Сили міжмолекулярної взаємодії.

Коли речовина знаходиться у газоподібному стані, тоді утворюють його частинки – молекули чи атоми – хаотично рухаються і навіть переважну частину часу перебувають у великих відстанях (проти власними розмірами) відстанях друг від друга. Внаслідок цього сили взаємодії між ними зневажливо малі.

Інша справа, коли речовина знаходиться в конденсованому стані- У рідкому або твердому. Тут відстані між частинками речовини малі та сили взаємодії між ними великі. Ці сили утримують частинки рідини або твердого тіла одна біля одної. Тому речовини в конденсованому стані мають, на відміну від газів, постійний за даної температури обсяг.

Усі сили, що утримують частинки рідини або твердого тіла одна біля одної, мають електричну природу. Але залежно від того, що є частинками – чи є вони атомами металевого чи неметалевого елемента, іонами чи молекулами – ці сили суттєво різні.

Неметали з атомною будовою

Якщо речовина складається з атомів, але не є металом, його атоми зазвичай пов'язані один з одним ковалентним зв'язком.

Метали

Якщо речовина – метал, то частина електронів його атомів стає загальними всім атомів. Ці електрони вільно рухаються між атомами, пов'язуючи їх друг з одним.

Речовини з іонною будовою

Якщо речовина має іонна будовато утворюють його іони утримуються один біля одного силами електростатичного тяжіння.

Речовини з молекулярною будовою

У речовинах з молекулярною будовоюмає місце міжмолекулярна взаємодія.

Сили міжмолекулярної взаємодії, звані також силами Ван-дер-Ваальса, слабші за ковалентні сили, але виявляються на великих відстанях. В основі їх лежить електростатична взаємодія диполів, але у різних речовинах механізм виникнення диполів різний.

1. Орієнтаційна взаємодія.

Якщо речовина складається з полярних молекулнаприклад, Н 2 О, НCl, то в конденсованому стані молекули орієнтуються один до одного своїми різноіменно зарядженими кінцями, внаслідок чого спостерігається їхнє взаємне тяжіння.

Такий вид міжмолекулярної взаємодії називається орієнтаційною взаємодією. Тепловий рух молекул перешкоджає їхній взаємній орієнтації, тому зі зростанням температури орієнтаційний ефект слабшає.

2. Індукційна взаємодія.

У разі речовин, що складаються з неполярних, але здатних до поляризації молекул, наприклад, СО2, спостерігається виникнення наведенихабо індукованих диполів.

Причина їх появи зазвичай полягає в тому, що кожен атом створює поблизу себе електричне поле. поляризуюча діяна найближчий атом сусідньої молекули. Молекула поляризуєтьсяі індукований диполь, що утворився, у свою чергу поляризує сусідні молекули.

В результаті відбувається взаємне тяжіння молекул одна до одної. Ця індукційна взаємодія спостерігається також і у речовин з полярними молекулами, але при цьому вона зазвичай значно слабкіша за орієнтаційну.

3. Дисперсійна взаємодія.

Дисперсійні сили(Лондонівські сили) – сили електростатичного тяжіння миттєвого та індукованого (наведеного) диполів електрично нейтральних атомів або молекул.

В атомах і молекулах електрони складно рухаються навколо ядер. У середньому за часомдипольні моменти неполярних молекул виявляються рівними нулю. Але кожен момент електрони займають якесь становище. Тому миттєве значеннядипольного моменту (наприклад, у атома водню) на відміну від нуля. Миттєвий диполь створює електричне поле, що поляризує сусідні молекули. В результаті виникає взаємодія миттєвих диполів.

Вважається, що дисперсійна енергія не має класичного аналога та визначається квантовомеханічними флуктуаціями електронної щільності.

Як показує квантова механіка, миттєві диполівиникають у твердих тілах та рідинах узгоджено, причому кінці сусідніх молекул виявляються зарядженими електрикою протилежного знака, що призводить до їх тяжіння.

Це явище, зване дисперсійною взаємодією, має місце у всіх речовинах, що знаходяться в конденсованому стані. Зокрема, воно зумовлює перехід шляхетних газів за низьких температур у рідкий стан.

Співвідношення молекулярних сил.

Відносна величина розглянутих видів міжмолекулярних сил залежить від полярності та від поляризуемості молекул речовини.

Чим більша полярність молекул, тим більше орієнтаційні сили.

Чим більші атомичим слабкіше пов'язані зовнішні електрони атомів, чим більше деформується електронна хмара, тим значніші дисперсійні сили.

Таким чином, у ряді однотипних речовин дисперсійна взаємодія зростає із збільшенням розмірів атомів, що становлять розміри цих речовин.

Наприклад:

• у випадку HClчастку дисперсійних сил доводиться 81% всього
  міжмолекулярної взаємодії,
• для НBrця величина становить 95% ,
• для HI - 99,5% .



Індукційні сили майже завжди малі.

Вступ

Контактна взаємодія кристалічних тіл між собою, а також з газами та рідинами також супроводжується появою міжмолекулярних або міжатомних зв'язків між елементарними частинками контактуючих речовин.

Будова речовини визначається як взаємним розташуванням атомів у хімічних частинках, а й розташуванням цих хімічних частинок у просторі. Найбільш упорядковано розміщення атомів, молекул та іонів у кристалах (від грецького "кристаллос" - лід), де хімічні частинки (атоми, молекули, іони) розташовані в певному порядку, утворюючи в просторі кристалічні ґрати. За певних умов освіти вони можуть мати природну форму правильних симетричних багатогранників. Кристалічний стан характеризується наявністю далекого порядку розташування частинок і симетрією кристалічної решітки.

Міжмолекулярні сили взаємодії та їх природа

Міжмолекулярна взаємодія - взаємодія між електрично-нейтральними молекулами або атомами; визначає існування рідин та молекулярних кристалів, відмінність реальних газів від ідеальних і проявляється у різноманітних фізичних явищах. Міжмолекулярна взаємодія залежить від відстані r між молекулами і, як правило, описується потенційною енергією взаємодії U(r) (потенціалом М. в.), оскільки саме середня потенційна енергія взаємодії визначає стан та багато властивостей речовини.

Вперше М. в. взяв до уваги Я. Д. Ван дер Ваальс (1873) для пояснення властивостей реальних газів та рідин. Ван дер Ваальс припустив, що на малих відстанях між молекулами діють сили відштовхування, які зі збільшенням відстані змінюються силами тяжіння. На основі цих уявлень, навіть не розглядаючи кількісної залежності міжмолекулярної взаємодії від відстані, він отримав так зване Ван-дер-Ваальса рівняння стану реального газу.

Ван-дер-Ваальсові сили - сили міжмолекулярної взаємодії з енергією 0,8 - 8,16 кДж/моль. Цим терміном спочатку позначалися всі такі сили, але зараз він зазвичай застосовується до сил, що виникають при поляризації молекул та утворення диполів.

До Ван-дер-Ваальсових сил відносяться взаємодії між диполями (постійними та індукованими). Назва пов'язана з тим фактом, що ці сили є причиною виправлення на внутрішній тиск у рівнянні стану реального газу Ван-дер-Ваальса. Ці взаємодії переважно визначають сили, відповідальні формування просторової структури біологічних макромолекул. Існує три типи Ван-дер-Ваальсових сил:

1. Орієнтаційні сили,

2. Дисперсійні (лондонівські) сили,

3. Індукційні сили.

Досі багато авторів виходять із припущення, що Ван-дер-Ваальсові сили визначають міжшарову взаємодію в шаруватих кристалах, що суперечить експериментальним даним: масштабу анізотропії температури Дебая і, відповідно, масштабу анізотропії ґратового відображення. Виходячи з цього помилкового припущення побудовано багато двовимірних моделей, що "описують" властивості, зокрема графіту і нітриду бору.

Прояви у природі:

· Зчеплення частинок малих астероїдів, кільця Сатурна;

· Здатність геконів ходити по абсолютно гладким поверхням, наприклад склу

Рівняння стану газу Ван-дер-Ваальса - рівняння, що зв'язує основні термодинамічні величини моделі газу Ван-дер-Ваальса.

Хоча модель ідеального газу добре описує поведінку реальних газів за низьких тисків і високих температур, в інших умовах її відповідність з досвідом набагато гірша. Зокрема, це в тому, що реальні гази можуть бути переведені в рідкий і навіть у твердий стан, а ідеальні - не можуть.

Для більш точного опису поведінки реальних газів за низьких температур була створена модель газу Ван-дер-Ваальса, що враховує сили міжмолекулярної взаємодії. У цій моделі внутрішня енергія U стає функцією як температури, а й обсягу.

Термічним рівнянням стану (або, часто, просто рівнянням стану) називається зв'язок між тиском, об'ємом та температурою.

Для одного моля газу Ван-дер-Ваальса воно має вигляд:

*p - тиск,

* V - обсяг,

* T - абсолютна температура,

*R - універсальна газова постійна.

Видно, що це рівняння фактично є рівнянням стану ідеального газу із двома поправками. Поправка a враховує сили тяжіння між молекулами (тиск на стінку зменшується, тому є сили, що втягують молекули прикордонного шару всередину), поправка b - сили відштовхування (від загального обсягу віднімаємо об'єм, який займає молекули).

Для н молей газу Ван-дер-Ваальса рівняння стану виглядає так:

Внутрішня енергія газу Ван-дер-Ваальса:

Потенційна енергія міжмолекулярних сил взаємодії обчислюється як робота, яку здійснюють ці сили при розведенні молекул на нескінченність:

Внутрішня енергія газу Ван-дер-Ваальса складається з його кінетичної енергії (енергії теплового руху молекул) і щойно нами врахованою потенційною. Так, для одного моль газу:

де - Молярна теплоємність при постійному обсязі, яка передбачається не залежить від температури.

Сили тяжіння:

Орієнтаційні сили діють між полярними молекулами, тобто володіють дипольними електричними моментами. Сила тяжіння між двома полярними молекулами максимальна в тому випадку, коли їх дипольні моменти розташовуються вздовж однієї лінії. В результаті тяжіння диполів перевершує їхнє відштовхування. Взаємодія диполів залежить від їхньої взаємної орієнтації, і тому сили дипольної взаємодії називаються орієнтаційними. Хаотичний тепловий рух безперервно змінює орієнтацію полярних молекул, але, як показує розрахунок, середнє за всілякими орієнтаціями значення сили має певну величину, що не дорівнює нулю.

Сили відштовхування:

Сили відштовхування діють між молекулами на дуже малих відстанях, коли зіткнуться заповнені електронні оболонки атомів, що входять до складу молекул. Існуючий у квантовій механіці принцип Паулі забороняє проникнення заповнених електронних оболонок один одного. Виникаючі у своїй сили відштовхування залежить більшою мірою, ніж сили тяжіння, від індивідуальності молекул.

Індукційні сили

Індукційні (або поляризаційні) сили діють між полярною та неполярною молекулами. Полярна молекула створює електричне поле, яке поляризує молекулу з електричними зарядами, рівномірно розподіленими за обсягом. Позитивні заряди зміщуються у напрямку електричного поля (тобто від позитивного полюса), а негативні - проти (до позитивного полюса). У результаті неполярної молекули індукується дипольний момент.

Ця енергія називається індукційною, оскільки вона виникає завдяки поляризації молекул, викликаної електростатичною індукцією.

Дисперсійні сили

Між неполярними молекулами діє дисперсійна міжмолекулярна взаємодія. Природа цієї взаємодії було з'ясовано повністю лише після створення квантової механіки. В атомах і молекулах електрони складно рухаються навколо ядер. У середньому в часі дипольні моменти неполярних молекул виявляються рівними нулю. Але кожен момент електрони займають якесь становище. Тому миттєве значення дипольного моменту (наприклад, атома водню) відмінно від нуля. Миттєвий диполь створює електричне поле, що поляризує сусідні молекули. В результаті виникає взаємодія миттєвих диполів. Енергія взаємодії між неполярними молекулами є середнім результатом взаємодії різноманітних миттєвих диполів з дипольними моментами, які вони наводять у сусідніх молекулах завдяки індукції.

Міжмолекулярна взаємодія цього типу називається дисперсійним оскільки дисперсія світла у речовині визначається тими самими властивостями молекул, як і це взаємодія. Дисперсійні сили діють між усіма атомами і молекулами, оскільки механізм їх появи залежить від цього, чи є у молекул (атомів) постійні дипольні моменти чи ні. Зазвичай ці сили перевищують за величиною як орієнтаційні, і індукційні. Тільки при взаємодії молекул з великими дипольними моментами, наприклад, молекул води, F or > F disp (в 3 рази для молекул води). При взаємодії таких полярних молекул, як CO, HI, HBr та інших, дисперсійні сили в десятки і сотні разів перевершують всі інші.

Природа міжмолекулярної взаємодії

Міжмолекулярна взаємодія має електричну природу і складається із сил тяжіння (орієнтаційних, індукційних та дисперсійних) та сил відштовхування.

Орієнтаційні сили

Два електричних диполя ab і cd при зазначеному взаємному розташуванні притягуються, тому що різноіменні заряди в точках b і взаємодіють сильніше, ніж однойменні заряди в точках а і с (а також в b і d).

Міждумолекулярні сили збільшуються зі збільшенням тиску і зменшуються зі збільшенням температури.

Орієнтаційні сили діють між полярними молекулами, тобто володіють дипольними електричними моментами. Потенційна енергія орієнтаційної міжмолекулярної взаємодії:

де p 1, p 2 - Дипольні моменти взаємодіючих молекул.

Багато досвідчених фактів приводять до висновку, що між молекулами речовини, що знаходиться в будь-якому агрегатному стані, діють одночасно як сили тяжіння, так і сили відштовхування. Так, наприклад, здатність твердих тіл чинити опір розтягуванню свідчить про наявність сил тяжіння між молекулами; існування сил відштовхування пояснює малу стисливість твердих і рідких тіл, а також сильно ущільнених газів. Дуже важливо, що ці сили мають діяти одночасно. В іншому випадку тіло не було б стійко: утворюють його молекули розліталися б у різні сторони (за наявності тільки сил відштовхування), створюючи наднизькі щільності речовини, або "злипалися" в надщільні агрегати (при існуванні тільки сил тяжіння).

Розрахунок сил взаємодії між молекулами та з'ясування природи цих сил можливе лише в рамках квантової механіки. Однак характерний, якісний вид молекулярних сил можна отримати, залишаючись у межах найзагальніших класичних уявлень.

Сили, що діють між молекулами, за своєю є силами електромагнітного походження. Молекула складається з позитивно заряджених ядер атомів, що становлять молекулу, та негативно заряджених електронних оболонок атомів. Тому при взаємодії молекул одночасно діють як сили тяжіння їх різноїменних зарядів, так і сили відштовхування однойменних. І ті та інші зі збільшенням відстані між молекулами швидко зменшуються. Однак убування сил відштовхування має бути швидшим, ніж сил тяжіння, у результаті сили відштовхування переважатимуть малих відстанях між молекулами, а сили тяжіння - більш далеких відстанях. Останнє твердження випливає із необхідності існування стійкої рівноваги взаємодіючих молекул. Насправді, припустимо, що дві взаємодіючі молекули перебувають у рівновазі, тобто. сума сил, що діють на кожну молекулу, дорівнює нулю. На рис.1,а зображені такі дві молекули, що знаходяться на такій відстані, що сили відштовхування F 1врівноважують сили взаємного тяжіння F 2. Нехай відстань між молекулами зменшилася (рис.1, б). Якщо при цьому сили відштовхування зростають швидше, ніж сили тяжіння, то F 1буде більше F 2, і молекули будуть відштовхуватися назад до положень рівноваги. Якщо ж відстань між ними буде більшою за рівноважну (рис.1,в) і F 1стане менше F 2, То молекули знову будуть прагнути до положення рівноваги.

Таким чином, доведено, що з точки зору стійкості сили відштовхування повинні швидше зменшуватися зі збільшенням відстані, ніж сили тяжіння. На відстанях між молекулами значно більше їх діаметра (рис1,г) молекули практично не взаємодіють, так як обертаються навколо ядер електрони повністю компенсують заряди цих ядер і молекули в цілому нейтральні. При зближенні молекул (рис.1, д) починає поступово проявлятися взаємодія електричних зарядів ядер та електронних оболонок молекул. Це відбувається через тяжіння різноіменних та відштовхування однойменних зарядів. В результаті виникне невелика деформація (поляризація) обох молекул, що взаємодіють, як це умовно показано на рис 1,д. Як наслідок між молекулами виникнуть сили тяжіння. При подальшому зближенні поляризація молекул і величина сил тяжіння зростатимуть. Якщо молекули зблизяться настільки, що й електронні хмари почнуть помітно проникати друг в друга, то електрони і ядра різних молекул різко відштовхуватимуться із силою, що дуже швидко зростає із зменшенням відстані між молекулами. На таких відстанях переважатимуть сили відштовхування (рис.1,е).

Абсолютна величина сил взаємодії істотно залежить від конкретної будови молекул. З іншого боку, для несферичних молекул сили електричного взаємодії залежить, очевидно, як від відстані між молекулами, а й у взаємної орієнтації молекул. Однак загальний характер залежності сили взаємодії від відстані однаковий: переважання сил тяжіння на великих відстанях та відштовхування на малих.

На рис.2 наведено характерні залежності сил відштовхування, які у фізиці позитивні ( F 1 >0), і сил тяжіння ( F 2<0 ) від відстані rміж молекулами. Як зазначалося, ці сили діють одночасно. Тому для знаходження результуючої сили взаємодії між молекулами необхідно скласти ординати позитивної та швидко падаючої сили відштовхування. F 1з негативними ординатами сили тяжіння, що повільно зростають F 2.

Результуюча функція F = F 1 + F 2представлена ​​на тому ж малюнку суцільною лінією. Як видно, на відстанях r між молекулами переважають сили відштовхування, а при r>r 0переважають сили тяжіння. При r = r 0ці сили рівні, тобто. r 0– це рівноважна відстань між молекулами, на якій вони знаходилися б за відсутності теплового руху, що порушує цю рівновагу.

У молекулярній фізиці оперують не з силами, і з потенційними енергіями взаємодій. Щоб здійснити перехід від сил до потенційних енергій, розглянемо роботу, яку виконує результуюча сила Fпри зміні відстані між молекулами на dr:

dA = Fdr(В.11)

Ця робота здійснюється за рахунок зменшення потенційної енергії взаємодії молекул:

dA = - dE p(В.12)

З виразів (В.11) та (В.12)

dE p = - Fdr(В.13)

Інтегруючи співвідношення (Ст.13) по rвід rдо нескінченності,

отримаємо

Потенційну енергію вважають рівної нулю при нескінченно велику відстань між молекулами, тобто. . Тоді

(В.15)

З останнього співвідношення видно, що потенційна енергія E p (r)взаємодії молекул, що знаходяться на відстані rодин від одного, чисельно дорівнює площі, обмеженою кривою результуючої сили F(r), віссю rта вертикальної прямої r = const. Залежність величини цієї площі (тобто. E p (r)) від rпоказано на рис.3.

З малюнка видно, що при переміщенні деякої молекули 1 з нескінченності до молекули 2, яка розташована на початку координат, потенційна енергія їхньої взаємодії зменшується від нуля до E p 0. У цьому ділянці переміщення, тобто. від r = ∞до r = r 0, на молекулу 1 діє сила тяжіння, яка збільшує її швидкість (кінетичну енергію). При подальшому зближенні молекул (на ділянці, де r< r 0 ) на молекулу 1 діє сила

Молекулярні сили.Між молекулами речовини існують сили взаємодії, які називаються молекулярними силами. Якби між молекулами не було сил тяжіння, то всі речовини за будь-яких умов перебували б лише у газоподібному стані. Лише завдяки силам тяжіння молекули утримуються одна біля одної та утворюють рідкі та тверді тіла.

Однак лише сили тяжіння не можуть забезпечити існування стійких утворень з атомів і молекул. На малих відстанях між молекулами діють сили відштовхування.

Будова атомів та молекул.Атом, тим більше молекула, – це складна система, що з окремих заряджених частинок – електронів і атомних ядер. Хоча загалом молекули електрично нейтральні, з-поміж них на малих відстанях діють значні електричні сили. Відбувається взаємодія між електронами та ядрами сусідніх молекул. Опис руху частинок всередині атомів і молекул і сил взаємодії між молекулами є дуже складним завданням. Її розглядають у атомній фізиці. Ми наведемо лише результат: зразкову залежність сили взаємодії двох молекул від відстані між ними.

Атоми та молекули складаються із заряджених частинок протилежних знаків заряду. Між електронами однієї молекули та атомними ядрами іншої діють сили тяжіння. Одночасно між електронами обох молекул і між ядрами діють сили відштовхування.
Внаслідок електричної нейтральності атомів та молекул молекулярні сили є короткодіючими. На відстанях, що перевищують розміри молекул у кілька разів, сили взаємодії між ними практично не позначаються.

Залежність молекулярних зусиль від відстані між молекулами.Розглянемо, як змінюється залежно від відстані між молекулами, проекція сили взаємодії між ними на пряму, що з'єднує центри молекул. На відстанях, що перевищують 2-3 діаметри молекул, сила відштовхування практично дорівнює нулю. Помітна лише сила тяжіння. У міру зменшення відстані сила тяжіння зростає і одночасно починає позначатися сила відштовхування. Ця сила швидко зростає, коли електронні оболонки атомів починають перекриватися. У результаті порівняно великих відстанях молекули притягуються, але в малих відштовхуються.

На малюнку 8 зображено приблизну залежність проекції сили відштовхування від відстані між центрами молекул (верхня крива), проекції сили тяжіння (нижня крива) та проекція результуючої сили (середня крива). Проекція сили відштовхування позитивна, а проекція сили тяжіння є негативною. Тонкі вертикальні лінії проведені для зручності виконання складання проекцій сил.

На відстані r 0 дорівнює приблизно сумі радіусів молекул, проекція результуючої сили F r = 0, так як сила тяжіння дорівнює по модулю силі відштовхування (рис. 9, а). При r > r 0 сила тяжіння перевищує силу відштовхування та проекція результуючої сили (жирна стрілка) негативна (рис 9, б).

Якщо r → ∞, то F r → 0. На відстанях r< r 0 сила отталкивания превосходит силу притяжения (рис. 9, в).

Походження сил пружності.Залежність сил взаємодії молекул від відстані між ними пояснює появу сили пружності при стисканні та розтягуванні тіл. Якщо намагатися зблизити молекули на відстань, меншу за r0, то починає діяти сила, яка перешкоджає зближенню. Навпаки, при видаленні молекул одна від одної діє сила тяжіння, що повертає молекули у вихідне положення після припинення зовнішнього впливу.

При малому змішуванні молекул з положень рівноважна сила тяжіння чи відштовхування ростуть лінійно зі збільшенням усунення. На малій ділянці криву можна вважати відрізком прямої (потовщена ділянка кривої на рис 8). Саме тому за малих деформацій виявляється справедливим закон Гука, за яким сила пружності пропорційна деформації. При великих усуненнях молекул закон Гука вже несправедливий.

Оскільки при деформації тіла змінюються відстані між усіма молекулами, то частку сусідніх верств молекул припадає незначна частина загальної деформації. Тому закон Гука виконується при деформаціях у мільйони разів, що перевищують розміри молекул.

3!ГАЗООБРАЗНЕ СОСТ.

РІДКИЙ СКЛАД.

ТВЕРД СОСТ.

4! ГАЗ (франц. gaz, від грец. chaos - хаос), агрегатний стан речовини, в якому складові його атоми і молекули майже вільно і хаотично рухаються в проміжках між зіткненнями, під час яких відбувається різка зміна характеру їх руху. Газоподібний стан речовини є найпоширенішим станом речовини Всесвіту. Сонце, зірки, хмари міжзоряної речовини, туманності, атмосфери планет тощо складаються з газів, або нейтральних, або іонізованих (плазми). Гази широко поширені у природі: вони утворюють атмосферу Землі, у значних кількостях містяться у твердих земних породах, розчинені у воді океанів, морів та річок. Гази, що зустрічаються в природних умовах, являють собою, як правило, суміші хімічно індивідуальних газів. Гази рівномірно заповнюють доступний їм простір, і на відміну рідин і твердих тіл, не утворюють вільної поверхні. Вони чинять тиск на обмежує заповнюваний ними простір оболонку. Щільність газів при нормальному тиску на скільки порядків менше щільності рідин. На відміну від твердих тіл та рідин, об'єм газів істотно залежить від тиску та температури. Властивості більшості газів – прозорість, безбарвність та легкість – ускладнювало їх вивчення, тому фізика та хімія газів розвивалися повільно.

Лише у 17 ст. було доведено, що повітря має вагу (Е. Торрічеллі та Б. Паскаль). Тоді ж Я. ван Гельмонт ввів термін гази для позначення повітроподібних речовин. І лише до середини 19 ст. було встановлено основні закономірності, яким підпорядковуються гази. До них відносяться закон Бойля – Маріотта, закон Шарля, закон Гей-Люссака, закон Авогадро. Найбільш повно вивчені були властивості досить розряджених газів, у яких відстані між молекулами за нормальних умов близько 10 нм, що значно більше за радіус дії сил міжмолекулярної взаємодії. Такий газ, молекули якого сприймаються як невзаємодіючі матеріальні точки, називається ідеальним газом. Ідеальні гази суворо підкоряються законам Бойля – Маріотта та Гей-Люссака. Практично всі гази поводяться як ідеальні при не дуже високих тисках і не дуже низьких температурах. Рівняння pV=RT називають рівнянням стану ідеального газу. Воно було отримано в 1834 Б. Клапейрон і узагальнено Д. І. Менделєєвим для будь-якої маси газу. Газова постійна R, що входить у це рівняння, дорівнює 8,31 Дж/моль. град. Рівняння Клапейрона Менделєєва справедливе тільки для ідеальних газів. Їх виконується також закон Дальтона. Молекулярно-кінетична теорія газів розглядає гази як сукупність слабко взаємодіючих частинок (молекул чи атомів), що у безперервному хаотичному (тепловому) русі. На основі цих простих уявлень кінетичної теорії вдається пояснити основні фізичні властивості газів, особливо повно – властивості розріджених газів. У досить розріджених газів середні відстані між молекулами виявляються значно більшими за радіус дії міжмолекулярних сил. Так, наприклад, за нормальних умов 1 см3 газу знаходиться ~ 1019 молекул і середня відстань між ними становить ~ 10-6 см. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії тиск газів є результатом численних ударів молекул газу об стінки судини, усереднених за часом і по стінках судини. При нормальних умовах та макроскопічних розмірах судини число ударів про 1см2 поверхні становить приблизно 1024 за секунду. Будь-яку речовину можна перевести в газоподібний стан відповідним підбором тиску та температури. Тому можливу сферу існування газоподібного стану графічно зображують у змінних: тиск р - температура Т (на р-Т-діаграмі). Існує критична температура Тк, нижче якої ця область обмежена кривими сублімації (ліхви) і пароутворення

5! Число Авогадро:

6,02214129(27)·10²³ моль⁻¹

6!Вакуум(Від лат. vacuus- порожній) - простір, вільний від речовини. У техніці та прикладній фізиці під вакуумом розуміють середовище, що містить газ при тиску значно нижче атмосферного. Вакуум характеризується співвідношенням між довжиною вільного пробігу молекул газу і характерним розміром середовища d. Під dможе прийматися відстань між стінками вакуумної камери, діаметр вакуумного трубопроводу і т. д. Залежно від величини співвідношення λ/ dрозрізняють низький (), середній () та високий () вакуум.

7! Ідеальний газ - математична модель газу, в якій передбачається, що потенційну енергію молекул можна знехтувати в порівнянні з їх кінетичною енергією. Між молекулами не діють сили тяжіння або відштовхування, зіткнення частинок між собою і зі стінками судини абсолютно пружні, а час взаємодії між молекулами дуже мало в порівнянні з середнім часом між зіткненнями.
Модель широко застосовується для вирішення задач термодинаміки газів та задач аерогазодинаміки. Наприклад, повітря при атмосферному тиску та кімнатній температурі з великою точністю описується даною моделлю. У випадку екстремальних температур або тисків потрібне застосування більш точної моделі, наприклад моделі Ван-дер-Ваальса, в якому враховується тяжіння між молекулами.
Розрізняють класичний ідеальний газ (його властивості виводяться із законів класичної механіки та описуються статистикою Больцмана) та квантовий ідеальний газ (властивості визначаються законами квантової механіки, описуються статистиками Фермі – Дірака або Бозе – Ейнштейна).

Класичний бездоганний газ.
Властивості ідеального газу на основі молекулярно-кінетичних уявлень визначаються виходячи з фізичної моделі ідеального газу, в якій прийняті такі припущення:
обсяг частки газу дорівнює нулю (тобто, діаметр молекули зневажливо малий порівняно із середньою відстанню між ними,);
імпульс передається лише за зіткненнях (тобто, сили тяжіння між молекулами не враховуються, а сили відштовхування виникають лише за зіткненнях) ;
сумарна енергія частинок газу постійна (тобто немає передачі енергії за рахунок передачі тепла або випромінювання)
У цьому випадку частки газу рухаються незалежно одна від одної, тиск газу на стінку дорівнює сумі імпульсів в одиницю часу, переданої при зіткненні частинок зі стінкою, енергія - сумі енергій частинок газу. Властивості ідеального газу описуються рівнянням Менделєєва – Клапейрона
де – тиск, – концентрація частинок, – постійна Больцмана, – абсолютна температура.

Рівноважний розподіл часток класичного ідеального газу за станами описується розподілом Больцмана:
де - середня кількість частинок, що у -му стані з енергією, а константа визначається умовою нормування:
де – повне число частинок.
Розподіл Больцмана є граничним випадком (квантові ефекти дуже малі) розподілів Фермі - Дірака і Бозе - Ейнштейна, і, відповідно, класичний ідеальний газ є граничним випадком Фермі-газу і Бозе-газу.

Для будь-якого ідеального газу справедливе співвідношення Майєра:
де - універсальна газова стала, - молярна теплоємність при постійному тиску, - молярна теплоємність при постійному обсязі.

9!Закон Ша́рляабо другий закон Гей-Люссака - один із основних газових законів, що описує співвідношення тиску та температури для ідеального газу. Експериментальним шляхом залежність тиску газу від температури при постійному обсязі встановлена ​​в 1787 Шарлем і уточнена Гей-Люссаком в 1802. Простіше кажучи, якщо температура газу збільшується, то і його тиск теж збільшується, якщо при цьому маса і обсяг газу залишаються незмінними. особливо простий математичний вигляд, якщо температура вимірюється за абсолютною шкалою, наприклад, у градусах Кельвіна. Математично закон записують так:

P- тиск газу,

T- температура газу (у градусах Кельвіна),

k- Константа.

Цей закон справедливий, оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії речовини. Якщо кінетична енергія газу збільшується, його частинки зіштовхуються зі стінками судини швидше, тим самим створюючи вищий тиск.

Для порівняння тієї ж речовини за двох різних умов, закон можна записати у вигляді.

Будова газів, рідин та твердих тіл.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії:

всі речовини складаються з молекул, а молекули з атомів,

атоми і молекули перебувають у постійному русі,

між молекулами існують сили тяжіння та відштовхування.

У газахмолекули рухаються хаотично, відстані між молекулами великі, молекулярні сили малі, газ займає весь наданий йому обсяг.

У рідинахмолекули розташовуються впорядково лише з малих відстанях, але в великих відстанях порядок (симетрія) розташування порушується – “ближній порядок”. Сили молекулярного тяжіння утримують молекули на близькій відстані. Рух молекул - "перескоки" з одного стійкого положення в інше (як правило, в межах одного шару. Таким рухом пояснюється плинність рідини. Рідина не має форми, але має об'єм.

Тверді тіла – речовини, які зберігають форму, поділяються на кристалічні та аморфні. Кристалічні твердітіла мають кристалічну решітку, у вузлах якої можуть знаходитися іони, молекули або атоми. Вони здійснюють коливання щодо стійких положень рівноваги.

Аморфні тілазберігають форму, але не мають кристалічних ґрат і, як наслідок, не мають яскраво вираженої температури плавлення. Їх називають застиглими рідинами, оскільки вони, як рідини мають “ближній ” порядок розташування молекул.

Сили взаємодії молекул

Усі молекули речовини взаємодіють між собою силами тяжіння та відштовхування. Доказ взаємодії молекул: явище змочування, опір стиску та розтягуванню, мала стисливість твердих тіл і газів та ін. Причина взаємодії молекул – це електромагнітні взаємодії заряджених частинок у речовині. Як це пояснити? Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно зарядженої електронної оболонки. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду всіх електронів, тому загалом атом електрично нейтральний. Молекула, що складається з одного або кількох атомів, теж електрично нейтральна. Розглянемо взаємодію між молекулами з прикладу двох нерухомих молекул. Між тілами в природі можуть існувати гравітаційні та електромагнітні сили. Оскільки маси молекул дуже малі, мізерно малі сили гравітаційного взаємодії між молекулами можна розглядати. На дуже великих відстанях електромагнітної взаємодії між молекулами також немає. Але, при зменшенні відстані між молекулами молекули починають орієнтуватися так, що їх звернені одна до одної сторони матимуть різні по знаку заряди (загалом молекули залишаються нейтральними) і між молекулами виникають сили тяжіння. При ще більшому зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування, як наслідок взаємодії негативно заряджених електронних оболонок атомів молекул. У результаті молекулу діє сума сил тяжіння і відштовхування. На великих відстанях переважає сила тяжіння (на відстані 2-3 діаметрів молекули тяжіння максимально), на малих відстанях сила відштовхування. Існує така відстань між молекулами, на якій сили тяжіння стають рівними силам відштовхування. Таке положення молекул називається положенням сталої рівноваги. Знаходяться на відстані один від одного і пов'язані електромагнітними силами молекули мають потенційну енергію. У положенні сталого рівноваги потенційна енергія молекул мінімальна. У речовині кожна молекула взаємодіє одночасно з багатьма сусідніми молекулами, що впливає на величину мінімальної потенційної енергії молекул. З іншого боку, все молекули речовини перебувають у безперервному русі, тобто. мають кінетичну енергію. Таким чином, структура речовини та її властивості (твердих, рідких та газоподібних тіл) визначаються співвідношенням між мінімальною потенційною енергією взаємодії молекул та запасом кінетичної енергії теплового руху молекул.

Будова та властивості твердих, рідких та газоподібних тіл

Будова тіл пояснюється взаємодією частинок тіла та характером їх теплового руху.

Тверде тіло

Тверді тіла мають постійну форму та об'єм, практично стисливі. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул більша за кінетичну енергію молекул. Сильна взаємодія частинок. Тепловий рух молекул на жорсткому тілі виражається тільки коливаннями частинок (атомів, молекул) біля положення стійкого рівноваги.

Через великі сили тяжіння молекули мало можуть змінювати своє становище у речовині, цим пояснюється незмінність обсягу і форми твердих тіл. Більшість твердих тіл має упорядковане в просторі розташування частинок, які утворюють правильні кристалічні грати. Частинки речовини (атоми, молекули, іони) розташовані у вершинах – вузлах кристалічних ґрат. Вузли кристалічної решітки збігаються зі становищем стійкого рівноваги частинок. Такі тверді тіла називають кристалічними.

Рідина

Рідини мають певний обсяг, але не мають своєї форми, вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул можна порівняти з кінетичною енергією молекул. Слабка взаємодія частинок. Тепловий рух молекул у рідині виражено коливаннями при становищі стійкого рівноваги всередині обсягу, наданого молекулі її сусідами. Молекули що неспроможні вільно переміщатися у всьому об'єму речовини, але можливі переходи молекул на сусідні місця. Цим пояснюється плинність рідини, здатність змінювати свою форму.

У рідинах молекули досить міцно пов'язані один з одним силами тяжіння, що пояснює незмінність обсягу рідини. У рідині відстань між молекулами дорівнює приблизно діаметру молекули. При зменшенні відстані між молекулами (стисканні рідини) різко збільшуються сили відштовхування, тому рідини не стискаються. За своєю будовою та характером теплового руху рідини займають проміжне положення між твердими тілами та газами. Хоча різниця між рідиною та газом значно більша, ніж між рідиною та твердим тілом. Наприклад, при плавленні або кристалізації об'єм тіла змінюється набагато менше, ніж при випаровуванні або конденсації.

Гази не мають постійного обсягу і займають весь обсяг судини, в якій вони знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул менша від кінетичної енергії молекул. Частинки речовини практично не взаємодіють. Гази характеризуються повною безладністю розташування та руху молекул.

Відстань між молекулами газу набагато більше розмірів молекул. Малі сили тяжіння не можуть утримати молекули одна біля одної, тому гази можуть необмежено розширюватись. Гази легко стискаються під впливом зовнішнього тиску, т.к. відстані між молекулами великі, а сили взаємодії зневажливо малі. Тиск газу на стінки судини створюється ударами рухомих молекул газу.