-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 2. Îñíîâû ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè § 2.4. Ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë
Ìîëåêóëÿðíûå ñèëûÄîêàçàòü ñóùåñòâîâàíèå çíà÷èòåëüíûõ ñèë âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó àòîìàìè èëè ìîëåêóëàìè íåñëîæíî. Ïîïðîáóéòå-êà ñëîìàòü òîëñòóþ ïàëêó! À âåäü îíà ñîñòîèò èç ìîëåêóë. Ñóùåñòâîâàíèå ñèë ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó àòîìàìè ìîæåò äîêàçàòü òàêîé íàãëÿäíûé îïûò. Íàäî âçÿòü äâà ñâèíöîâûõ áðóñêà è îñòðûì íîæîì ñðåçàòü òîíêèå ñëîè ñ èõ òîðöîâ. Ïðè äîñòàòî÷íîì íàâûêå ñðåçû ïîëó÷àþòñÿ ãëàäêèìè è ÷èñòûìè, ñâîáîäíûìè îò îêñèäîâ ñâèíöà. Åñëè ïëîòíî ïðèæàòü áðóñêè äðóã ê äðóãó ñâåæèìè ñðåçàìè, òî îíè ñëèïíóòñÿ. Ïîñëå ýòîãî ìîæíî îäèí èç áðóñêîâ íàãðóçèòü ãèðåé â íåñêîëüêî êèëîãðàììîâ, íî ðàçðûâà áðóñêîâ íå ïðîèçîéäåò. Ñèëû ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó àòîìàìè îêàçûâàþòñÿ äîñòàòî÷íûìè, ÷òîáû ïðåäîòâðàòèòü ðàçðûâ. Åñëè áû ìåæäó ìîëåêóëàìè íå ñóùåñòâîâàëî ñèë ïðèòÿæåíèÿ, òî âåùåñòâî ïðè ëþáûõ óñëîâèÿõ íàõîäèëîñü áû â ãàçîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè. Òîëüêî áëàãîäàðÿ ñèëàì ïðèòÿæåíèÿ ìîëåêóëû ìîãóò óäåðæèâàòüñÿ îêîëî äðóã äðóãà è îáðàçîâûâàòü æèäêèå è òâåðäûå òåëà. Íî êðîìå ñèë ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó ìîëåêóëàìè äîëæíû äåéñòâîâàòü ñèëû îòòàëêèâàíèÿ.  òîì, ÷òî ìåæäó àòîìàìè èëè ìîëåêóëàìè ïðè íåïîñðåäñòâåííîì èõ ñáëèæåíèè ïîÿâëÿþòñÿ ñèëû îòòàëêèâàíèÿ, óáåäèòüñÿ î÷åíü ïðîñòî. Åñëè áû òàêèõ ñèë íå ñóùåñòâîâàëî, òî âû ñâîáîäíî ìîãëè áû ïðîòêíóòü ïàëüöåì òîëñòóþ ñòàëüíóþ ïëèòó. Áîëåå òîãî, áåç ïîÿâëåíèÿ ñèë îòòàëêèâàíèÿ íà î÷åíü ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ ìåæäó ìîëåêóëàìè âåùåñòâî íå ìîãëî áû ñóùåñòâîâàòü. Ìîëåêóëû ïðîíèêëè áû äðóã â äðóãà, è âåñü êóñîê âåùåñòâà ñæàëñÿ áû äî îáúåìà îäíîé ìîëåêóëû. Ïðåäñòàâëåíèÿ î ñóùåñòâåííîé ðîëè ìåæìîëåêóëÿðíûõ ñèë äëÿ îïèñàíèÿ ñâîéñòâ ãàçîâ âïåðâûå ââåë íèäåðëàíäñêèé ôèçèê ß. Ä. Âàí-äåð-Âààëüñ (1837—1923). Îí íå ïûòàëñÿ óñòàíîâèòü òî÷íóþ çàâèñèìîñòü ñèë îò ðàññòîÿíèÿ. Âàí-äåð-Âààëüñ ñ÷èòàë, ÷òî íà ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ ìåæäó ìîëåêóëàìè äåéñòâóþò ñèëû îòòàëêèâàíèÿ, êîòîðûå ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ ñìåíÿþòñÿ ñèëàìè ïðèòÿæåíèÿ, ñðàâíèòåëüíî ìåäëåííî óáûâàþùèìè ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè ðàññòîÿíèÿ. Ñèëû ìåæìîëåêóëÿðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòî íàçûâàþò âàí- äåð-âààëüñîâûìè ñèëàìè. Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ïðèðîäà ìîëåêóëÿðíûõ ñèëÏðèñòóïèòü ê òåîðåòè÷åñêîìó èññëåäîâàíèþ ìîëåêóëÿðíûõ ñèë äî íà÷àëà XX â. áûëî ïî÷òè íåâîçìîæíî. Ïðîñòûå è õîðîøî èçó÷åííûå ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñòîëü ìàëûõ òåë, êàê ìîëåêóëû, ÿâíî íå ìîãëè èãðàòü çàìåòíîé ðîëè. Îñòàâàëîñü ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ìîëåêóëÿðíûå ñèëû èìåþò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ïðèðîäó. Ëþáîé àòîì è òåì áîëåå ìîëåêóëà — ýòî ñëîæíàÿ ñèñòåìà, ñîñòîÿùàÿ èç áîëüøîãî ÷èñëà çàðÿæåííûõ ÷àñòèö: ýëåêòðîíîâ è àòîìíûõ ÿäåð. Õîòÿ â öåëîì ìîëåêóëû ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíû, ìåæäó íèìè äåéñòâóþò çíà÷èòåëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå ñèëû: ïðîèñõîäèò âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ýëåêòðîíàìè è ÿäðàìè ñîñåäíèõ ìîëåêóë. Îïèñàíèå äâèæåíèÿ ÷àñòèö âíóòðè àòîìîâ è ìîëåêóë — î÷åíü ñëîæíàÿ çàäà÷à. Åå ðàññìàòðèâàþò â àòîìíîé ôèçèêå è ðåøàþò ñ ïîìîùüþ çàêîíîâ êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Ìû îãðàíè÷èìñÿ êà÷åñòâåííûì ðàññìîòðåíèåì ìåæìîëåêóëÿðíûõ ñèë ðàçëè÷íûõ òèïîâ è ïîòîì ïðèâåäåì êîíå÷íûé ðåçóëüòàò: ïðèìåðíóþ çàâèñèìîñòü ñèë âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ ìîëåêóë îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè. Îðèåíòàöèîííûå ñèëûÓ ìíîãèõ ìîëåêóë, íàïðèìåð ó ìîëåêóëû âîäû, ðàñïðåäåëåíèå ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ çàðÿäîâ òàêîâî, ÷òî â ñðåäíåì öåíòðû ýòèõ çàðÿäîâ íå ñîâïàäàþò. Òàêóþ ìîëåêóëó ïðèáëèæåííî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñîâîêóïíîñòü äâóõ òî÷å÷íûõ çàðÿäîâ +q è -q íà íåáîëüøîì ðàññòîÿíèè l äðóã îò äðóãà (ðèñ. 2.7). Ýòà ñèñòåìà çàðÿäîâ íàçûâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì äèïîëåì*. Ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà òàêîé ìîëåêóëû õàðàêòåðèçóþòñÿ äèïîëüíûì ìîìåíòîì p = ql, (2.4.1) ãäå q—àáñîëþòíîå çíà÷åíèå çàðÿäà. * Ïîäðîáíåå îá ýëåêòðè÷åñêèõ äèïîëÿõ áóäåò ðàññêàçàíî â äàëüíåéøåì.
Ðàññ÷èòûâàòü çíà÷åíèÿ äèïîëüíûõ ìîìåíòîâ ìîëåêóë íà ïåðâûõ ïîðàõ íå óìåëè. Äî ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè ýòî âîîáùå áûëî íåâîçìîæíî. Íî åñëè ñ÷èòàòü äèïîëüíûå ìîìåíòû p1 è ð2 äâóõ ìîëåêóë èçâåñòíûìè, òî çàâèñèìîñòü ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó íèìè îò ðàññòîÿíèÿ ìîæíî âû÷èñëèòü. Äëÿ ýòîãî íóæíî òîëüêî çíàòü çàêîí âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ òî÷å÷íûõ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Ýòîò çàêîí (çàêîí Êóëîíà) óæå äàâíî áûë èçâåñòåí. Ñèëà ïðèòÿæåíèÿ äâóõ äèïîëåé ìàêñèìàëüíà, êîãäà îíè ðàñïîëàãàþòñÿ âäîëü îäíîé ëèíèè (ðèñ. 2.8). Ýòà ñèëà âîçíèêàåò èç-çà òîãî, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ðàçíîèìåííûìè çàðÿäàìè, íàõîäÿùèìèñÿ â òî÷êàõ 2 è 3, ÷óòü ìåíüøå, ÷åì ìåæäó îäíîèìåííûìè, ðàñïîëîæåííûìè â òî÷êàõ 1, 3 è 2, 4.
Ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ äèïîëåé çàâèñèò îò èõ âçàèìíîé îðèåíòàöèè. Ïîýòîìó îíà íàçûâàåòñÿ îðèåíòàöèîííîé. Õàîòè÷åñêîå òåïëîâîå äâèæåíèå íåïðåðûâíî ìåíÿåò îðèåíòàöèþ ìîëåêóë-äèïîëåé. Ó÷èòûâàÿ ýòî, ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ äèïîëåé íóæíî âû÷èñëÿòü êàê ñðåäíþþ ïî âñåâîçìîæíûì îðèåíòàöèÿì. Ðàñ÷åòû ïðèâîäÿò ê ñëåäóþùåìó ðåçóëüòàòó: ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà ïðîèçâåäåíèþ äèïîëüíûõ ìîìåíòîâ p1 è ð2 ìîëåêóë è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ ìåæäó íèìè â ñåäüìîé ñòåïåíè:
Ýòî î÷åíü áûñòðîå óáûâàíèå ïî ñðàâíåíèþ ñ ñèëîé âçàèìîäåéñòâèÿ òî÷å÷íûõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, êîòîðàÿ ïðîïîðöèîíàëüíà Èíäóêöèîííûå (ïîëÿðèçàöèîííûå) ñèëûÌîæíî óêàçàòü åùå îäíî äîñòàòî÷íî ïðîñòîå âçàèìîäåéñòâèå ìîëåêóë. Îíî âîçíèêàåò ìåæäó äâóìÿ ìîëåêóëàìè, îäíà èç êîòîðûõ îáëàäàåò äèïîëüíûì ìîìåíòîì, à äðóãàÿ — íåò. Äèïîëüíàÿ ìîëåêóëà ñîçäàåò ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, êîòîðîå ïîëÿðèçóåò ìîëåêóëó ñ ýëåêòðè÷åñêèìè çàðÿäàìè, ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûìè ïî îáúåìó. Ïîëîæèòåëüíûå çàðÿäû ñìåùàþòñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ëèíèé íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, à îòðèöàòåëüíûå — ïðîòèâ.  ðåçóëüòàòå íåïîëÿðíàÿ ìîëåêóëà ðàñòÿãèâàåòñÿ (ïîëÿðèçóåòñÿ) è ó íåå âîçíèêàåò äèïîëüíûé ìîìåíò (ðèñ. 2.9).
Ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ ìîæíî ðàññ÷èòàòü è â ýòîì ñëó÷àå. Îíà ïðîïîðöèîíàëüíà äèïîëüíîìó ìîìåíòó ð ïîëÿðíîé ìîëåêóëû, íåêîòîðîé âåëè÷èíå α, õàðàêòåðèçóþùåé ñïîñîáíîñòü íåïîëÿðíîé ìîëåêóëû ïîëÿðèçîâàòüñÿ (îíà íàçûâàåòñÿ ïîëÿðèçóåìîñòüþ), è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà ñåäüìîé ñòåïåíè ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ìîëåêóëàìè:
Ýòè ñèëû ïðèòÿæåíèÿ íàçûâàþòñÿ èíäóêöèîííûìè èëè ïîëÿðèçàöèîííûìè, òàê êàê îíè âîçíèêàþò áëàãîäàðÿ ïîëÿðèçàöèè ìîëåêóë, âûçâàííîé ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé èíäóêöèåé.
|
|
|