Почему, несмотря на притяжение между молекулами, тела имеют разный объем? Объяснение
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.