А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 50

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 50)

Поэтону межнолекулярное взаимодействие описывается всегда приближенными формулами со строга определенными тропиками их справедливости. Ионная связь возникает в результате полного обмена эарядани, а ковалентиая — в результате частичного. Силы Ван-дер-Ваальса возникают бе» обмена зарядами. Металлическая связь по своей физической природе является кояалентной, но обобществляются нногие эпектроньь 222 4. Газы с межыодскудярным взаимодействием н жилкостн кристалла. На рнс. 60 показана возможность упаковки шаров одинакового радиуса.

Если имеется два сорта ионов различного радиуса, то возможности упаковки более разнообразны. Наиболее типичные нз ннх показаны на рнс. 61 — 63. Следует сказать лишь несколько слов об упаковке ионов, изображенной на рнс. 62. Маленькие шары как бы «внсят», не соприкасаясь с соседями. Это означает, что действующие на ннх кулоновскне силы как бы уравновешивают друг друга. Не следует думать, что эта ситуация противоречит нзнесгной яз тсорнн элсктромагнстнзма теореме Ирншоу, согласно которой статическое равновесие электрических зарядов невозможно. В данной системе присутствуют нс только кудононскнс силы, но и «уцругяе» силы, нозннкаюшяе от соприкосновения сфер, которые котя я имеют электромагнитное цронсхождсняс, но нс сводятся к нему.

Кроме того, в целом ноя структура является динамической н поэтому никакого противоречия с теоремой Ирншоу нс возникает. Следующим типом кристаллов являются молекулярные кристаллы, когда в узлах кристаллической решетки располагаются молекулы.

Между молекулами в этом случае действуют очень слабые силы, называемые вандер-ваальсовымн. Их происхождение н особенности будут рассмотрены в этом же параграфе несколько позднее. Сейчас достаточно отметить лишь слабость этих снл, чтобы показать относительную непрочность молекулярных крнсталлов. У металлов, нлн металлических кристаллов, ковалентная связь усиливается н приводит к тому, что плотность электронов между остовами ионов достигает заметных значений, а электроны, осуществляющие связь между вонами, прахтнческн потеряли всякую связь с ионами, от которых онн произошли, н могут рассматриваться как общие электроны всего кристалла. В кристалле получается электронный газ. Возникающая прн этом связь называется металлической. Такие типы связи не исчерпывают всего многообразия связей, существующих в кристаллах.

Вещества с достаточно сложной кристаллической структурой часто не удается отнести к кристаллам с какнм-то определенным типом связн. Кроме того, если какая-то связь имеет доминирующее значение, другие типы связи могут также играть некоторую роль.

Например, у металлов проявляются некоторые особенности ковалентной н молекулярной связн. Кроме того, в ряде случаев вообще недостаточно прннять во внимание лишь парные взанмодействня. Непарные взаимодействия убывают с расстоянием быстрее, чем 61 60. Плотная упаковка ионов одинакового радиуса 61. Распопажсннс ионов, когда атногиснис ик радиусов Угу у 1 9 29. Силы взаимодействия 223 63 62. Расположение ионов, когда различив их радиусов велико 63. Расположение ионов различного ралиуса, когда расстояние между ближайшими соседями равно сумме их воявмх радиусов ° Если средняи кинетическая энергии нолекул неньве абсолютного значении средней энергии нк взаинного лритяжения, т. е.

если средняя полная знергмв нолевул (энергия взаинодедствия + кинетическая энергия) отрииательна, то возникает связанное состояние систены молекул, т.е.либо жидкость, лмбо твердое тело. другне парные снлы между молекулами, но тем не менее в ряде ситуаций играни заметную роль. Важную роль в образовании связей в твердых телах играет водородная связь. По своей физической природе она не является отдельным типом связи. Но по своей роли ее целесообразно выделить в отдельную категорию.

Это обусловлено особенностямн строения атома водорода. Во-первых, ионом атома водорода является протон, размеры которого примерно в 10з раз меньше всех других ионов. Поэтому практически этот нон можно считать точечным. Во-вторых, электрон в атоме водорода очень сильно привязан к ионному остову (протону). Ионнзацнонный потенциал атомарного водорода около 13,5 эВ, что в несколько раз больше ноннзацнонного потенциала для других атомов.

Это означает, что прн образовании ионных кристаллов он ведет себя иначе, чем другие элементы, в частности протон как бы «садятся» непосредственно на поверхность отрицательного нона„в результате чего возникают такие структуры, которые невозможны прн налнчнн любых других ионов. Прн подходящнх условиях протон может, например, обеспечить возникновение снл притяжения между двумя отрицательными ионами по той схеме, которая дана на рнс. 59.

Электрон прн этом должен, конечно, <пуе мешать» возникновению этого притяжения. Сущность водородной связи состоит в том, что электрон н протон движутся так, что в кристалле возникают обусловленные нх движением связи, называемые водородными. Важным прн возникновении водородных связей является то, что первой заполненной электронной оболочкой в кулоповском поле является оболочка с двумя электронамн. Поэтому атом водорода может образовать лишь одну ковалентную связь, что очень существенно для характеристики структуры соответствующих ковалентных кристаллов. 224 4. Газы с мсжмслскулярным взаимслсйсьвисм и жидкости Структура жидкостей. В газах и в жидкостях молекулы не связаны между собой стационарными устойчивыми связями.

Молекулы изменяют относительные положения. В газах расстояние между молекулами в среднем большое и они быстро изменяют взаимное положение. В жидкостях расстояние между молекулами мало, они плотно заполняют занимаемое жидкостью пространство и сравнительно медленно меняют взаимное положение. В течение сравнительно продолжительных промежутков времени группы молекул могут образовывать агрегаты молекул. Эти агрегаты молекул по своим свойствам напоминают твердое тело.

Таким образом, жидкости по своей структуре и межмолекулярным силам имеют как свойства газа, так и свойства твердых тел. В связи с этим теория жидкостей является наиболее трудной и наименее разработанной. Силы Ван-дер-Ваальса. При сравнительно больших расстояниях между молекулами действуют силы притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы возникают вследствие того, что при небольшом смещении отрицательных и положительных зарядов в нейтральной молекуле она перестает быть нейтральной в электрическом отношении, превращаясь в диполь, т.

е. совокупность разноименных, одинаковых по абсолютному значению, расположенных на близком друг от друга расстоянии зарядов (рис. 64). Диполь характеризуется электрическим моментом, равным произведению заряда на расстояние между зарядами. Диполь создает в пространстве вокруг себя электрическое поле, обусловленное полями обоих зарядов диполя.

Ясно, что напряженность этого поля нс равна нулю, поскольку расстояния до зарядов диполя от точек пространства различны и, следовательно, поля противоположных зарядов диполя не компенсируют друг друга. С другой стороны, на диполь действуют силы со стороны внешнего электрического поля, в котором находится диполь, если только это поле не однородно.

Имеются молекулы, обладающие постоянным дипольным моментом. Такие молекулы называются полярными. При приближении друг к другу они стремятся развернуться так, чтобы нх обращенные друг к другу стороны были заряжены разноименно. Если обращенные друь к другу стороны заряжены одноименно, то такая взаимоориентировка, как легко видеть, является неустойчивой. Когда полярные молекулы обращены друг к другу разноименными зарялами, то, как легко проверить, суммарная сила притяжения между зарядами диполя будет больше, чем суммарная сила отталкивания. 64.

Всзникнсвенне снл Вал-лср- Ваалвса й 29. Силы взаимодействии 225 Е„-и оа Потенливл межмолев5лврново втвнмолейетвнл (29.3) в которой постоянные аы ат, и, т подбираются из требований наилучшей аппроксимации реального потенциала. Как показало исследование потенциалов, в большинстве случаев хорошим приближением является и = 12, в» = б 15 А. Н. Матвеев — 1488 Поэтому полярные молекулы притягиваются. Такие силы называются дипольно-ориентационными. Если молекулы не имеют постоянного дипольного момента, то при помещении во внешнее электрическое поле они его приобретают. Во внешнем электрическом поле положительные заряды молекулы несколько смещаются в направлении поля, а отрицательные — в противоположном направлении. В результате, если внешнее поле неоднородно, на нейтральную молекулу действует сила со стороны электрического поля. Явление образования дипольного момента у молекулы под действием поля называется поляризацией.

При сближении неполярных молекул электрические поля составляющих их зарядов быстро меняются во времени и лишь в среднем компенсируют друг друга в различных точках пространства. Поэтому при сближении молекулы поляризуют друг друга, причем обращенные друг к другу стороны поляризованных молекул обладают зарядами противоположного знака. Такие взаимно поляризованные молекулы притя~ивают друг друга.

Эти силы называются дисперсионными. Это название обусловливается тем, что поляризуемостью молекул объясняется также дисперсия света„т. е. изменение скорости света и показателя преломления среды в зависимости от часФоты. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. На малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания. Это является просто выражением того факта, что молекула занимает некоторую область пространства и препятствует другим молекулам проникать в эту область. Эти силы проявляются в очень малой области, порядка размеров молекулы.

Характер изменения потенциальной энергии взаимодействия в зависимости от расстояния г между молекулами показан на рис. 65. При г > го между молекулами действуют силы притяжения, при г < го — силы отталкивания. Более точно характеристика (~(г) может быть дана лишь конкретно для данных молекул. Какой-либо универсальной формулы У(г), пригодной для всех молекул, не существует. Обычно функция П(г) аппроксимируется формулой вида 226 4. Гизы с межмолекулириым взвимодсвствием и жидкости при гч и аз, уточняемых для конкретных атомов. Получаемый при этом потенциал записывается в виде (29.4) 4яео ~ (г — 1)з (г+ 1)з ~ 4яаозз ~ (1 — 1/г)з (1+ 1,'г)з (29.5) где 9 — абсолютное значение зарядов, разошедшихся в молекуле на расстояние 21.

Характеристики

Список файлов книги