú energiu,“ voľné“ (majú rôznu energiu) a rôznymi spôsobmi. To ukazuje, že obraz, na ktorom sú niektoré vodíkové väzby vo vode prerušené a niektoré sú zachované, je, prísne vzaté, nesprávny. Na popis termodynamických vlastností vody je však taký jednoduchý a pohodlný, že má široké využitie – a ešte sa k nemu obrátime. Ale musíme mať na pamäti, že to nie je úplne presné.
IR spektroskopia je teda výkonná metóda na štúdium vodíkových väzieb a pomocou tejto spektrálnej metódy sa získa veľa informácií o štruktúre kvapalín a pevných látok, ktoré sú s ňou spojené. Výsledkom je, že pre tekutú vodu je model podobný ľadu (model O.Ya. Samoilova) jedným z najbežnejších. Kvapalná voda má podľa tohto modelu ľadovitý štvorsten narušený tepelným pohybom (dôkaz a dôsledok tepelného pohybu - Brownov pohyb, ktorý prvýkrát pozoroval anglický botanik Robert Brown v roku 1827 na peli pod mikroskopom) (každá voda molekula v ľadovom kryštáli je spojená vodíkovými väzbami so zníženou energiou v porovnaní s ľadom - „voľnými“ vodíkovými väzbami) so štyrmi molekulami vody, ktoré ju obklopujú), dutiny tohto rámu sú čiastočne vyplnené molekulami vody a molekulami vody umiestnené v dutinách a v uzloch ľadového rámu sú energeticky nerovnaké.
Na rozdiel od vody sú v kryštáloch ľadu v uzloch kryštálovej mriežky molekuly vody rovnakej energie a môžu vykonávať iba vibračné pohyby. V takomto kryštáli existuje poriadok na krátke aj na dlhé vzdialenosti. V kvapalnej vode (ako v polárnej kvapaline) sú niektoré prvky kryštálovej štruktúry zachované (a dokonca aj v plynnej fáze sú molekuly kvapaliny usporiadané do malých, nestabilných zhlukov), ale neexistuje žiadne usporiadanie na veľké vzdialenosti. Štruktúra kvapaliny sa teda líši od štruktúry plynu v prítomnosti rádu krátkeho dosahu, ale líši sa od štruktúry kryštálu v neprítomnosti rádu s dlhým dosahom. Najpresvedčivejšie to dokazuje štúdium röntgenového rozptylu. Traja susedia každej molekuly v kvapalnej vode sa nachádzajú v jednej vrstve a sú od nej vo väčšej vzdialenosti (0,294 nm) ako štvrtá molekula od susednej vrstvy (0,276 nm). Každá molekula vody v štruktúre podobnej ľadu tvorí jednu zrkadlovo symetrickú (silnú) a tri centrálne symetrické (menej silné) väzby. Prvý sa vzťahuje na väzby medzi molekulami vody danej vrstvy a susednými vrstvami, zvyšok - na väzby medzi molekulami vody tej istej vrstvy. Preto je štvrtina všetkých spojení zrkadlovo symetrická a tri štvrtiny sú centrálne symetrické. Predstavy o tetraedrickom prostredí molekúl vody viedli k záveru o vysokej jemnosti jej štruktúry a prítomnosti dutín v nej, ktorých rozmery sú rovnaké alebo väčšie ako rozmery molekúl vody.
Prvky štruktúry kvapalnej vody. a - elementárny vodný štvorsten (prázdne krúžky - atómy kyslíka, čierne polovice - možné polohy protónov na vodíkovej väzbe); b - zrkadlovo symetrické usporiadanie štvorstenov; c - centrálne symetrické usporiadanie; d - umiestnenie kyslíkových centier v štruktúre obyčajného ľadu. Voda sa vyznačuje výraznými silami medzimolekulovej interakcie v dôsledku vodíkových väzieb, ktoré tvoria priestorovú sieť. Ako sme si povedali v predchádzajúcej prednáške, vodíková väzba je spôsobená schopnosťou atómu vodíka spojeného s elektronegatívnym prvkom vytvoriť ďalšiu väzbu s elektronegatívnym atómom inej molekuly. Vodíková väzba je relatívne silná a predstavuje niekoľko 20-30 kilojoulov na mol. Z hľadiska pevnosti zaujíma medzičlánok medzi van der Waalsovou energiou a energiou typickej iónovej väzby. V molekule vody je energia chemickej väzby H-O 456 kJ/mol a energia vodíkovej väzby H…O je 21 kJ/mol.
Zlúčeniny vodíka
Molekulová hmotnosť Teplota, C
Mraziacim varom
H2Te 130-51-4
H2Se 81-64-42
H2S 34-82-61
H2O 18 0! +100!
Ľadová štruktúra. Normálny ľad. Bodkovaná čiara - H-väzby. V prelamovanej štruktúre ľadu sú viditeľné malé dutiny obklopené molekulami H2O.
Štruktúra ľadu je teda prelamovaná štruktúra molekúl vody, ktoré sú navzájom spojené iba vodíkovými väzbami. Usporiadanie molekúl vody v štruktúre ľadu určuje prítomnosť širokých kanálov v štruktúre. Keď sa ľad topí, molekuly vody „padajú“ do týchto kanálov, čo vysvetľuje zvýšenie hustoty vody v porovnaní s hustotou ľadu. Ľadové kryštály sa vyskytujú vo forme pravidelných šesťuholníkových dosiek, tabuľkových útvarov a zrastov zložitých tvarov. Štruktúra normálneho ľadu je diktovaná vodíkovými H väzbami: je to dobré pre geometriu týchto väzieb (O-H smeruje priamo k O), ale nie také dobré pre tesný Vander Waalsov kontakt molekúl H2O. Preto je štruktúra ľadu prelamovaná, molekuly H2O obklopujú mikroskopické póry (menšie ako molekula H2O). Čipkovaná štruktúra ľadu vedie k dvom dobre známym efektom: (1) ľad je menej hustý ako voda, pláva v ňom; a (2) pod silným tlakom - napríklad čepeľ korčule roztopí ľad. Väčšina vodíkových väzieb, ktoré existujú v ľade, je zachovaná aj v tekutej vode. Vyplýva to z malého tepla topenia ľadu (80 cal/g) v porovnaní s teplom varu vody (600 cal/g pri 0 °C). Dalo by sa povedať, že v tekutej vode sa preruší iba 80/(600+80) = 12 % H-väzieb existujúcich v ľade. Avšak tento obraz – že niektoré vodíkové väzby vo vode sú prerušené a niektoré sú zachované – nie je úplne presný: skôr sa všetky vodíkové väzby vo vode uvoľňujú. Dobre to ilustrujú nasledujúce experimentálne údaje.
Štruktúra riešení. Od konkrétnych príkladov pre vodu prejdime k iným kvapalinám. Rôzne kvapaliny sa navzájom líšia veľkosťou molekúl a povahou medzimolekulových interakcií. V každej špecifickej kvapaline teda existuje určitá pseudokryštalická štruktúra, ktorá sa vyznačuje usporiadaním krátkeho dosahu a do určitej miery pripomína štruktúru získanú, keď kvapalina zamrzne a zmení sa na pevnú látku. Pri rozpustení inej látky, t.j. Pri vzniku roztoku sa mení charakter medzimolekulových interakcií a objavuje sa nová štruktúra s iným usporiadaním častíc ako v čistom rozpúšťadle. Táto štruktúra závisí od zloženia roztoku a je špecifická pre každé konkrétne riešenie. Vznik kvapalných roztokov je zvyčajne sprevádzaný solvatačným procesom, t.j. zoradenie molekúl rozpúšťadla okolo molekúl rozpustenej látky v dôsledku pôsobenia medzimolekulových síl. Existujú solvatácie krátkeho a dlhého dosahu, t.j. Okolo molekúl (častíc) rozpustenej látky sa vytvárajú primárne a sekundárne solvatačné obaly. V primárnej solvatačnej vrstve sú v tesnej blízkosti molekuly rozpúšťadla, ktoré sa pohybujú spolu s molekulami rozpustenej látky. Počet molekúl rozpúšťadla umiestnených v primárnej solvatačnej vrstve sa nazýva solvatačné koordinačné číslo, ktoré závisí od povahy rozpúšťadla a od povahy rozpustenej látky. Sekundárny solvatačný obal zahŕňa molekuly rozpúšťadla, ktoré sú umiestnené vo výrazne väčších vzdialenostiach a ovplyvňujú procesy prebiehajúce v roztoku v dôsledku interakcie s primárnym solvatačným obalom.
Pri zvažovaní stability solvátov sa rozlišuje medzi kinetickou a termodynamickou stabilitou.
Vo vodných roztokoch sú kvantitatívnymi charakteristikami kinetickej hydratácie (O.Ya. Samoilov) hodnoty i/ a Ei=Ei-E, kde i a sú priemerné doby zotrvania molekúl vody v rovnováhe. v blízkosti i-tého iónu a v čistej vode a Ei a E sú aktivačná energia výmeny a aktivačná energia samodifúzneho procesu vo vode. Tieto množstvá sú vo vzájomnom vzťahu v približnom vzťahu:
i/ exp(Ei/RT) V tomto prípade
ak EI 0, i/ 1 (výmena molekúl vody najbližšie k iónu prebieha menej často (pomalšie) ako výmena medzi molekulami v čistej vode) – pozitívna hydratácia
ak EI 0, i/ 1 (výmena molekúl vody najbližšie k iónu prebieha častejšie (rýchlejšie) ako výmena medzi molekulami v čistej vode) – negatívna hydratácia
Takže pre lítiový ión EI = 1,7 kJ/mol a pre cézny ión Ei = - 1,4 kJ/mol, t.j. malý „tvrdý“ ión lítia drží molekuly vody silnejšie ako veľký a „difúzny“ cézny ión s rovnakým nábojom. Termodynamická stabilita výsledných solvátov je určená zmenou Gibbsovej energie počas solvatácie (solvG) = (solvH) - T(solvS). Čím je táto hodnota zápornejšia, tým je solvát stabilnejší. Toto je určené hlavne zápornými hodnotami solvatačnej entalpie.
Pojem riešení a teórie riešení. Skutočné roztoky sa získavajú spontánne, keď sa dve alebo viac látok dostanú do kontaktu v dôsledku deštrukcie väzieb medzi časticami jedného typu a vytvárania väzieb iného typu a distribúcie látky v celom objeme v dôsledku difúzie. Roztoky sa podľa vlastností delia na ideálne a skutočné, roztoky elektrolytov a neelektrolytov, zriedené a koncentrované, nenasýtené, nasýtené a presýtené. Vlastnosti rastrov závisia od povahy a veľkosti MMF. Tieto interakcie môžu byť fyzikálnej povahy (van der Waalsove sily) a komplexnej fyzikálno-chemickej povahy (vodíková väzba, iónovo-molekulárne komplexy, komplexy prenosu náboja atď.). Proces tvorby roztoku je charakterizovaný súčasným prejavom príťažlivých a odpudivých síl medzi interagujúcimi časticami. Pri absencii odpudivých síl by sa častice zlúčili (zlepili) a kvapaliny by sa mohli stláčať donekonečna, bez príťažlivých síl by sa nedali získať kvapaliny alebo pevné látky. V predchádzajúcej prednáške sme sa pozreli na fyzikálne a chemické teórie roztokov.
Vytvorenie jednotnej teórie riešení však naráža na značné ťažkosti a v súčasnosti ešte nie je vytvorená, hoci výskum prebieha pomocou najmodernejších metód kvantovej mechaniky, štatistickej termodynamiky a fyziky, kryštálovej chémie, röntgenovej difrakcie. analýzy, optické metódy a metódy NMR. Reaktívne pole. Pokračujúc v úvahách o silách medzimolekulovej interakcie, uvažujme o koncepte „reaktívneho poľa“, ktoré je dôležité pre pochopenie štruktúry a štruktúry kondenzovanej hmoty a reálnych plynov, najmä kvapalného stavu, a teda celej fyzikálnej chémie. kvapalných roztokov.
Reaktívne pole sa vyskytuje v zmesiach polárnych a nepolárnych molekúl, napríklad pri zmesiach uhľovodíkov a nafténových kyselín. Polárne molekuly ovplyvňujú pole určitej symetrie (symetria poľa je určená symetriou voľných molekulových orbitálov) a intenzity H na nepolárne molekuly. Tieto sú polarizované v dôsledku oddelenia náboja, čo vedie k vzniku (indukcii) dipólu. Molekula s indukovaným dipólom zasa ovplyvňuje polárnu molekulu, pričom mení jej elektromagnetické pole, t.j. excituje reaktívne (reakčné) pole. Vznik reaktívneho poľa vedie k zvýšeniu interakčnej energie častíc, čo sa prejavuje vytvorením silných solvatačných obalov polárnych molekúl v zmesi polárnych a nepolárnych molekúl.
Energia reaktívneho poľa sa vypočíta podľa tohto vzorca: kde:
znak „-“ - určuje príťažlivosť molekúl
S – statická elektrická permitivita
nekonečné – dielektrická konštanta v dôsledku elektronickej a atómovej polarizovateľnosti molekúl
NA - Avogadrove číslo
VM – objem, ktorý zaberá 1 mol polárnej látky v izotropnej kvapaline v = dipólový moment
ER - energia 1 mólu polárnej látky v roztoku
Koncept „reaktívneho poľa“ nám umožní lepšie pochopiť štruktúru čistých kvapalín a roztokov. Kvantovo-chemický prístup k štúdiu reaktívneho poľa bol vyvinutý v prácach M. V. Bazilevského a jeho kolegov z Vedecko-výskumného ústavu fyziky a chémie pomenovaného po ňom. L. Ya Karpova Tak, problém tekutého stavu čaká jeho mladých výskumníkov. Karty sú vo vašich rukách.
V predchádzajúcich dvoch odsekoch sme skúmali štruktúru a vlastnosti pevných látok – kryštalických a amorfných. Prejdime teraz k štúdiu štruktúry a vlastností kvapalín.
Charakteristickým znakom kvapaliny je plynulosť– schopnosť meniť tvar v krátkom čase pod vplyvom aj malých síl. Vďaka tomu tekutiny prúdia v prúdoch, prúdia prúdmi a nadobúdajú tvar nádoby, do ktorej sa nalievajú.
Schopnosť meniť tvar sa v rôznych kvapalinách prejavuje rôzne. Pozrite sa na obrázok. Vplyvom približne rovnakej gravitácie trvá medu dlhšie zmeniť svoj tvar ako vode. Preto hovoria, že tieto látky majú nerovnaké viskozita: med má viac ako voda. Vysvetľuje to nerovnako zložitá štruktúra molekúl vody a medu. Voda sa skladá z molekúl, ktoré pripomínajú hrudkovité guľôčky, zatiaľ čo med sa skladá z molekúl, ktoré vyzerajú ako konáre stromov. Preto, keď sa med pohybuje, „vetvy“ jeho molekúl do seba zapadajú, čo mu dáva väčšiu viskozitu ako voda.
Dôležité: mení tvar, kvapalina si zachováva svoj objem. Uvažujme o experimente (pozri obrázok). Kvapalina v kadičke má tvar valca a objem 300 ml. Po naliatí do misky tekutina nadobudla plochý tvar, no zachovala si rovnaký objem: 300 ml. To sa vysvetľuje príťažlivosťou a odpudzovaním jeho častíc: v priemere zostávajú v rovnakej vzdialenosti od seba.
Ešte jeden Spoločnou vlastnosťou všetkých kvapalín je ich podriadenie sa Pascalovmu zákonu. V 7. ročníku sme sa naučili, že opisuje vlastnosť kvapalín a plynov prenášať na ne vyvíjaný tlak všetkými smermi (pozri § 4-c). Teraz si všimnite, že menej viskózne kvapaliny to robia rýchlo, zatiaľ čo viskózne tekutiny to trvajú dlho.
Štruktúra kvapalín. V molekulárnej kinetickej teórii sa verí, že v kvapalinách, rovnako ako v amorfných telesách, neexistuje striktný poriadok v usporiadaní častíc, to znamená, že nie sú rovnako husté. Medzery majú rôzne veľkosti, vrátane takých, aby sa tam zmestili ďalšie častice. To im umožňuje skákať z „husto obývaných“ miest na voľnejšie miesta. Skákanie každej kvapalnej častice sa vyskytuje veľmi často: niekoľko miliárd krát za sekundu.
Ak na kvapalinu pôsobí nejaká vonkajšia sila (napríklad gravitácia), k pohybu a skákaniu častíc dôjde najmä v smere jej pôsobenia (dole). To spôsobí, že kvapalina bude mať formu podlhovastej kvapky alebo tečúceho prúdu (pozri obrázok). takže, Tekutosť kvapalín sa vysvetľuje skokmi ich častíc z jednej stabilnej polohy do druhej.
Skoky kvapalných častíc sa vyskytujú často, ale oveľa častejšie ich častice, ako v pevných látkach, kmitajú na jednom mieste, pričom spolu neustále interagujú. Preto aj malé stlačenie kvapaliny vedie k prudkému „vytvrdnutiu“ interakcie častíc, čo znamená prudké zvýšenie tlaku kvapaliny na steny nádoby, v ktorej je stlačená. Toto vysvetľuje prenos tlaku kvapalinami, teda Pascalov zákon, a zároveň vlastnosť kvapalín odolávať stlačeniu, teda udržiavať objem.
Všimnite si, že kvapalina, ktorá si zachováva svoj objem, je podmienená reprezentácia. To znamená, že v porovnaní s plynmi, ktoré sa dajú ľahko stlačiť aj silou detskej ruky (napríklad v balóne), možno kvapaliny považovať za nestlačiteľné. V hĺbke 10 km vo Svetovom oceáne je však voda pod takým vysokým tlakom, že každý kilogram vody zmenší svoj objem o 5 % – z 1 litra na 950 ml. Použitím väčšieho tlaku môžu byť kvapaliny stlačené ešte viac.
Všetka neživá hmota sa skladá z častíc, ktoré sa môžu správať odlišne. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies má svoje vlastné charakteristiky. Častice v pevných látkach sú držané pohromade tým, že sú veľmi blízko seba, čo ich robí veľmi silnými. Okrem toho si môžu zachovať určitý tvar, pretože ich najmenšie častice sa prakticky nepohybujú, ale iba vibrujú. Molekuly v kvapalinách sú dosť blízko seba, ale môžu sa voľne pohybovať, takže nemajú svoj vlastný tvar. Častice v plynoch sa pohybujú veľmi rýchlo a zvyčajne je okolo nich veľa miesta, čo znamená, že sa dajú ľahko stlačiť.
Vlastnosti a štruktúra tuhých látok
Aká je štruktúra a štrukturálne vlastnosti pevných látok? Pozostávajú z častíc, ktoré sú umiestnené veľmi blízko seba. Nemôžu sa pohybovať a preto ich tvar zostáva nemenný. Aké sú vlastnosti pevnej látky? Nestláča sa, ale ak sa zahrieva, jeho objem sa zväčšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Stáva sa to preto, že častice začnú vibrovať a pohybovať sa, čo spôsobuje zníženie hustoty.
Jednou z charakteristík pevných látok je, že majú konštantný tvar. Keď sa pevná látka zahrieva, pohyb častíc sa zvyšuje. Rýchlejšie sa pohybujúce častice sa zrážajú prudšie, čo spôsobuje, že každá častica tlačí svojich susedov. Preto zvýšenie teploty zvyčajne vedie k zvýšeniu telesnej sily.
Kryštalická štruktúra pevných látok
Intermolekulové sily interakcie medzi susednými molekulami tuhej látky sú dostatočne silné na to, aby ich udržali v pevnej polohe. Ak sú tieto najmenšie častice vo vysoko usporiadanej konfigurácii, potom sa takéto štruktúry zvyčajne nazývajú kryštalické. Otázkami vnútorného poriadku častíc (atómov, iónov, molekúl) prvku alebo zlúčeniny sa zaoberá špeciálna veda - kryštalografia.
Pevné látky sú tiež mimoriadne zaujímavé. Štúdiom správania častíc a ich štruktúry môžu chemici vysvetliť a predpovedať, ako sa budú určité typy materiálov správať za určitých podmienok. Najmenšie častice pevnej látky sú usporiadané v mriežke. Ide o takzvané pravidelné usporiadanie častíc, kde dôležitú úlohu zohrávajú rôzne chemické väzby medzi nimi.
Pásová teória štruktúry pevného telesa ho považuje za súbor atómov, z ktorých každý pozostáva z jadra a elektrónov. V kryštalickej štruktúre sa jadrá atómov nachádzajú v uzloch kryštálovej mriežky, ktorá sa vyznačuje určitou priestorovou periodicitou.
Aká je štruktúra kvapaliny?
Štruktúra pevných látok a kvapalín je podobná v tom, že častice, z ktorých sa skladajú, sú umiestnené blízko seba. Rozdiel je v tom, že molekuly sa voľne pohybujú, pretože sila príťažlivosti medzi nimi je oveľa slabšia ako v pevnom tele.
Aké vlastnosti má kvapalina? Prvým je tekutosť a druhým, že kvapalina bude mať tvar nádoby, v ktorej je umiestnená. Ak ho zahrejete, objem sa zvýši. Kvôli tesnej blízkosti častíc k sebe sa kvapalina nemôže stlačiť.
Aká je štruktúra a štruktúra plynných telies?
Častice plynu sú usporiadané náhodne, sú od seba tak vzdialené, že medzi nimi nemôže vzniknúť príťažlivá sila. Aké vlastnosti má plyn a aká je štruktúra plynných telies? Plyn spravidla rovnomerne vyplní celý priestor, v ktorom bol umiestnený. Ľahko sa stláča. Rýchlosť častíc plynného telesa sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Súčasne sa zvyšuje aj tlak.
Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa vyznačuje rôznymi vzdialenosťami medzi najmenšími časticami týchto látok. Častice plynu sú od seba oveľa ďalej ako pevné alebo kvapalné častice. Napríklad vo vzduchu je priemerná vzdialenosť medzi časticami približne desaťnásobkom priemeru každej častice. Objem molekúl teda zaberá len asi 0,1 % celkového objemu. Zvyšných 99,9 % je prázdne miesto. Naproti tomu častice kvapaliny vypĺňajú asi 70 % celkového objemu kvapaliny.
Každá častica plynu sa voľne pohybuje po priamej dráhe, kým sa nezrazí s inou časticou (plynnou, kvapalnou alebo pevnou látkou). Častice sa väčšinou pohybujú pomerne rýchlo a po zrážke dvoch sa od seba odrazia a pokračujú v ceste samé. Tieto kolízie menia smer a rýchlosť. Tieto vlastnosti plynových častíc umožňujú plynom expandovať a vyplniť akýkoľvek tvar alebo objem.
Zmena stavu
Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa môže meniť, ak sú vystavené určitému vonkajšiemu vplyvu. Dokonca sa môžu za určitých podmienok, ako napríklad pri zahrievaní alebo ochladzovaní, premieňať na svoje stavy.
- Odparovanie. Štruktúra a vlastnosti tekutých telies im umožňujú za určitých podmienok transformovať sa do úplne iného fyzického stavu. Ak napríklad náhodou rozlejete benzín pri tankovaní auta, rýchlo si všimnete jeho štipľavý zápach. Ako sa to stane? Častice sa pohybujú v kvapaline a nakoniec sa dostanú na povrch. Ich usmernený pohyb môže tieto molekuly preniesť za povrch do priestoru nad kvapalinou, ale gravitácia ich stiahne späť. Na druhej strane, ak sa častica pohybuje veľmi rýchlo, môže sa oddeliť od ostatných na značnú vzdialenosť. So zvýšením rýchlosti častíc, ku ktorému zvyčajne dochádza pri zahrievaní, teda dochádza k procesu vyparovania, to znamená k premene kvapaliny na plyn.
Správanie telies v rôznych fyzikálnych stavoch
Štruktúra plynov, kvapalín a pevných látok je spôsobená najmä skutočnosťou, že všetky tieto látky pozostávajú z atómov, molekúl alebo iónov, ale správanie týchto častíc môže byť úplne odlišné. Častice plynu sú od seba náhodne vzdialené, molekuly kvapaliny sú blízko seba, ale nie sú tak pevne štruktúrované ako v pevnej látke. Častice plynu vibrujú a pohybujú sa vysokou rýchlosťou. Atómy a molekuly kvapaliny vibrujú, pohybujú sa a kĺžu jeden po druhom. Vibrovať môžu aj častice pevného telesa, no pohyb ako taký pre ne nie je charakteristický.
Vlastnosti vnútornej štruktúry
Aby ste pochopili správanie hmoty, musíte najprv študovať vlastnosti jej vnútornej štruktúry. Aké sú vnútorné rozdiely medzi žulou, olivovým olejom a héliom v balóne? Na túto otázku pomôže odpovedať jednoduchý model štruktúry hmoty.
Model je zjednodušená verzia skutočného objektu alebo látky. Napríklad predtým, ako sa začne skutočná výstavba, architekti najprv postavia model stavebného projektu. Takýto zjednodušený model nemusí nevyhnutne znamenať presný popis, ale zároveň môže poskytnúť približnú predstavu o tom, aká bude konkrétna štruktúra.
Zjednodušené modely
Vo vede však modely nie sú vždy fyzické telá. V minulom storočí došlo k výraznému nárastu ľudského chápania fyzického sveta. Veľká časť nahromadených vedomostí a skúseností je však založená na mimoriadne zložitých konceptoch, ako sú matematické, chemické a fyzikálne vzorce.
Aby ste to všetko pochopili, musíte sa v týchto presných a zložitých vedách celkom dobre orientovať. Vedci vyvinuli zjednodušené modely na vizualizáciu, vysvetlenie a predpovedanie fyzikálnych javov. To všetko výrazne zjednodušuje pochopenie toho, prečo niektoré telesá majú pri určitej teplote stály tvar a objem, zatiaľ čo iné ich môžu meniť atď.
Všetka hmota sa skladá z malých častíc. Tieto častice sú v neustálom pohybe. Množstvo pohybu súvisí s teplotou. Zvýšená teplota naznačuje zvýšenie rýchlosti pohybu. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies sa vyznačuje voľnosťou pohybu ich častíc, ako aj tým, ako silne sú častice navzájom priťahované. Fyzické závisí od jeho fyzického stavu. Vodná para, tekutá voda a ľad majú rovnaké chemické vlastnosti, ale ich fyzikálne vlastnosti sú výrazne odlišné.
