В данной статье мы разберем основные особенности того, как движутся молекулы в жидкостях, рассмотрим отличия движения от газообразного и твердого состояний вещества. Также изучим факторы, влияющие на это движение, и его важнейшие характеристики.
Общие представления о строении жидкостей
Жидкое состояние вещества занимает промежуточное положение между газом и твердым телом. В отличие от газа, молекулы в жидкости расположены гораздо ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее. Но в то же время их взаимное расположение не является жестко фиксированным, как в твердом теле.
Расстояния между молекулами в жидкости сравнимы с размерами самих молекул. Это определяет такие характерные свойства жидкого состояния, как способность сохранять объем и принимать форму сосуда.
Вместе с тем, благодаря подвижности молекул и ограниченности межмолекулярных взаимодействий, жидкости обладают текучестью, то есть способностью непрерывно менять свою форму под воздействием малейших сдвигающих сил.
Характер теплового движения молекул в жидкости
Подобно молекулам газа, молекулы в жидкости находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении. Однако это движение носит несколько иной характер.
Молекулы жидкости совершают не только колебания вокруг положений равновесия, но и способны «перепрыгивать» из одного такого положения в другое. Это обуславливает их относительную подвижность.
Согласно теории, разработанной Я.И. Френкелем, жидкость можно рассматривать как совокупность гармонических осцилляторов. При этом в отличие от твердого тела, где положения равновесия строго фиксированы, в жидкости они имеют лишь временный характер.
После ряда колебаний около одной точки молекула способна «перепрыгнуть» в новое положение, затратив на это некоторую энергию активации. Этот переход и обеспечивает текучесть жидкостей.
Средняя скорость теплового движения
Несмотря на ограниченность объема, средние скорости хаотичного теплового движения молекул в жидкостях остаются весьма высокими, сравнимыми со скоростями молекул газа.
Так, для воды при комнатной температуре этот показатель составляет порядка 500 м/с. С повышением температуры средняя скорость возрастает.
Оценить это значение можно по формуле:
где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, m - масса молекулы.
Факторы, влияющие на движение молекул
На характер теплового движения молекул жидкости влияет целый ряд факторов.
- Температура. Повышение температуры ускоряет движение молекул.
- Давление. Сжатие жидкости приводит к «затруднению» движения молекул из-за их сближения.
- Природа молекул. Чем меньше масса и размер молекул, тем выше их подвижность.
- Межмолекулярные взаимодействия. Чем сильнее эти взаимодействия, тем меньше подвижность.
Учет этих факторов используется, например, при создании смазочных материалов с различными свойствами.
Влияние структуры молекул на их подвижность
Структура молекул жидкости также оказывает существенное влияние на характер их теплового движения. Молекулы с линейной или шарообразной формой обладают бóльшей свободой перемещения по сравнению, например, с длинными цепочечными молекулами.
Последние испытывают стерические затруднения из-за запутывания друг с другом, что снижает их подвижность в жидкости. Этим в частности объясняется более высокая вязкость масел по сравнению с водой.
Роль межмолекулярных взаимодействий
Сила межмолекулярных взаимодействий также критически важна. Чем она выше, тем жестче структура жидкости и ниже подвижность частиц.
Так, ртуть как жидкий металл обладает особенно высокой подвижностью благодаря слабым ван-дер-ваальсовым связям между атомами. В воде же за счет водородных связей подвижность молекул гораздо ниже.
Экспериментальные методы изучения
Экспериментально наблюдать непосредственно движение отдельных молекул пока не удается. Однако существуют косвенные методы его изучения.
К примеру, по наблюдаемому броуновскому движению можно судить о хаотичном тепловом движении молекул жидкости. Другим полезным методом служит спектроскопия - исследование спектров испускания или поглощения.
Как движутся молекулы в жидкости: резюме
Итак, молекулы в жидкостях находятся в непрерывном интенсивном хаотичном движении со средними скоростями порядка сотен метров в секунду. Это движение включает как колебания молекул около временных положений равновесия, так и их перескоки между этими положениями.
Характер движения молекул определяет многие важнейшие свойства жидкого состояния вещества, такие как текучесть, способность к переносу тепла и диффузии веществ.
Понимание основ этого движения крайне важно в физике и химии жидкостей, а также во множестве прикладных областей - от химической технологии до биологии и медицины.
