Силы взаимодействия молекул. Межмолекулярные силы взаимодействия и их природа

Молекулярные силы. Между молекулами вещества существуют силы взаимодействия, называемые молекулярными силами. Если бы между молекулами не было сил притяжения, то все вещества при любых условиях находились бы только в газообразном состоянии. Лишь благодаря силам притяжения молекулы удерживаются друг возле друга и образуют жидкие и твердые тела.

Однако одни только силы притяжения не могут обеспечить существование устойчивых образований из атомов и молекул. На

очень малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания.

Строение атомов и молекул. Атом, а тем более молекула, - это сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц - электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы. Происходит взаимодействие между электронами и ядрами соседних молекул. Описание движения частиц внутри атомов и молекул и сил взаимодействия между молекулами - очень сложная задача. Ее рассматривают в атомной физике. Мы приведем только результат: примерную зависимость силы взаимодействия двух молекул от расстояния между ними.

Атомы и молекулы состоят из заряженных частиц противоположных знаков заряда. Между электронами одной молекулы и атомными ядрами другой действуют силы притяжения. Одновременно между электронами обеих молекул и между их ядрами действуют силы отталкивания.

Вследствие электрической нейтральности атомов и молекул молекулярные силы являются короткодействующими. На расстояниях, превышающих размеры молекул в несколько раз, силы взаимодействия между ними практически не сказываются.

Зависимость молекулярных сил от расстояния между молекулами. Рассмотрим, как меняется в зависимости от расстояния между молекулами проекция силы взаимодействия между ними на прямую, соединяющую центры молекул. На расстояниях, превышающих 2-3 диаметра молекул, сила отталкивания прак гически равна нулю. Заметна лишь сила притяжения. По мере уменьшения расстояния сила притяжения возрастает и одновременно начинает сказываться сила отталкивания. Эта сила очень

быстро нарастает, когда электронные оболочки атомов начинают перекрываться. В результате на сравнительно больших расстояниях млекулы притягиваются, а на малых отталкиваются.

На рисунке 8 изображена примерная зависимость проекции силы оталкивания от расстояния между центрами молекул (верхняя кривая), проекции силы притяжения (нижняя кривая) и проекции результирующей силы (средняя кривая). Проекция силы отталкивания положительна, а проекция силы притяжения отрицательна. Тонкие вертикальные линии проведены для удобства выолнения сложения проекций сил.

На асстоянии равном примерно сумме радиусов молекул, прекция результирующей силы , так как сила притяжения равна по модулю силе отталкивания (рис. 9, а). При сила притяжения превосходит силу отталкивания и проекция результирующей силы (жирная стрелка) отрицательна (рис. 9 6). Если то На расстояниях сила отталквания превосходит силу притяжения (рис. 9, в).

Просхождение сил упругости. Зависимость сил взаимодействия мсекул от расстояния между ними объясняет появление силы уругости при сжатии и растяжении тел. Если пытаться сблизить молекулы на расстояние, меньшее то начинает действовав сила, препятствующая сближению. Наоборот, при удалении молекул друг от друга действует сила притяжения, возвращающая молекулы в исходное положение после прекращения внешнего воздействия.

При малом смещении молекул из положений равновесия силы притяжния или отталкивания растут линейно с увеличением смещения. На малом участке кривую можно считать отрезком прямой (утолщенный участок кривой на рис. 8). Именно поэтому при малых деформациях оказывается справедливым закон Гука, согласно которому сила упругости пропорциональна деформации. При больших смещениях молекул закон Гука уже несправедлив.

Так как при деформации тела изменяются расстояния между всеми молекулами, то на долю соседних слоев молекул приходится незначительная часть общей деформации. Поэтому закон Гука вполняется при деформациях, в миллионы раз превышающих рамеры молекул.

Множество опытных фактов приводят к заключению, что между молекулами вещества, находящемся в любом агрегатном состоянии, действуют одновременно как силы притяжения, так и силы отталкивания. Так, например, способность твердых тел оказывать сопротивление растяжению свидетельствует о наличии сил притяжения между молекулами; существование же сил отталкивания объясняет малую сжимаемость твердых и жидких тел, а также сильно уплотненных газов. Очень важно, что эти силы должны действовать одновременно. В противном случае тело не было бы устойчиво: образующие его молекулы разлетались бы в разные стороны (при наличии только сил отталкивания), создавая сверхнизкие плотности вещества, или "слипались" бы в сверхплотные агрегаты (при существовании только сил притяжения).

Расчет сил взаимодействия между молекулами и выяснение природы этих сил возможно только в рамках квантовой механики. Однако характерный, качественный вид молекулярных сил можно получить, оставаясь в пределах самых общих классических представлений.

Силы, действующие между молекулами, по своей природе являются силами электромагнитного происхождения. Молекула состоит из положительно заряженных ядер атомов, составляющих молекулу, и отрицательно заряженных электронных оболочек атомов. Поэтому при взаимодействий молекул одновременно действуют как силы притяжения их разноименных зарядов, так и силы отталкивания одноименных. И те и другие с увеличением расстояния между молекулами быстро уменьшаются. Однако убывание сил отталкивания должно быть более быстрым, чем сил притяжения, в результате чего силы отталкивания будут преобладать на малых расстояниях между молекулами, а силы притяжения - на более дальних расстояниях. Последнее утверждение следует из необходимости существования устойчивого равновесия взаимодействующих молекул. В самом деле, предположим, что две взаимодействующие молекулы находятся в равновесии, т.е. сумма сил, действующих на каждую молекулу равна нулю. На рис.1,а изображены такие две молекулы, находящиеся на таком расстоянии, что силы отталкивания F 1 уравновешивают силы взаимного притяжения F 2 . Пусть расстояние между молекулами уменьшилось (рис.1,б). Если при этом силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения, то F 1 будет больше F 2 , и молекулы будут отталкиваться обратно к положениям равновесия. Если же расстояние между ними будет больше равновесного (рис.1,в) и F 1 станет меньше F 2 , то молекулы опять будут стремиться к положению равновесия.

Таким образом, доказано, что с точки зрения устойчивости силы отталкивания должны быстрее убывать с увеличением расстояния, чем силы притяжения. На расстояниях между молекулами значительно большем их диаметра (рис1,г) молекулы практически не взаимодействуют, так как вращающиеся вокруг ядер электроны полностью компенсируют заряды этих ядер и молекулы в целом нейтральны. При сближении молекул (рис.1,д) начинает постепенно проявляться взаимодействие электрических зарядов ядер и электронных оболочек молекул. Это происходит из-за притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов. В результате возникнет небольшая деформация (поляризация) обеих взаимодействующих молекул, как это условно показано на рис 1,д. Как следствие между молекулами возникнут силы притяжения. При дальнейшем сближении поляризация молекул и величина сил притяжения будут расти. Если молекулы сблизятся до такой степени, что их электронные облака начнут заметно проникать друг в друга, то электроны и ядра различных молекул будут резко отталкиваться с силой, которая очень быстро возрастает с уменьшением расстояния между молекулами. На таких расстояниях будут преобладать силы отталкивания (рис.1,е).

Абсолютная величина сил взаимодействия существенно зависит от конкретного строения молекул. Кроме того, для несферических молекул силы электрического взаимодействия зависят, очевидно, не только от расстояния между молекулами, но и от взаимной ориентации молекул. Однако общий характер зависимости силы взаимодействия от расстояния одинаков: преобладание сил притяжения на больших расстояниях и отталкивания на малых.

На рис.2 приведены характерные зависимости сил отталкивания, которые в физике положительны (F 1 >0 ), и сил притяжения (F 2 <0 ) от расстояния r между молекулами. Как отмечалось, эти силы действуют одновременно. Поэтому для нахождения результирующей силы взаимодействия между молекулами необходимо сложить ординаты положительной и быстро падающей силы отталкивания F 1 с отрицательными ординатами медленно растущей силы притяжения F 2 .

Результирующая функция F = F 1 + F 2 представлена на том же рисунке сплошной линией. Как видно, на расстояниях r между молекулами преобладают силы отталкивания, а при r>r 0 превалируют силы притяжения. При r = r 0 эти силы равны, т.е. r 0 – это то равновесное расстояние между молекулами, на котором они находились бы при отсутствии теплового движения, нарушающего это равновесие.

В молекулярной физике оперируют не с силами, а с потенциальными энергиями взаимодействий. Чтобы осуществить переход от сил к потенциальным энергиям, рассмотрим работу, совершаемую результирующей силой F при изменении расстояния между молекулами на dr:

dA = Fdr (В.11)

Эта работа совершается за счет уменьшения потенциальной энергии взаимодействия молекул:

dA = - dE p (В.12)

Из выражений (В.11) и (В.12)

dE p = - Fdr (В.13)

Интегрируя соотношение (В.13) по r от r до бесконечности,

получим

Потенциальную энергию полагают равной нулю при бесконечно большом расстоянии между молекулами, т.е. . Тогда

(В.15)

Из последнего соотношения видно, что потенциальная энергия E p (r) взаимодействия молекул, находящихся на расстоянии r друг от друга, численно равна площади, ограниченной кривой результирующей силы F(r) , осью r и вертикальной прямой r = const . Зависимость величины этой площади (т.е. E p (r) ) от r показана на рис.3.

Из рисунка видно, что при перемещении некоторой молекулы 1 из бесконечности к молекуле 2, которая расположена в начале координат, потенциальная энергия их взаимодействия убывает от нуля до E p 0 . На этом участке перемещения, т.е. от r = ∞ до r = r 0 , на молекулу 1 действует сила притяжения, которая увеличивает ее скороcть (кинетическую энергию). При дальнейшем сближении молекул (на участке, где r < r 0 ) на молекулу 1 действует сила

Если открыть кран в трубке, соединяющей вверху два баллона, один из которых наполнен газом, а другой - пустой, то часть газа из первого немедленно перейдет во второй. Вещество, находящееся в газовом состоянии, всегда полностью занимает предоставленный ему объем. Если же первый баллон будет наполнен (пустой) баллон не произойдет. Если пренебречь незначительным испарением, то и жидкость и твердое тело останутся на своих местах.

Чем объясняется эта разница между поведением газов и жидкостей? Когда вещество находится в жидком состоянии, между его молекулами действуют силы, мешающие молекулам вещества разлетаться во все стороны. Будем называть эти силы молекулярными силами или силами сцепления. Весьма наглядно видно проявление сил сцепления, когда капельки дождя повисают на проводах или листьях и некоторое время не падают вниз (рис. 372). В этом случае силы сцепления не только мешают молекулам разлетаться во все стороны, но и уравновешивают силу тяжести, действующую на каплю.
Рис. 372. Повисшая капля воды удерживается от падения силами сцепления. Слишком тяжелая капля падает
В твердых телах, очевидно, тоже действуют силы сцепления, удерживающие молекулы друг около друга.
Почему же силы сцепления не проявляются в газах и парах? Мы знаем, что в газах и парах молекулы удалены друг от друга, вообще говоря, на значительно большее расстояние, чем молекулы в жидкостях и твердых телах. Естественно предположить, что силы сцепления быстро убывают с расстоянием и поэтому заметно действуют лишь на небольших расстояниях между молекулами; этим и объясняется, что они почти не проявляют себя в газах.
Это предположение может быть подкреплено следующими наблюдениями. Части стеклянного стакана прочно сцеплены между собой, и для их разъединения, т. е. для разрушения стакана, требуется значительная сила. Однако «стоит стакану разбиться - и разбитые части уже не взаимодействуют между собой, если их прикладывать друг к другу. Дело в том, что, прикладывая части разбитого стакана друг к другу, мы сближаем лишь ничтожное число молекул. Остальные молекулы остаются на расстоянии хотя и небольшом, однако достаточном для того, чтобы взаимодействие молекул было ничтожно малым. Но нагретые и вследствие этого размягченные куски стекла при соприкосновении слипаются. В этом случае сближается до достаточно малого расстояния большое число молекул и силы взаимодействия оказываются большими.
В случаях мягких материалов, применяя достаточные силы, можно привести в соприкосновение большое число молекул и при не совсем ровной поверхности. Это, например, можно сделать со свинцом. Если два свежесрезанных свинцовых бруска прижать друг к другу, то они слипаются так, что могут выдержать вес большой гири (рис. 373).
Рис. 373. Свинцовые бруски слипаются настолько сильно, что выдерживают тяжесть большой гири
Мы пришли к заключению, что молекулы жидкостей и твердых тел взаимно притягиваются. Однако это не объясняет нам всех свойств жидкостей и газов. В самом деле, жидкости и твердые тела гораздо труднее сжимаются, чем газы. Чтобы уменьшить их объем, например на 1%, жидкости (и твердые тела) нужно подвергнуть несравненна большему давлению, чем газы.
Чем же объяснить, что при сжатии жидкостей (и твердых тел) возникает громадное давление, препятствующее этому сжатию? Для объяснения этого факта мы должны предположить, что при уменьшении расстояния между молекулами жидкого или твердого тела между ними возникают большие силы отталкивания. На рис. 374 показана примерная зависимость силы взаимодействия от расстояния между молекулами . Положительная сила соответствует отталкиванию молекул, отрицательная - притяжению молекул друг к другу. Расстояние отвечает устойчивому равновесному (ненапряженному) состоянию тела. В этом состоянии . При отклонении от значения возникают силы, стремящиеся восстановить равновесное состояние. Из рисунка видно, что при смещении от значения в сторону больших между молекулами возникает сила притяжения, сначала резко возрастающая по модулю до значения , а затем постепенно убывающая по мере увеличения . При смещении от значения в сторону меньших возникает сила отталкивания, очень быстро возрастающая при уменьшении .
Рис. 374. Зависимость силы взаимодействия молекул от расстояния между ними
Вследствие теплового движения молекулы совершают малые колебания около равновесных положений, в процессе которых силы притяжения сменяются силами отталкивания и наоборот. Чтобы сжать жидкость (например, сдавить воду в цилиндре поршнем), нужно уменьшить средние расстояния между молекулами. При этом возникают все возрастающие силы отталкивания между молекулами, благодаря чему увеличивается давление жидкости на стенки сосуда. Мы видели, что у жидкостей ничтожное уменьшение объема связано с очень большим увеличением давления. Эти рассуждения можно отнести также и к твердым телам.
Средние расстояния между молекулами газов, находящихся при обычных условиях (комнатная температура, атмосферное давление) составляют десятки равновесных расстояний , вследствие чего силы притяжения между молекулами газа крайне малы. Поэтому молекулы газа разлетаются во все стороны вследствие молекулярного движения. Однако эти рассуждения неприменимы к сильно сжатым газам: в сжатых газах взаимодействие молекул сказывается заметно.

Между молекулами любого вещества действуют силы взаимодействия или молекулярные силы . Эти силы имеют электромагнитную природу. Так как массы молекул очень малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать. Каждая молекула представляет собой сложную систему, состоящую из заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Поэтому при взаимодействии молекул одновременно действуют как силы притяжения их разноименных зарядов, так и силы отталкивания одноименных. И те, и другие с увеличением расстояния между молекулами быстро уменьшаются. Однако убывание сил отталкивания должно быть более быстрым, чем сил притяжения, в результате чего силы отталкивания будут преобладать на малых расстояниях между молекулами, а силы притяжения - на более дальних расстояниях.

На рис.1 изображена зависимость силы взаимодействия молекул от расстояния между ними. Как видно из рисунка, на очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами практически нет. При сближении молекул, оставаясь в целом электрически нейтральными, молекулы будут ориентироваться таким образом, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разноименные заряды. В результате между молекулами будут возникать силы притяжения. При дальнейшем сближении молекул силы притяжения между ними будут возрастать. Если молекулы сблизятся до такой степени, что их электронные облака начнут заметно проникать друг в друга, то электроны и ядра различных молекул будут резко отталкиваться с силой, которая очень быстро растет с уменьшением расстояния между молекулами. На таких расстояниях будут преобладать силы отталкивания.

Рис.1 Зависимость силы взаимодействия молекул от расстояния между ними

Таким образом, на каждую молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания.

Существует такое расстояние между молекулами , на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1
Задание Что из приведенных ниже фактов или явлений является наиболее наглядным опытным подтверждением взаимодействия между молекулами? Указать правильное утверждение:
а) растекание масла на поверхности воды;

б) расширение твердых тел, жидкостей и газов в результате нагревания;

в) наблюдение атомов и молекул с помощью электронного микроскопа;

г) возникновение сил упругости при деформациях твердых тел.

Ответ Правильным является утверждение г). Причиной возникновения сил упругости при деформациях твердых тел является взаимодействие между молекулами вещества этих тел. Силы взаимодействия между молекулами таковы, что на малых расстояниях (по сравнению с размерами самих молекул) молекулы отталкиваются, а на больших расстояниях - притягиваются. В недеформированном теле молекулы расположены на расстояниях, соответствующих устойчивому равновесию молекул, т.е. когда силы притяжения и отталкивания молекул компенсируют друг друга. Однако, когда мы растягиваем или сжимаем тело, расстояния между молекулами увеличиваются (или уменьшаются), в результате чего начинают преобладать либо силы притяжения, либо силы отталкивания, что приводит к возникновению сил упругости.

Силы межмолекулярного взаимодействия.
Когда вещество находится в газообразном состоянии , тогда образующие его частицы – молекулы или атомы – хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших расстояниях (в сравнении с их собственными размерами) расстояниях друг от друга. Вследствии этого силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы .

Иначе обстоит дело, когда вещество находится в конденсированном состоянии – в жидком или твёрдом. Здесь расстояния между частицами вещества малы и силы взаимодействия между ними велики . Эти силы удерживают частицы жидкости или твёрдого тела друг около друга. Поэтому вещества в конденсированном состоянии имеют, в отличии от газов, постоянный при данной температуре объём.

Все силы, удерживающие частицы жидкости или твёрдого тела друг около друга, имеют электрическую природу . Но в зависимости от того, что представляют собой частицы – являются ли они атомами металического или неметалического элемента, ионами или молекулами – эти силы существенно различны .

Неметалы с атомным строением
Если вещество состоит из атомов, но не является металлом, то его атомы обычно связаны друг с другом ковалентной связью .

Металлы
Если вещество – металл , то часть электронов его атомов становится общими для всех атомов. Эти электроны свободно движутся между атомами, связывая их друг с другом.

Вещества с ионным строением
Если вещество имеет ионное строение , то образующие его ионы удерживаются друг около друга силами электростатического притяжения.

Вещества с молекулярным строением
В веществах с молекулярным строением имеет место межмолекулярное взаимодействие.

Силы межмолекулярного взаимодействия , называемые также силами Ван-дер-Ваальса , слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей , но в различных веществах механизм возникновения диполей различен.

1. Ориентационное взаимодействие.

Если вещество состоит из полярных молекул , например, Н 2 О, НCl , то в конденсированном состоянии молекулы ориентируются друг по отношению к другу своими разноимённо заряженными концами , вследствии чего наблюдается их взаимное притяжение.

Такой вид межмолекулярного взаимодействия называется ориентационным взаимодействием . Тепловое движение молекул препятствует их взаимной ориентации, поэтому с ростом температуры ориентационный эффект ослабевает.

2. Индукционное взаимодействие.

В случае веществ, состоящих из неполярных , но способных к поляризации молекул, например СО2, наблюдается возникновение наведённых или индуцированных диполей .

Причина их появления обычно состоит в том, что каждый атом создаёт вблизи себя электрическое поле, оказывающее поляризующее действие на ближайший атом соседней молекулы. Молекула поляризуется и образовавшийся индуцированный диполь в свою очередь поляризует соседние молекулы.

В результате происходит взаимное притяжение молекул друг к другу . Это индукционное взаимодействие наблюдается также и у веществ с полярными молекулами, но при этом оно обычно значительно слабее ориентационного.

3. Дисперсионное взаимодействие.

Дисперсионные силы (Лондоновские силы) - силы электростатического притяжения мгновенного и индуцированного (наведённого) диполей электрически нейтральных атомов или молекул.

В атомах и молекулах электроны сложным образом движутся вокруг ядер. В среднем по времени дипольные моменты неполярных молекул оказываются равными нулю. Но в каждый момент электроны занимают какое-то положение. Поэтому мгновенное значение дипольного момента (например, у атома водорода) отлично от нуля. Мгновенный диполь создаёт электрическое поле, поляризующее соседние молекулы. В результате возникает взаимодействие мгновенных диполей .

Считается, что дисперсионная энергия не имеет классического аналога и определяется квантовомеханическими флуктуациями электронной плотности.

Как показывает квантовая механика, мгновенные диполи возникают в твёрдых телах и жидкостях согласованно , причём концы соседних молекул оказываются заряженными электричеством противоположного знака, что приводит к их притяжению .

Это явление, называемое дисперсионным взаимодействием , имеет место во всех веществах, находящихся в конденсированном состоянии. В частности, оно обуславливает переход благородных газов при низких температурах в жидкое состояние.

Соотношение молекулярных сил.

Относительная величина рассмотренных видов межмолекулярных сил зависит от полярности и от поляризуемости молекул вещества.

Чем больше полярность молекул, тем больше ориентационные силы .

Чем крупнее атомы , чем слабее связаны внешние электроны атомов, чем больше деформируется электронное облако, тем значительнее дисперсионные силы .

Таким образом, в ряду однотипных веществ дисперсионное взаимодействие возрастает с увеличением размеров атомов , составляющих размеры этих веществ.

Например:

в случае HCl на долю дисперсионных сил приходится 81% всего
межмолекулярного взаимодействия,

для НBr эта величина составляет 95% ,

для HI - 99,5% .

Индукционные силы почти всегда малы .

Предыдущая статья: Рецепты салатов с моцареллой Следующая статья: Полезные свойства овощных отваров для здоровья Суп из свежей капусты с молоком