Особливості молекулярної будови рідин

Рідина займає за властивостями і будовою проміжне положення між газами і твердими кристалічними речовинами. Тому має властивості як газоподібних, так і твердих речовин. У молекулярно-кінетичної теорії різні агрегатні стани речовини пов'язують з різним ступенем впорядкованості молекул. Для твердих тіл спостерігається так званий дальній порядок в розташуванні частинок, тобто їх впорядковане розташування, що повторюється на великих відстанях. У рідинах має місце так званий ближній порядок в розташуванні частинок, тобто їх впорядковане розташування, що повторюється на відстанях, можна порівняти з міжатомними. При температурах, близьких до температури кристалізації, структура рідини близька до твердого тіла. При високих температурах, близьких до температури кипіння, структура рідини відповідає газоподібному станом - практично всі молекули беруть участь в хаотичному тепловому русі.

Рідини, подібно твердим тілам, володіють певним обсягом, а подібно газам, приймають форму судини, в якому вони знаходяться. Молекули газу практично не пов'язані між собою силами міжмолекулярної взаємодії, і в даному випадку середня енергія теплового руху молекул газу набагато більше середньої потенційної енергії, обумовленої силами тяжіння між ними, тому молекули газу розлітаються в різні боки і газ займає наданий йому об'єм. У твердих і рідких тілах сили тяжіння між молекулами вже істотні і утримують молекули на певній відстані один від одного. У цьому випадку середня енергія теплового руху молекул менше середньої потенційної енергії, обумовленої силами міжмолекулярної взаємодії, і її недостатньо для подолання сил тяжіння між молекулами, тому тверді тіла і рідини мають певний обсяг.

Тиск в рідинах зі збільшенням температури і зменшенням обсягу зростає досить різко. Об'ємне розширення рідин набагато менше, ніж парів і газів, так як більш значні сили, що зв'язують молекули в рідині; то ж зауваження стосується теплового розширення.

Теплоємності рідин зазвичай ростуть з температурою (хоча і незначно). Ставлення Ср / СV практично дорівнює одиниці.

Теорія рідини до теперішнього часу повністю не розвинена. Розробка ряду проблем в дослідженні складних властивостей рідини належить Я.І. Френкелю (1894-1952). Тепловий рух в рідині він пояснював тим, що кожна молекула протягом деякого часу коливається близько певного положення рівноваги, після чого стрибком переходить в нове положення, що відстоїть від вихідної на відстані близько межатомного. Таким чином, молекули рідини досить повільно переміщаються по всій масі рідини. З підвищенням температури рідини частота коливального руху різко збільшується, зростає рухливість молекул.

На основі моделі Френкеля можна пояснити деякі відмінні риси властивостей рідини. Так, рідини навіть поблизу критичної температури мають вищою в'язкістю. ніж гази, і в'язкість з ростом температури зменшується (а не росте, як у газів). Пояснюється це іншим характером процесу передачі імпульсу: він передається молекулами, які здійснюють перескок з одного рівноважного стану в інший, а ці переходи з ростом температури істотно частішають. Дифузія в рідинах відбувається тільки за рахунок перескоків молекул, і вона відбувається набагато повільніше, ніж в газах. Теплопровідність рідин обумовлена ​​обміном кінетичної енергії між частинками, що коливаються біля своїх положень рівноваги з різними амплітудами; різкі переходи молекул помітної ролі не грають. Механізм теплопровідності схожий на механізм її в газах. Характерною особливістю рідини є її здатність мати вільну поверхню (не обмежену твердими стінками).

Було запропоновано кілька теорій молекулярного будови рідин.

1. Зонна модель. В даний момент часу рідину можна розглядати як що складається з областей, де молекули розташовані в правильному порядку, утворюючи свого роду мікрокристал (зона). Ці області як би розділені речовиною, що знаходиться в газоподібному стані. З плином часу ці області утворюються в інших місцях і т.д.

2. Теорія квазікрісталліческая будови. Розглянемо кристал, що знаходиться при абсолютному нулі температури (див. Рис.9.9.)


Виділимо в ньому довільний напрямок і побудуємо графік залежності ймовірності Р знаходження молекули газу на деякій відстані від іншої молекули, вміщеній на початку координат (рис. 9.9. А), при цьому молекули перебувають у вузлах кристалічної решітки. При більш високій температурі (рис.9.9, б) молекули коливаються навколо нерухомих положень рівноваги, поблизу яких і проводять більшу частину часу. Сувора періодичність повторення максимумів ймовірності в ідеальному кристалі поширюється як завгодно далеко від обраної частки; тому прийнято говорити, що в твердому тілі існує «дальній порядок».

У разі рідини (рис.9.9, в) поблизу кожної молекули її сусідки розташовані більш-менш закономірно, але далеко цей порядок порушується (ближній порядок). На графіку відстані виміряні в частках радіусу молекули (r / r0).

3. Термодинамічна модель. У цій теорії вводять величину - радіальна функція розподілу - представляє собою ймовірність виявити деяку пару атомів на відстані від R до R + dR

де можна розглядати як деяку «локальну концентрацію молекул на відстані r від« обраної »: отже, радіальна функція розподілу f (R) дорівнює відношенню концентрацій:« локальної »рідини.

Схожі статті