А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Вторая группа жидких кристаллов, называемых нематиками, не имеет пространственйой упорядоченности, а характеризуется ориентационной упорядоченностью их молекул. Их молекулы сильно вытянуты, и орненташюнная упорядоченность возникает из-за преимущественной ориентации этих длинных молекул. У смектиков молекулы также сильно вытянуты.
Поэтому можно осязать, что особенностью жидких кристаллов с молекулярной точки зрения является вытянутая структура их молекул, приводящая к анизотропии свойств. Смектики. Смектики делятся на три типа. Обозначим их А, В, С. У смектиков типов А и С слои жидкости ведут себя как двумерная жидкость, центры масс 282 4. Газы с межмолекуляриым взаимодействием и жидкости молекул которой в слое описываются бинарной функцией распределения. У смектиков типа В слои жцдкости по своим свойствам ближе к двумерному твердому телу.
В пределах слоев имеются периодичность и жесткость, характерные для твердого тела. Благодаря этому, в частности, наблюдается дифракция рентгеновских лучей на твердотельной упорядоченности внутри каждого слоя. В отличие от смектиков типов А и С, у которых слои, как правило, искривлены, слои смектиков типа В являются плоскими. Толгцина слоев смектика типа А близка к длине молекул, направленных в среднем перпендикулярно поверхности раздела между слоями (рис. 87).
Локальные свойства системы слоев аксиально-симметричны относительно оси вращения, перпендикулярной поверхности раздела между слоями, причем оба направления вдоль перпендикуляра эквивалентны. Отсюда следует, что в оптическом отношении смектика типа А проявляют свойства одноосного кристалла. Толщина слоев смектика типа С меныпе длины молекул и естественным является предположение, что молекулы у него направлены под углом к поверхности раздела (рис. 88). Благодаря этому локальные свойства не являются аксиально-симметричными относительно оси, перпецдикулярнай поверхности раздела.
Смектики типа С обладают типичными свойствами двуосных кристаллов. Если длинные молекулы, образующие смектик С, оптически активны, причем правые и левые формы молекул присутствуют не в одинаковом количестве, то его структура усложняется. В этом случае при переходе от слоя к слою направление наклона осей молекулы прецессирует вокруг перпендикуляра к поверхности раздела между слоями (рис.
89). Кроме смектиков А, В и С существуют также смектики других типов (Н, О, Е, ...), которые здесь не рассматриваются. Нематвкв. Они не обладают пространственной упорядоченностью. Анизотропия их свойств возникает из-за ориентационной упорядоченности их длинных молекул (рис.
90), а дальний порядок в расположении центров масс молекул отсутствует, как это характерно для бинарной функции распределения жидкости. Выделенным направлением служит линия ориентации молекул нема- тика. Эта линия является осью симметрии свойств нематика,причем оба направления вдольлинии являются эквивалент'ными. Если молекулы обладают дипольным моментом, то ориентация диполей в обоих направле- ФЮИ /ЖЧ/ ИЫЙ 88 Ф/ЮУ 87.
Структура смсктика типа А Молекулы своих инакости ариев. тиромны в сремнм нормал но к иовермннти слоев 88. Структура смсктика типа С Молскулм в слала аилкссхи ориентированы нсл углом н лааерхности слоев В9 В 36. Структура жидкостей. Жнлкие кристаллы 283 ниах равновероятна: днпольиые моменты одной по- ловины молекул ориентированы в одном направлении, а у другой половины — в противоположном. Поэтому в оптическом отношении нематик является одноосным кристаллом, причем оптическая ось совпадает с выделенным направлением. Нематики встречаются лишь среди веществ, у которых правые и левые формы молекул совпадают. Если они различны, то присутствуют в одинаковом количестве (рацемическая система).
Холестерики. Если в нематике создать избыток правых или левых молекул, то структура нематической фазы искажается, а именно появляется спиральное искажение. Оно наблюдается, в частности, у чистого эфира холестерина. Поэтому возникающая при этом спиральная фаза называется холестерической. Распределение центров масс молекул при этом, так же как и в нематической фазе, не обнаруживает дальнего порядка, а локальные свойства в каждой области характеризузотся направлением ориентации молекул в ней.
Однако в отличие от нематиков при переходе от одной области к другой направление преимущественного ориентирования молекул изменяется, в результате чего возникает спиральная структура (рис. 91). Спирали могут быть как правого, так и левого вращения в зависимости от того, какие молекулы присутствуют в избытке. Ясно, что холестерики могут существовать лишь у веществ, правые и левые формы молекул которых различны и присутствуют в разньух пропорциях (нерацемические си- стемы). Свойства и применение жидких кристаллов. Жидкие кристаллы обладают очень важными ошическнми свойствамн, которые обеспечили их многочисленное применение и большой интерес к их изучению.
Как нематики, так н смектики типа А являются одноосными кристаллами, свойства которых легко и в широких пределах 89. Процессия осей молекул а смсятикс типа С с оптически активными молекулами при переходе от слоя к слою 90 Оркеитациоккая упорядоченность молекул в кематиках ° Жидкие кристаллы обладают многими оптическими, алектрнческнни, магнитными и другини свойствани, характерными для «ристолло, и в то же вреня сакраняиьт ннотие механические свойства, характерные дпя жидкости, например свойство текучести.
С 1. Каково интерпретация физического сныспо парной функции распределения> К В «оких физически» явлениях и чен проявляется наличие структуры в строении жидкостейу 3. Какие главные нехоиианы оброяоваиия аииаотропии свойств сосуществуют у жидких кристаппов1 91 изменяются внешними воздействиями.
Это открывает широкие возможности управления световыми потоками с помощью жидких кристаллов. Холсстернки вслслствнс спиральной периодичности нх структуры проявляют Лифракционные свойства в видимой части спектра. Поскольку шаг спирали изменяется пол влиянием внешних воздействий, например температуры, то с помощью этих внешних воздействий также можно управлять световым потоком. На свойства жидких кристаллов большое влияние бказывают электрические н магнитные поля.
Изучение этих влияний является в настоящее время предметом интенсивных научных исследований, а получаемые результаты используются в практике. Широко известны цифровые указатели на жидких кристаллах, дисплеи. Разработан метод визуализации изображений в ультрафиолетовом излучении. Большими преимуществами жидкокристаллических пленок являются их сравнительная дешевизна и малая величина используемых мощностей и электрических напряжений. 91.
К иоасиеиикз структуры ко- лестерика 284 4 Газы с межмолекулярнь~м взаимолействием и жидкости $ ЗХ Жидкис растворы 285 б 37 Жидкие растворы Рассматриваются физическая картина нронесса растворения и его основные колнчествснные яарактеристики. Обсуждается зависимость растворимости от давления и температуры. Приводятся диаграммы состоянии ряс~вора. Определение. Жидкими растворами называется молекулярная смесь двух нли нескольких веществ, находящихся в жидком состоянии. Если одно из веществ присутствует в растворе в значительно большем количестве, чем другие, то оно называется растворителем, а другие — растворенными веществами. Растворы, состоящие из двух веществ, называются бинарными.
Количественные характеристики. Относительную концентрацию веществ в растворе удобно характеризовать молярной концентрацией, определяемой как отношение числа молей одного из веществ в растворе к обгцему числу молей: й, = нг/(и, + нг), йг = нг~/(нг + кг), г)г + яг = 1. (37.1а) Удобство такой характеристики состоит в том, что она дает долю числа молекул (или атомов) каждого из веществ относительно полного числа молекул в растворе.
В самом деле, по определению для чисел атомов имеет А1г = Хдн„ АУг = /чудна, где )У/л — постоянная Авогадро. Поэтому выражение (37.1а) может быть записано в виде % = дуг/(А'г + )Уг). Чг = )У/г/(А'1 + А'г). Яг + йг = 1. Концентрация часто характеризуется относительной величиной масс компонент, входящих в раствор. Тогда вместо (37.1) концентрации с7г и йг определяются формулами % = нгг/(нгг + нгг), яг = тнг/(нгг + нгг), 4 + т/г = 1, (37.2) где нгг и ег — массы компонент, входящих в раствор. Растворимость. Раствор может быть образован как в результате растворения в жидкости твердых веществ, так и смешением жидкостей.
При этом возможны различные случаи. Бывают ситуации, когда в растворе может присутствовать любое количество компонент. В некоторых ситуациях существует предел концентрации одного из веществ. При дальнейшем добавлении этого вещества в раствор оно уже не растворяется. Например, нельзя растворить в данном количестве воды сколь угодно' большое количество сахара. В этом случае максимальная равновесная концентрация называется растворимостью. Она зависит от давления н температуры. Твердые вещества всегда имеют предел концентрации при растворении в жидкости.
Жидкости в большинстве случаев (например, спирт и вола) смешиваются в любых пропорциях. Теплота растворения. Механизм растворения сводится к разрыву связей между молекулами каждого из исходных веществ и образованию новых связей между молекулами веществ, находящихся в растворе. Во многих случаях при растворении молекулы вещества распадаются на свои составные части — ионы (у солей, щелочей и т. д.). Обычно на разъединение молекул при растворении вещества затрачивается определенная энергия. Благодаря этому при растворении происходит охлажление.
Энергия, затраченная на растворение, на танается теплотой растворения. 28б 4. Газы с мсжмолскулярным взаимодействием и жидкости После разъелинения молекул растворяемого вещества силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя могут быть столь значительными, что приводят к образованию комплексов молекул. При этом за счет работы сил притяжения внутренняя энергия увеличивается и происходит нагревание. Есгш это нагревание больше, чем охлаждение при разъединении молекул растворяемого вещества, то чистый итог процесса растворения сводится к нагреванию при растворении. Выделяющаяся при этом теплота также называется теплотой растворения. К таким случаям относится, например, растворение кислот в воде.
Взаимодействие между молекулами в газах очень слабое. Поэтому растворение газов в большинстве случаев сопровождается выделением теплоты. Идеальные распюры. Это такие растворы, у которых теплота растворения равна нулю. Ясно, что в этих растворах характер взаимодействия между молекулами растворенного вещества и растворителя такой же, как и между молекулами растворителя. Это означает, что взаимодействие между молекулами в растворе не меняется, если заменить некоторое число молекул растворенного вещества на такое же число молекул растворителя, и наоборот. Закон Рауля.
Из условия динамического равновесия на границе между насыщенным паром н раствором следует, что давление насыщенных паров растворителя должно быть меньше их давления над чистым растворителем во столько же раз, во сколько плотность молекул растворителя меньше, чем когда он является чистым, без растворенного в нем вещества. Иначе говоря, лавление насыщенных паров уменьшается во столько раз, во сколько уменьшается концентрация растворителя: (37.3) где р, — давление насыщенных паров над раствором, р,'о' — давление насыщенных паров нап иксам растворителем. Аналогично для давления рг насыщенных паров растворенного вещества получаем Рг =зггРг (Ьз + ззг).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
