Несмотря на наличие притяжения между молекулами, физические тела имеют различный объем. Почему? Этот парадокс кажется необъяснимым, но на самом деле имеет вполне разумное научное обоснование.
Молекулярное строение вещества
В основе всего многообразия веществ и материалов в природе лежит их молекулярное строение. Согласно молекулярно-кинетической теории, любое вещество состоит из чрезвычайно малых частиц - атомов и молекул. Их размеры измеряются нанометрами (10-9 м), а масса атомов - порядка 10-25-10-23 кг.
- Атом - неделимая частица химического элемента, имеющая положительно заряженное ядро и электронную оболочку
- Молекула - электронейтральная частица, состоящая из атомов
- Вещество - совокупность одинаковых молекул или атомов
- Тело или физическое тело - любой предмет, занимающий некоторый объем в пространстве и обладающий определенной массой
- Материя - философская категория, обозначающая объективную реальность, существующую независимо от сознания человека
Все вещества в природе представляют собой гигантские скопления атомов и молекул, насчитывающие до 1023 частиц в 1 грамме вещества. Эти мельчайшие структурные элементы находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении, сталкиваясь друг с другом.
| Состояние вещества | Характер движения молекул |
| Твердое тело | Колебания около положений равновесия в узлах кристаллической решетки |
| Жидкость | Тепловое хаотичное движение с возможностью перескоков между соседними положениями |
| Газ | Высокоскоростное тепловое движение с возможностью свободного перемещения по всему объему |
Несмотря на различия в подвижности, все молекулы и атомы взаимодействуют между собой. Межмолекулярные силы проявляются как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Именно благодаря притяжению частиц друг к другу, твердые тела не распадаются, а сохраняют целостность. Но почему же в таком случае вещества имеют различный объем?
Дело в том, что наряду с притяжением между молекулами действуют и силы отталкивания. Их равнодействующая определяет то расстояние, на котором устанавливается динамическое равновесие частиц. Это расстояние и задает тот самый объем, который занимает вещество в конкретном агрегатном состоянии при данных температуре и давлении среды.
Объем любого вещества есть результат баланса межмолекулярных сил притяжения и отталкивания в данных термодинамических условиях.
Таким образом, несмотря на универсальное притяжение между частицами вещества, их взаимное расположение в пространстве может существенно варьироваться. А это и определяет различный объем занимаемый телами.
Силы межмолекулярного взаимодействия
Почему тела не рассыпаются хотя состоят из отдельных молекул? Все дело в природе и особенностях межмолекулярных сил. Рассмотрим их подробнее.
Силы межмолекулярного притяжения обусловлены электромагнитным взаимодействием между электрическими зарядами составляющих частиц. Они проявляются только на очень малых расстояниях порядка 1-10 нм и резко убывают при удалении частиц друг от друга.
- Ван-дер-ваальсово притяжение
- Водородная связь
- Ориентационное взаимодействие молекул
- Ионная связь
- Металлическая связь
Существуют различные механизмы и виды отталкивания молекул:
| Вид отталкивания | Причина |
| Стерическое (пространственное) | Непроницаемость молекул, их конечные размеры |
| Электростатическое | Взаимодействие одноименных электрических зарядов |
| Структурное | Особенности электронных оболочек взаимодействующих атомов |
Почему несмотря на притяжение между молекулами тела имеют разный объем? Как мы видим, силы межмолекулярного взаимодействия многообразны по своей природе и порой конкурируют между собой. Их конечный баланс и определяет то расстояние, на котором частицы уравновешивают друг друга.
Практические примеры действия межмолекулярного взаимодействия
Рассмотрим несколько практических примеров проявления межмолекулярных сил в повседневной жизни.
Одним из наиболее наглядных примеров являются капиллярные явления. Жидкость под действием сил поверхностного натяжения самопроизвольно поднимается или опускается в узких капиллярных трубках. В основе этого лежит баланс сил притяжения между молекулами жидкости и молекулами стенок трубки:
h = 2σcosθ / (ρgr)
где h - высота подъема (опускания) жидкости, σ - коэффициент поверхностного натяжения, θ - краевой угол смачивания, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, r - радиус капилляра.
Явление смачивания или несмачивания тел жидкостью также обусловлено соотношением сил межмолекулярного взаимодействия. Гидрофильные («водолюбивые») поверхности смачиваются водой, а гидрофобные («водобоязливые») - отталкивают ее.
Влияние внешних условий на межмолекулярное взаимодействие
Почему несмотря на притяжение между молекулами тела имеют разный объем? На силы притяжения и отталкивания могут влиять внешние факторы - давление, температура, электрическое и магнитное поля. Это приводит к изменению взаимного расположения частиц в теле и соответственно его объема.
Повышение температуры активизирует тепловое хаотичное движение частиц, они начинают интенсивнее сталкиваться и отталкиваться друг от друга. В результате средние межмолекулярные расстояния увеличиваются и тело расширяется - происходит тепловое расширение.
При охлаждении подвижность молекул замедляется, преобладают силы притяжения и тело сжимается, его объем уменьшается. Это тепловое сжатие наблюдается при всех фазовых переходах из менее плотного состояния в более плотное - из газа в жидкость, из жидкости в твердое тело.
Аномалии и парадоксы объемных свойств веществ
В природе существует немало удивительных аномалий и парадоксов, связанных с объемными свойствами различных веществ. Рассмотрим некоторые из них.
Одна из самых известных аномалий - необычное поведение воды при температурах около 0°C. При понижении температуры вода вначале сжимается, как и все жидкости, но затем в интервале 0-4°C вдруг начинает расширяться! Это связано с особой структурой льда, в котором водородные связи выталкивают молекулы на бóльшие расстояния по сравнению с жидким состоянием.
Любопытный «объемный» парадокс наблюдается при сжижении газов. С увеличением давления объем газа должен уменьшаться согласно закону Бойля-Мариотта. Однако в определенный момент происходит резкое падение объема, и газ превращается в жидкость! Происходит это из-за преобладания сил притяжения при сближении молекул.
Роль межмолекулярных взаимодействий в фазовых переходах
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое тесно связан с изменением баланса межмолекулярных сил. Рассмотрим влияние взаимодействия частиц при плавлении, кристаллизации, испарении и конденсации.
При плавлении и кристаллизации решающую роль играет преодоление сил связи в кристаллической решетке твердого тела. При достижении температуры плавления интенсивность теплового движения молекул становится достаточной для разрыва этих связей. Возникает жидкость, в которой частицы хаотично диффундируют.
Парообразование и конденсация связаны с балансом сил поверхностного натяжения на границе жидкость-пар. Испаряются лишь молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией для преодоления этих сил.
