Межмолекулярные силы в жидкостях и их физико-химические свойства

Лекция 2. Межмолекулярные силы в жидкостях и их физико-химические свойства.

Сравнив плотности вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях, можно судить о рас­стояниях между молекулами в этих веществах. При этом оказы­вается, что расстояния между молекулами в жидком и твердом состояниях мало отличаются — всего лишь на несколько процен­тов, а в газах расстояние между ними (при не очень больших дав­лениях) примерно в 10 раз больше. Поэтому говорят, что в жидком и твердом состояниях частицы вещества плотно упакованы. Плотная упаковка частиц приводит к тому, что жидкости и твер­дые тела сжимаются значительно слабее, нежели газы.

Пусть тело подвергается всестороннему сжатию или растя­жению. В результате этого изменится его объем и, как следствие, его плотность. Обозначим через ε относительное изменение объема:

ε=DV/V =-Δρ/ρ;                                                                      (1)

знак минус в этой формуле объясняется тем, что при возрастании объема тела его плотность при неизменной массе уменьшается. Избыточное по сравнению с атмосферным давление σ иногда называется напряжением:

σ=Δp.                                                                             (2)

Сжимаемостью вещества β называется частное от деления относительного изменения объема на напряжение:

β =ε /σ =DV/ Δp V =--Δρ/ρ Δp

Обратная  величина  называется  модулем  объемного  сжатия:

K=1/β.                                                                          (4)

Из анализа данных о сжимаемости жидкостей и твердых тел, а также из анализа ряда других явлений, (прилипание друг к другу хорошо отшлифованных твердых тел, смачивание твердых тел жидкостями и т. п.), выте­кает, что между молекулами действуют значительные по величине силы, называемые молекулярными силами. Эти силы обладают рядом интересных особенностей.

При удалении молекул друг от друга межмолекулярное взаимодействие проявляется в виде сил притяжения, при сближении на рас­стояния порядка линейных размеров самих молекул — в виде сил отталкивания. Следовательно, существует определенное расстоя­ние dмежду молекулами, когда силы отталкивания и притяжения уравновешены и их равнодействующая равна нулю. Система моле­кул, расположенных на расстояниях dдруг от друга, находится в состоянии устойчивого равновесия, а энергия взаимодействия между молекулами в этом случае должна быть минимальной.

Молекулярные силы проявляются только в том случае, когда расстояния между молекулами весьма малы, порядка эффективных размеров самих молекул. При увеличении расстояния между ними в несколько раз силы становятся практически равными нулю.

Именно этим  объясняется тот факт, что при анализе явлений
в газах, где расстояния между молекулами примерно в 10 раз
больше, чем в жидкостях или твердых телах, можно в большинстве
случаев пренебречь действием молекулярных сил.

Величина молекулярных сил не зависит от общего числа молекул. Так, плотность или упругие свойства жидкостей и твер­дых тел, не зависят от размеров исследуемого образца; капля воды и вода в океане при одинаковой температуре и одинаковом внешнем давлении носят совершенно одинаковую плотность и сжимаемость. Этим молекулярные силы принципиально отличаются от гравитационных или кулоновских сил, где равнодействующая определяется действием всех тел, входящих в систему. Причина того, что молекулярные: силы действуют только между соседними моле­кулами, будет выяснена в следующих параграфах.

   Тщательные исследования,· проведенные рядом ученых в первой половине XX века позволили: прийти  к выведу, что молекулярные силы носят электрическое происхождение.

   Такой результат может показаться странным, известно, что молекулы нейтральны,  а электрическое

Рис..1.

взаимодействие характерно только для заряженных тел. Однако известно, что электрическое взаимодействие возникает и между диполями — нейтральными частицами с несимметрично расположенными зарядами, равными, по величине, но противоположными по знаку. Это позволяет понять природу элект­рического взаимодействия между молекулами.

Молекулы ряда веществ имеют симметричное строение, как это схематически показано на рис.1. Здесь сфера, имеющая положительный заряд, изображает ядра атомов, входящих в мо­лекулу, а отрицательно заряженная сфера — электронное облако этих атомов. Допустим, что молекула деформировалась так, как это изобра­жено на рис.2. Такую деформированную молекулу можно в первом приближении рассматривать   как нейтральную с некоторым моментом p_е=ql. В этом случае молекула создает вне себя электрическое   поле,   напряженность   которого равна электрическому полю диполя:

E =p_e/ e₀ r³

Поле этой молекулы вызовет деформацию близлежащих молекул. На положительное ядро молекулы действует сила отталки­вания, направленная вдоль вектора напря­женности, а на отрицательно заряженное электронное облако — силы, направленные в противоположную сторону. Эти силы и деформируют молекулу. Итак, молекула, имеющая дипольный мо­мент р_е, индуцирует (наводит) у соседних молекул дипольный момент р'_е.