Сильнее всего каждый атом притягивается к тем атомам, с которыми он связан в молекуле, между самими молекулами также действуют слабые, но вполне заметные силы притяжения. Поэтому молекулы оказываются как бы слегка «клейкими».
Силы, вызываемые электростатическим взаимодействием между частицами вещества, называются вандерваальсовыми (по имени датского физика Ян-Дидерик Ван-дер-Ваальса 1837-1923). Они ответственны за существование трех состояний вещества осуществляющихся при различных температурах: кристаллического, жидкого и газообразного. Температура является мерой тепловой энергии или энергии движения, которой обладает совокупность молекул. При низких температурах молекулы имеют малую энергию движения, и вандерваальсовы силы притяжения удерживают молекулы вместе в упорядоченной плотноупакованной кристаллической структуре или решетке (рис. 1.3, в). Эта ситуация соответствует твердому кристаллическому состоянию.
Если к кристаллу подводится энергия, его температура повышается и молекулы все сильнее колеблются относительно своих равновесных положений в кристаллической решетке. При подведении достаточной энергии упорядоченная структура молекулярного кристалла разрушается и молекулы получают возможность свободно скользить одна вдоль другой, хотя они по-прежнему соприкасаются друг с другом (рис. 1.3, б). Эта ситуация соответствует жидкому состоянию, а температура перехода между кристаллическим и жидким состоянием называется температурой плавления (tпл).
|
|
Жидкость по-прежнему удерживается вандерваальсовыми силами притяжения, хотя молекулы имеют слишком большую энергию движения, чтобы оставаться в фиксированных положениях. Если к жидкости подводится дополнительная энергия, молекулы начинают двигаться достаточно быстро и способны преодолевать вандерваальсовы силы притяжения, полностью отделяясь одна от другой и двигаясь в пространстве по независимым молекулярным траекториям (рис. 1.3, а). Эта ситуация отвечает газовой фазе, а температура перехода между жидкостью и газом называется температурой кипения (tкип).
В табл. 1.3 сопоставлены температуры плавления и кипения некоторых веществ, состоящих из молекул. Как правило, молекулам с большей молекулярной массой соответствуют более высокие температуры плавления и кипения, поскольку они имеют большую поверхность, что приводит к большим вандерваальсовым силам притяжения. Так, при p = 101325 Па водород кипит при -252,5 °С, метан — -164,0 °С, а октан следует нагреть до +125,7 °С, чтобы его молекулы отделились одна от другой и перешли в газовую фазу.
Рис. 1.3. Три фазовых состояния вещества.
|
|
а — в газовой фазе индивидуальные молекулы свободно перемещаются в пространстве, сталкиваются друг с другом и разлетаются в разные стороны. Газ всегда принимает форму того сосуда, в котором он находится, и легко расширяется или сжимается; б — молекулы жидкости соприкасаются друг с другом, но свободно скользят между другими молекулами. Жидкость также принимает форму сосуда, куда ее помещают, но она обладает довольно постоянным объемом; в кристалле молекулы упакованы закономерным образом, из-за чего твердые вещества имеют постоянный объем и определенную форму. Для разрушения или деформации кристалла необходимо выполнить некоторую работу.