המרחק בין טבלת מולקולות הגז. המרחקים בין מולקולות דומים למידות המולקולות (בתנאים רגילים) עבור. תנועת מולקולות בנוזלים

1. מבנה הגופים הגזים, הנוזליים והמוצקים

התיאוריה הקינטית המולקולרית מאפשרת להבין מדוע חומר יכול להיות במצבים גזים, נוזליים ומוצקים.
גזים.בגזים המרחק בין אטומים או מולקולות הוא בממוצע פעמים רבות גדלים נוספיםהמולקולות עצמן ( איור 8.5). לדוגמה, בלחץ אטמוספרי נפח הכלי גדול בעשרות אלפי פעמים מנפח המולקולות בו.

גזים נדחסים בקלות, בעוד שהמרחק הממוצע בין המולקולות יורד, אך צורת המולקולה אינה משתנה ( איור 8.6).

מולקולות נעות בחלל במהירות עצומה - מאות מטרים בשנייה. כשהם מתנגשים הם קופצים זה מזה לכיוונים שונים כמו כדורי ביליארד. כוחות משיכה חלשים של מולקולות הגז אינם מסוגלים להשאיר אותם קרובים זה לזה. בגלל זה גזים יכולים להתרחב עד אין סוף. הם אינם שומרים על צורתם או נפחם.
השפעות רבות של מולקולות על דפנות הכלי יוצרות לחץ גז.

נוזלים... מולקולות נוזליות ממוקמות כמעט זה בזה ( איור 8.7), כך שמולקולה נוזלית מתנהגת באופן שונה ממולקולת גז. בנוזלים קיים הסדר שנקרא טווח קצר, כלומר סידור המולקולות המסודר נשמר במרחקים השווים למספר קטרים ​​מולקולריים. המולקולה רוטטת סביב מיקום שיווי המשקל שלה, ומתנגשת במולקולות שכנות. רק מידי פעם היא עושה עוד "קפיצה", נכנסת לעמדת איזון חדשה. במצב שיווי משקל זה, כוח הדוחה שווה לכוח האטרקטיבי, כלומר, כוח האינטראקציה הכולל של המולקולה הוא אפס. זְמַן חיים יושביםמולקולת המים, כלומר, זמן התנודות שלה בערך במיקום שיווי משקל מוגדר אחד בטמפרטורת החדר, הוא בממוצע 10 -11 שניות. הזמן של תנודה אחת הוא הרבה פחות (10 -12 -10 -13 שניות). ככל שהטמפרטורה עולה, החיים היושבים של המולקולות יורדים.

אופי התנועה המולקולרית בנוזלים, שהוקם לראשונה על ידי הפיסיקאי הסובייטי יאי פרנקל, מאפשר להבין את המאפיינים הבסיסיים של נוזלים.
מולקולות נוזליות ממוקמות ישירות זו ליד זו. עם ירידה בנפח, כוחות הדוחה הופכים גדולים מאוד. זה מסביר דחיסות נמוכה של נוזלים.
כידוע, נוזלים הם נוזליים, כלומר אינם שומרים על צורתם... ניתן להסביר זאת כך. הכוח החיצוני אינו משנה באופן ניכר את מספר הקפיצות של מולקולות בשנייה. אבל הקפיצות של מולקולות ממצב יושב אחד למשנהו מתרחשות בעיקר בכיוון הפעולה של כוח חיצוני ( איור 8.8). זו הסיבה שהנוזל זורם ולובש צורה של כלי.

גופים מוצקים.אטומים או מולקולות של מוצקים, שלא כמו אטומים ומולקולות של נוזלים, רוטטים סביב עמדות שיווי משקל מסוימות. מסיבה זו, מוצקים לשמור לא רק על הנפח, אלא גם על הצורה... האנרגיה הפוטנציאלית של אינטראקציה של מולקולות מצב מוצק גדולה משמעותית מהאנרגיה הקינטית שלהן.
יש הבדל חשוב נוסף בין נוזלים למוצקים. ניתן להשוות נוזלים לקהל אנשים, שבו אנשים בודדים מסתובבים במקום בחוסר מנוחה, וגוף מוצק הוא כמו קבוצה דקה של אותם אנשים שלמרות שהם אינם עומדים בתשומת לב, אך שומרים על מרחקים מסוימים בינם לבין עצמם בממוצע. . אם אתה מחבר את מרכזי מיקומי שיווי המשקל של אטומים או יונים של מוצק, אתה מקבל סריג מרחבי רגיל, הנקרא גְבִישִׁי.
איורים 8.9 ו -8.10 מציגים את סריגי הקריסטל של נתרן כלורי ויהלום. סדר פנימי בסידור אטומי הגביש מוביל לצורות הגיאומטריות החיצוניות הנכונות.

איור 8.11 מציג יהלומי יקות.

בגז, המרחק l בין המולקולות גדול בהרבה מגודל המולקולות r 0: " l >> r 0.
לנוזלים ומוצקים l≈r 0. מולקולות הנוזל מסודרות באי סדר ומדי פעם קופצות ממצב יושב אחד למשנהו.
במוצקים גבישים, המולקולות (או האטומים) מסודרות בצורה מסודרת בהחלט.

2 . גז אידיאליבתיאוריה קינטית מולקולרית

לימוד כל תחום פיזיקה מתחיל תמיד בהכנסת מודל מסוים, במסגרתו המחקר ימשיך בעתיד. לדוגמה, כאשר למדנו קינמטיקה, מודל הגוף היה נקודה חומרית וכן הלאה. כפי שאולי ניחשתם, המודל לעולם לא יתאים לתהליכים המתרחשים בפועל, אך לעתים קרובות הוא מתקרב מאוד להתכתבות זו.

פיזיקה מולקולרית, ובפרט MKT, אינה יוצאת דופן. מדענים רבים עבדו על בעיית תיאור המודל מאז המאה השמונה עשרה: מ 'לומונוסוב, ד' ג'ול, ר 'קלאוסיוס (איור 1). האחרון, למעשה, הציג את דגם הגז האידיאלי בשנת 1857. הסבר איכותני של המאפיינים העיקריים של חומר המבוסס על תיאוריה קינטית מולקולרית אינו קשה במיוחד. אולם התיאוריה הקובעת קשרים כמותיים בין כמויות שנמדדו בניסוי (לחץ, טמפרטורה וכו ') לבין תכונות המולקולות עצמן, מספרן ומהירות התנועה, מורכבת מאוד. בגז בלחצים רגילים המרחק בין המולקולות גדול פי כמה מגודלם. במקרה זה, כוחות האינטראקציה של מולקולות זניחים והאנרגיה הקינטית של המולקולות גדולה בהרבה מהאנרגיה הפוטנציאלית של האינטראקציה. ניתן לחשוב על מולקולות גז כנקודות חומר או כדורים מוצקים קטנים מאוד. במקום גז אמיתי, בין המולקולות שאליהן פועלים כוחות אינטראקציה מורכבים, נשקול זאת הדגם הוא גז אידיאלי.

גז אידיאלי- מודל גז, שבתוכו מוצגות מולקולות גז ואטומים בצורה של כדורים אלסטיים קטנים (נעלמים) שאינם מתקשרים אחד עם השני (ללא מגע ישיר), אלא רק מתנגשים (ראו איור 2).

יש לציין שמימן נדיר (בלחץ נמוך מאוד) מספק כמעט לחלוטין את מודל הגז האידיאלי.

אורז. 2.

גז אידיאליהוא גז, שהאינטראקציה בין המולקולות שלו זניחה. מטבע הדברים, כאשר מולקולות של גז אידיאלי מתנגשות, כוח דוחה פועל עליהן. מכיוון שעל פי המודל, אנו יכולים להתייחס למולקולות הגז כנקודות חומר, אנו מזניחים את גודל המולקולות, בהנחה שהנפח שהם תופסים הוא הרבה פחות מנפח הכלי.
נזכיר כי במודל הפיזי נלקחים בחשבון רק המאפיינים של המערכת האמיתית, שהחשבון שלהם הכרחי בהחלט כדי להסביר את הקביעות שנחקרה בהתנהגותה של מערכת זו. אף דגם אחד לא יכול להעביר את כל המאפיינים של מערכת. כעת עלינו לפתור בעיה צרה למדי: שימוש בתיאוריה המולקולרית-קינטית לחישוב הלחץ של גז אידיאלי על דפנות כלי. למשימה זו מתברר שמודל הגז האידיאלי מספק למדי. זה מוביל לתוצאות שאושרו על ידי ניסיון.

3. לחץ גז בתיאוריה הקינטית המולקולרית הניחו לגז להיות בכלי סגור. מד לחץ מציג לחץ גז p 0... כיצד נוצר לחץ זה?
כל מולקולת גז, הפוגעת בקיר, פועלת עליה בכוח כלשהו לפרק זמן קצר. כתוצאה מהשפעות אקראיות על הקיר, הלחץ משתנה במהירות לאורך זמן, בערך כפי שמוצג באיור 8.12. עם זאת, הפעולות הנגרמות מההשפעה של מולקולות בודדות הן כל כך חלשות עד שהן אינן מתועדות על ידי מד הלחץ. מד הלחץ מתעד את הכוח הממוצע בזמן הפועל על כל יחידה של שטח הפנים של האלמנט הרגיש שלו - הממברנה. למרות שינויי לחץ קטנים, הלחץ הממוצע p 0בפועל, מסתבר שהוא ערך די מובהק, מכיוון שיש הרבה פגעים בקיר, והמוסות של המולקולות קטנות מאוד.

גז אידיאלי הוא מודל של גז אמיתי. על פי מודל זה, מולקולות גז יכולות להיחשב כנקודות חומריות, שהאינטראקציה שלהן מתרחשת רק כשהן מתנגשות. בהתנגשות עם קיר, מולקולות גז מפעילות עליו לחץ.

4. פרמטרים של גז מיקרו ומאקרו

עכשיו אתה יכול להתחיל לתאר את הפרמטרים של גז אידיאלי. הם מתחלקים לשתי קבוצות:

פרמטרי גז אידיאליים

כלומר, מיקרו-פרמטרים מתארים את המצב של חלקיק בודד (מיקרו-אובייקט), ומקרו-פרמטרים מתארים את מצב כל החלק של הגז (מאקרו-אובייקט). הבה נכתוב כעת את הקשר המחבר בין פרמטרים עם אחרים, או את המשוואה הבסיסית של MKT:

כאן: - המהירות הממוצעת של החלקיקים;

הַגדָרָה. - ריכוזחלקיקי גז - מספר החלקיקים ליחידת נפח; ; יחידה - .

5. ערך ממוצע של הריבוע של המהירות המולקולרית

כדי לחשב את הלחץ הממוצע, עליך לדעת את המהירות הממוצעת של המולקולות (ליתר דיוק, הערך הממוצע של ריבוע המהירות). זוהי שאלה לא פשוטה. אתה רגיל לעובדה שלכל חלקיק יש מהירות. המהירות הממוצעת של מולקולות תלויה בתנועת כל החלקיקים.
ערכים ממוצעים.מההתחלה, אתה צריך לוותר על הניסיון לעקוב אחר התנועה של כל המולקולות המרכיבות גז. יש יותר מדי מהם, והם מאוד קשים לזוז. איננו צריכים לדעת כיצד כל מולקולה נעה. עלינו לברר לאיזו תוצאה מובילה התנועה של כל מולקולות הגז.
אופי התנועה של מכלול מולקולות הגז כולו ידוע מניסיון. מולקולות מעורבות בתנועה לא סדירה (תרמית). המשמעות היא שהמהירות של כל מולקולה יכולה להיות גבוהה מאוד או נמוכה מאוד. כיוון התנועה של המולקולות משתנה כל הזמן כשהן מתנגשות זו בזו.
עם זאת, המהירות של מולקולות בודדות יכולה להיות כל אחת הממוצעערך המודול של מהירויות אלה הוא די ברור. באופן דומה, גובה התלמידים בכיתה אינו זהה, אך ערכו הממוצע הוא מספר מסוים. כדי למצוא מספר זה, עליך להוסיף את הגובה של תלמידים בודדים ולחלק את הסכום הזה במספר התלמידים.
ערך ממוצע של ריבוע המהירות.בעתיד, אנו זקוקים לערך הממוצע של לא המהירות עצמה, אלא ריבוע המהירות. האנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות תלויה בערך זה. והאנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות, כפי שנראה בקרוב, חשובה מאוד בכל התאוריה הקינטית המולקולרית.
הבה נציין את מודולי המהירויות של מולקולות גז בודדות דרך. הערך הממוצע של ריבוע המהירות נקבע על ידי הנוסחה הבאה:

איפה נ- מספר המולקולות בגז.
אבל הריבוע של המודולוס של כל וקטור שווה לסכום הריבועים של התחזיות שלו על ציר הקואורדינטות ОХ, ОY, ОZ... בגלל זה

ניתן לקבוע ערכים ממוצעים של כמויות באמצעות נוסחאות הדומות לנוסחה (8.9). בין הממוצע לממוצע של ריבועי התחזיות, קיים אותו קשר כמו הקשר (8.10):

אכן, שוויון (8.10) נכון לכל מולקולה. הוספת שוויון כזה למולקולות בודדות וחלוקת שני הצדדים של המשוואה המתקבלת במספר המולקולות נ, אנו מגיעים לנוסחה (8.11).
תשומת הלב! מאז הכיוונים של שלושת הצירים או, אוו עוזבגלל התנועה האקראית של מולקולות שוות, הערכים הממוצעים של הריבועים של תחזיות המהירות שווים זה לזה:

אתה מבין, תבנית מסוימת עולה מתוך הכאוס. האם תוכל להבין זאת בעצמך?
בהתחשב ביחס (8.12), אנו מחליפים בנוסחה (8.11) במקום ו-. ואז עבור הריבוע הממוצע של הקרנת המהירות נקבל:

כלומר, הריבוע הממוצע של הקרנת המהירות שווה ל 1/3 מהריבוע הממוצע של המהירות עצמה. הגורם 1/3 מופיע בשל התלת מימד של המרחב ובהתאם לכך קיומם של שלוש הקרנות לכל וקטור.
המהירות המולקולרית משתנות באופן אקראי, אך הריבוע הממוצע של המהירות הוא ערך די מובהק.

6. משוואה בסיסית של התיאוריה הקינטית המולקולרית
אנו ממשיכים לגזירת המשוואה הבסיסית של התיאוריה הקינטית המולקולרית של גזים. משוואה זו קובעת את התלות של לחץ הגז באנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות שלה. לאחר גזירת משוואה זו במאה ה XIX. וההוכחה הניסיונית לתוקפה החלה בהתפתחות המהירה של התיאוריה הכמותית, שנמשכה עד היום.
הוכחה כמעט לכל אמירה בפיזיקה, ניתן להסיק בעזרת כל משוואה מעלות משתנותקפדנות ושכנוע: פשוט מאוד, קפדני יותר או פחות, או עם קפדנות מלאה למדע המודרני.
גזירה קפדנית של משוואת התיאוריה הקינטית המולקולרית של גזים היא די מסובכת. לכן אנו מגבילים את עצמנו להפקת סכמה פשוטה ופשוטה ביותר של המשוואה. למרות כל הפשטות, התוצאה נכונה.
גזירת המשוואה העיקרית.בואו לחשב את לחץ הגז על הקיר CDכלי א ב ג דאֵזוֹר סבניצב לציר הקואורדינטות שׁוֹר (איור 8.13).

כאשר מולקולה פוגעת בקיר, המומנטום שלה משתנה:. מכיוון שמודול מהירות המולקולות אינו משתנה בעת ההשפעה ... על פי החוק השני של ניוטון, השינוי במומנטום של מולקולה שווה למומנטום של הכוח הפועל עליה מצידי דופן הכלי, ועל פי החוק השלישי של ניוטון, המומנטום של הכוח שבו הפעילה המולקולה. על הקיר זהה במודולוס. כתוצאה מכך, כתוצאה מהשפעת המולקולה על הקיר, פעל כוח שהדחף שלו שווה.

מהו המרחק הממוצע בין מולקולות אדי מים רוויים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס?

בעיה מס '4.1.65 מתוך "אוסף בעיות להכנה לבחינות כניסה בפיזיקה של USPTU"

נָתוּן:

\ (t = 100 ^ \ circ \) C, \ (l -? \)

פתרון הבעיה:

שקול אדי מים בכמות שרירותית כלשהי השומה \ (\ nu \) שומה. כדי לקבוע את עוצמת הקול \ (V \) הכבושה בכמות נתונה של אדי מים, עליך להשתמש במשוואת קלפיירון-מנדלייב:

בנוסחה זו, \ (R \) הוא קבוע גז אוניברסלי השווה ל 8.31 J / (mol · K). הלחץ של אדי מים רוויים \ (p \) בטמפרטורה של 100 ° C הוא 100 kPa, זו עובדה ידועה, וכל תלמיד צריך לדעת זאת.

כדי לקבוע את מספר מולקולות אדי המים \ (N \), השתמש בנוסחה הבאה:

כאן \ (N_A \) המספר של Avogadro שווה ל- 6.023 · 10 23 1 / mol.

ואז עבור כל מולקולה יש קוביית נפח \ (V_0 \), הנקבעת באופן ברור על ידי הנוסחה:

\ [(V_0) = \ frac (V) (N) \]

\ [(V_0) = \ frac ((\ nu RT)) ((p \ nu (N_A))) = \ frac ((RT)) ((p (N_A))) \]

עכשיו תסתכל על התרשים של הבעיה. כל מולקולה ממוקמת באופן קונבנציונאלי בקובייה משלה, המרחק בין שתי מולקולות יכול להשתנות בין 0 ל- \ (2d \), כאשר \ (d \) הוא אורך קצה הקוביה. המרחק הממוצע \ (l \) יהיה שווה לאורך קצה הקוביה \ (d \):

ניתן למצוא את אורך הקצה \ (d \) כך:

כתוצאה מכך, אנו מקבלים את הנוסחה הבאה:

בואו להמיר את הטמפרטורה לסולם קלווין ולחשב את התשובה:

תשובה: 3.72 nm.

אם אינך מבין את הפתרון ויש לך שאלה או שמצאת שגיאה, אל תהסס להשאיר תגובה למטה.

חומרים מוצקים הם כאלה המסוגלים ליצור גופים ובעלי נפח. הם נבדלים מנוזלים וגזים בצורתם. מוצקים שומרים על צורת גופם בשל העובדה שחלקיקיהם אינם מסוגלים לנוע בחופשיות. הם שונים בצפיפותם, גמישותם, מוליכותם החשמלית וצבעם. יש להם גם נכסים אחרים. כך, למשל, רוב החומרים הללו נמסים במהלך החימום, מקבלים מצב צבירה נוזלי. חלקם, כשהם מחוממים, הופכים מיד לגז (סובלימטי). אבל יש גם כאלה שמתפרקים לחומרים אחרים.

סוגי מוצקים

כל המוצקים מסווגים לשתי קבוצות.

1. אמורפי, שבו חלקיקים בודדים נמצאים באופן אקראי. במילים אחרות: אין להם מבנה ברור (מוגדר). מוצקים אלה מסוגלים להימס בטווח טמפרטורות מוגדר. הנפוצים שבהם הם זכוכית ושרף.
2. גבישי, אשר בתורו מתחלק ל -4 סוגים: אטומי, מולקולרי, יוני, מתכתי. בהם החלקיקים ממוקמים רק על פי תבנית מסוימת, כלומר בצמתים של סריג הקריסטל. הגיאומטריה שלה יכולה להשתנות מאוד בחומרים שונים.

מוצקים גבישים שולטים על אמורפיים במונחים של מספרם.

סוגי מוצקים גבישים

במצב המוצק, כמעט לכל החומרים יש מבנה גבישי. הם נבדלים בסריגים שלהם בצמתים שלהם מכילים חלקיקים שונים ו יסודות כימיים... בהתאם להם הם קיבלו את שמם. לכל סוג יש את המאפיינים האופייניים לו:

• בסריג קריסטל אטומי חלקיקים של מוצק נקשרים לקשר קוולנטי. הוא נבדל על ידי עמידותו. בשל כך, חומרים כאלה נבדלים בנקודות גבוהות ורתיחה. סוג זה כולל קוורץ ויהלום.
• בסריג קריסטל מולקולרי, הקשר בין החלקיקים מתאפיין בחולשתו. חומרים מסוג זה מתאפיינים בנוחות רתיחה והיתוך. הם נבדלים בתנודתיות שלהם, שבגללה יש להם ריח מסוים. מוצקים כאלה כוללים קרח, סוכר. תנועות מולקולריות במוצקים מסוג זה מובחנים בפעילותם.
• בצמתים, החלקיקים המתאימים, הטעונים בחיוב ושלילי, מתחלפים. הם מוחזקים יחד על ידי משיכה אלקטרוסטטית. הסוג הזהסריג קיים בבסיס, מלחים, חומרים רבים מסוג זה מתמוססים בקלות במים. בשל הקשר החזק מספיק בין היונים, הם עקשן. כמעט כולם חסרי ריח, מכיוון שהם מאופיינים בחוסר תנודתיות. חומרים בעלי סריג יונית אינם מסוגלים להוביל זרם חשמלי, מכיוון שאין בהרכבם אלקטרונים חופשיים. דוגמה אופיינית למוצק יוני הוא מלח שולחן. סריג הבדולח הזה הופך אותו לשברירי. זאת בשל העובדה שכל תזוזה שלו יכולה להוביל להופעת כוחות דוחים של יונים.
• בסריג קריסטל המתכת הצמתים מכילים רק יונים טעונים חיוביים של חומרים כימיים. יש ביניהם אלקטרונים חופשיים, שדרכם עוברת אנרגיה תרמית וחשמלית בצורה מושלמת. לכן כל מתכות מובחנות במאפיין כזה כמו מוליכות.

מושגים כלליים של מוצק

מוצקים וחומרים הם כמעט אותו דבר. מונחים אלה נקראים אחד מארבעת מצבי הצבירה. למוצקים צורה יציבה ואופי התנועה התרמית של האטומים. יתר על כן, האחרונים מבצעים תנודות קטנות ליד עמדות שיווי המשקל. ענף המדע העוסק בחקר ההרכב והמבנה הפנימי נקרא פיזיקת מצב מוצק. ישנם תחומי ידע חשובים נוספים העוסקים בחומרים כאלה. שינוי הצורה תחת השפעות חיצוניות ותנועה נקרא מכניקה של גוף מעוות.

בשל המאפיינים השונים של מוצקים, הם מצאו יישום במכשירים טכניים שונים שיצרו האדם. לרוב, השימוש בהם התבסס על תכונות כגון קשיות, נפח, מסה, גמישות, גמישות, שבירות. המדע המודרני מאפשר להשתמש בתכונות אחרות של מוצקים שניתן למצוא רק בתנאי מעבדה.

מה הם קריסטלים

גבישים הם מוצקים עם חלקיקים המסודרים בסדר מסוים. לכל אחד יש מבנה משלו. האטומים שלו יוצרים אריזה תקופתית תלת ממדית הנקראת סריג קריסטל. למוצקים סימטריות מבניות שונות. המצב הגבישי של מוצק נחשב יציב מכיוון שיש לו כמות מינימלית של אנרגיה פוטנציאלית.

הרוב המכריע של מוצקים מורכב ממספר עצום של גרגרים בודדים (אקריסטלים) המכוונים באופן אקראי. חומרים כאלה נקראים פולי -קריסטליים. אלה כוללים סגסוגות ומתכות טכניות, כמו גם סלעים רבים. גבישים טבעיים או סינתטיים בודדים נקראים חד -גבישים.

לרוב, מוצקים כאלה נוצרים ממצב השלב הנוזלי, המיוצג על ידי התכה או תמיסה. לפעמים הם מתקבלים ממצב גזי. תהליך זה נקרא התגבשות. הודות להתקדמות המדעית והטכנית, הליך הגידול (סינתזה) של חומרים שונים זכה בקנה מידה תעשייתי. לרוב הגבישים צורה טבעית בצורה של הגדלים שלהם שונים מאוד. אז, קוורץ טבעי (קריסטל סלע) יכול לשקול עד מאות קילוגרמים, ויהלומים - עד כמה גרם.

במוצקים אמורפיים אטומים נמצאים ברטט מתמיד סביב נקודות הממוקמות באופן אקראי. הם שומרים על סדר מסוים לטווח קצר, אך אין סדר לטווח ארוך. זאת בשל העובדה כי המולקולות שלהן ממוקמות במרחק שניתן להשוות אותן לגודלן. הדוגמה הנפוצה ביותר למוצק כזה בחיינו היא המצב הזכוכי. נתפס לעתים קרובות כנוזל בעל צמיגות גבוהה לאין שיעור. זמן התגבשותם הוא לעיתים כה ארוך עד שהוא אינו מתבטא כלל.

התכונות הנ"ל של חומרים אלה הן שהופכות אותן לייחודיות. מוצקים אמורפיים נחשבים בלתי יציבים מכיוון שהם יכולים להפוך לגבישיים עם הזמן.

המולקולות והאטומים המרכיבים מוצק ארוזים בצפיפות רבה. הם למעשה שומרים על מיקומם ההדדי ביחס לחלקיקים אחרים ונצמדים זה לזה בשל אינטראקציה בין -מולקולרית. המרחק בין המולקולות של מוצק לכיוונים שונים נקרא פרמטר סריג קריסטל. מבנה החומר והסימטריה שלו קובעים תכונות רבות, כגון פס האלקטרונים, המחשוף והאופטיקה. כאשר מוצק נחשף לכוח מספיק גדול, ניתן להפר תכונות אלה במידה זו או אחרת. במקרה זה, המוצק מתאים לעיוות קבוע.

אטומים של מוצקים מבצעים תנועה מתנדנדת, הקובעת את החזקתם באנרגיה תרמית. מכיוון שהם זניחים, ניתן לצפות בהם רק בתנאי מעבדה. חומר מוצק משפיע רבות על תכונותיו.

לימוד מוצקים

תכונות, תכונות של חומרים אלה, איכותם ותנועת החלקיקים נלמדים על ידי תת -חלקים שונים של פיזיקת מצב מוצק.

למחקר משמשים: רדיוספקטרוסקופיה, ניתוח מבני באמצעות צילומי רנטגן ושיטות אחרות. כך נלמדים התכונות המכניות, הפיזיות והתרמיות של מוצקים. קשיות, עמידות בפני עומסים, חוזק מתיחה, טרנספורמציות פאזה לומדות מדעי החומרים. זה חופף במידה רבה עם הפיזיקה של מוצקים. יש עוד חשוב המדע המודרני... חקר הקיים והסינתזה של חומרים חדשים מתבצע על ידי כימיה של מצב מוצק.

תכונות של מוצקים

אופי התנועה של האלקטרונים החיצוניים של האטומים של מוצק קובע רבות מתכונותיו, למשל חשמליות. ישנם 5 סוגים של גופים כאלה. הם מבוססים בהתאם לסוג הקשר בין האטומים:

• יונית, המאפיין העיקרי שלה הוא כוח המשיכה האלקטרוסטטית. תכונותיו: השתקפות וספיגה של אור באזור האינפרא אדום. בטמפרטורות נמוכות, הקשר היוני מאופיין במוליכות חשמלית נמוכה. דוגמא לחומר כזה היא מלח הנתרן של חומצה הידרוכלורית (NaCl).
• קובלנטי, מתבצע על ידי זוג אלקטרונים השייך לשני האטומים. קשר כזה מתחלק ל: יחיד (פשוט), כפול ומשולש. שמות אלה מצביעים על נוכחותם של זוגות אלקטרונים (1, 2, 3). קשרים כפולים ומשולשים נקראים קשרים מרובים. יש עוד חלוקה אחת של הקבוצה הזו. אז, בהתאם להתפלגות צפיפות האלקטרונים, נבדלים קשרים קוטביים ולא קוטביים. הראשון נוצר על ידי אטומים שונים, והשני זהה. מצב מוצק כזה של חומר, שהדוגמאות שלו הן יהלום (C) וסיליקון (Si), נבדל בצפיפותו. הגבישים הקשים ביותר שייכים בדיוק לקשר הקוולנטי.
• מתכתי, נוצר על ידי שילוב אלקטרונים הערכיות של האטומים. כתוצאה מכך, מופיע ענן אלקטרונים נפוץ, שנעקר תחת השפעת מתח חשמלי. קשר מתכתי נוצר כאשר האטומים שיש לחבר הם גדולים. הם אלה שמסוגלים לתרום אלקטרונים. עבור מתכות רבות ותרכובות מורכבות, קשר זה יוצר מצב מוצק של חומר. דוגמאות: נתרן, בריום, אלומיניום, נחושת, זהב. מבין התרכובות הלא מתכתיות ניתן לציין את הדברים הבאים: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. חומרים בעלי קשר מתכתי (מתכות) מגוונים במאפיינים פיזיים. הם יכולים להיות נוזליים (Hg), רכים (Na, K), קשים מאוד (W, Nb).
• מולקולרית, הנובעת מגבישים, הנוצרים על ידי מולקולות בודדות של חומר. הוא מאופיין בפערים בין מולקולות עם צפיפות אלקטרונים אפסית. הכוחות המחברים אטומים בגבישים כאלה הם משמעותיים. במקרה זה, המולקולות נמשכות זו לזו רק על ידי משיכה בין -מולקולרית חלשה. לכן הקשרים ביניהם נהרסים בקלות בחימום. הרבה יותר קשה לנתק את החיבורים בין האטומים. הקשר המולקולרי מחולק למגוון אוריינטציות, פיזור ואינדוקטיביות. דוגמא לחומר כזה היא מתאן מוצק.
• מימן, המתעורר בין האטומים המקוטבים לחיוב של מולקולה או חלק ממנה לבין החלקיק הקטן ביותר המקוטב שלילי של מולקולה אחרת או חלק אחר. קשרים אלה כוללים קרח.

מאפיינים של מוצקים

מה אנחנו יודעים היום? מדענים חקרו זה מכבר את תכונות המצב המוצק של החומר. כאשר הוא נחשף לטמפרטורות, הוא גם משתנה. המעבר של גוף כזה לנוזל נקרא התכה. הפיכת מוצק למצב גזי נקראת סובלימציה. ככל שהטמפרטורה יורדת, המוצק מתגבש. חלק מהחומרים תחת השפעת קור עוברים לשלב האמורפי. מדענים קוראים לתהליך זה ויטריפיקציה.

כאשר המבנה הפנימי של מוצקים משתנה. היא משיגה את הסדר הגדול ביותר עם ירידה בטמפרטורה. בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורה T> 0 K, כל החומרים הקיימים בטבע מתמצקים. רק הליום, הדורש לחץ של 24 אטום להתגבשות, הוא חריג לכלל זה.

המצב המוצק של חומר מעניק לו תכונות פיזיקליות שונות. הם מאפיינים את ההתנהגות הספציפית של גופים בהשפעת שדות וכוחות מסוימים. נכסים אלה מתחלקים לקבוצות. ישנן 3 שיטות חשיפה המתאימות ל -3 סוגי אנרגיה (מכנית, תרמית, אלקטרומגנטית). בהתאם לכך, ישנן 3 קבוצות תכונות גשמיותמוצקים:

• תכונות מכניות הקשורות ללחץ ולעיוות של גופים. על פי קריטריונים אלה, מוצקים מתחלקים לאלסטית, רהאולוגית, חוזקה וטכנולוגית. במנוחה, גוף כזה שומר על צורתו, אך הוא יכול להשתנות בהשפעת כוח חיצוני. יתר על כן, העיוות שלו יכול להיות פלסטי (הצורה ההתחלתית לא חוזרת), אלסטי (חוזר לצורתו המקורית) או הרסני (כאשר מגיעים לסף מסוים, התפרקות / שבר מתרחש). התגובה לכוח המופעל מתוארת על ידי המודולים האלסטיים. גוף נוקשה מתנגד לא רק לדחיסה, למתיחות, אלא גם לגזירה, פיתול וכיפוף. כוחו של מוצק נקרא המאפיין שלו להתנגד להרס.
• תרמי, מתבטא בחשיפה לשדות תרמיים. אחד ה נכסים חשובים- נקודת ההיתוך שבה הגוף הופך למצב נוזלי. הוא נמצא במוצקים גבישים. לגופים אמורפיים יש חום היתוך סמוי, שכן המעבר שלהם למצב נוזלי עם עלייה בטמפרטורה מתרחש בהדרגה. בהגיעו לחום מסוים, הגוף האמורפי מאבד את גמישותו ורוכש גמישות. מצב זה אומר שהוא מגיע לטמפרטורת מעבר הזכוכית. בעת חימום מתרחש עיוות של המוצק. יתר על כן, לרוב הוא מתרחב. מבחינה כמותית, מצב זה מאופיין במקדם מסוים. טמפרטורת הגוף משפיעה על תכונות מכניות כגון זרימה, גמישות, קשיות וחוזק.
• אלקטרומגנטי, קשור להשפעה על מוצק של זרמים של מיקרו -חלקיקים וגלים אלקטרומגנטיים בעלי קשיחות גבוהה. מאפייני קרינה מופנים אליהם באופן קונבנציונאלי.

מבנה אזור

מוצקים מסווגים גם על פי מה שמכונה מבנה האזור. אז ביניהם נבדלים:

• מוליכים, המאופיינים בכך שרצועות ההולכה והערכיות שלהם חופפות. במקרה זה, אלקטרונים יכולים לנוע ביניהם, ומקבלים את האנרגיה הקלה ביותר. כל המתכות נחשבות מוליכות. כאשר מוחל הבדל פוטנציאלי על גוף כזה, נוצר זרם חשמלי (בשל התנועה החופשית של אלקטרונים בין נקודות עם הפוטנציאל הנמוך והגבוה ביותר).
• דיאלקטריה שהאזורים שלה אינם חופפים. המרווח ביניהם עולה על 4 eV. כדי להעביר אלקטרונים מהערכיות ללהקה המוליכה, יש צורך באנרגיה רבה. בשל תכונות אלה, הדיאלקטריה כמעט ואינה מוליכה זרם.
• מוליכים למחצה המאופיינים בהיעדר רצועות הולכה וערכיות. המרווח ביניהם פחות מ 4 eV. כדי להעביר אלקטרונים מהערכיות ללהקה המוליכה, נדרשת פחות אנרגיה מאשר לדיאלקטריה. מוליכים למחצה טהורים (לא מסופקים ומהותיים) אינם מוליכים זרם היטב.

תנועת מולקולות במוצקים קובעת את התכונות האלקטרומגנטיות שלהן.

נכסים אחרים

מוצקים מתחלקים גם על פי תכונותיהם המגנטיות. יש שלוש קבוצות:

• דיאמנטים, שתכונותיהם תלויות מעט בטמפרטורה או במצב צבירה.
• פרמטרים, שהם תוצאה של הכיוון של אלקטרונים הולכים ורגעי המגנטיות של האטומים. על פי חוק קירי, הרגישות שלהם יורדת ביחס לטמפרטורה. אז, ב 300 K זה 10 -5.
• גופות בעלות מבנה מגנטי מסודר וסדר אטומי לטווח ארוך. בצמתים של הסריג שלהם, חלקיקים בעלי רגעים מגנטיים ממוקמים מעת לעת. מוצקים וחומרים כאלה משמשים לעתים קרובות בתחומי פעילות אנושיים שונים.

החומרים הקשים ביותר בטבע

מה הם? צפיפות המוצקים קובעת במידה רבה את קשיותם. בשנים האחרונות מדענים גילו מספר חומרים הטוענים שהם "הגוף העמיד ביותר". החומר הקשה ביותר הוא פולריט (קריסטל עם מולקולות פולרן), שהוא קשה פי 1.5 מיהלום. למרבה הצער, הוא זמין כרגע רק בכמויות קטנות במיוחד.

עד כה, החומר הקשה ביותר שעשוי לשמש עוד בתעשייה הוא לונסדיילייט (יהלום משושה). הוא קשה יותר ב -58% מיהלום. Lonsdaleite הוא שינוי אלוטרופי של פחמן. סריג הבדולח שלה דומה מאוד ליהלום. התא הלונסדייל מכיל 4 אטומים, והיהלום - 8. מבין הגבישים הנפוצים, היהלום נשאר הקשה ביותר כיום.

חוקי הגז והיסודות של MKT.

אם הגז נדיר מספיק (וזה דבר נפוץ, לרוב נאלץ להתמודד עם גזים נדירים), אז כמעט כל חישוב מתבצע באמצעות נוסחה המחברת לחץ P, נפח V, כמות הגז ν וטמפרטורה T - זה היא "מצב הגז האידיאלי למשוואה» P · V = ν · R · T. הדרך למצוא אחד מהכמויות האלה, אם כל האחרים ניתנים, היא פשוטה למדי ומובנת. אבל אתה יכול לנסח את הבעיה באופן שהשאלה תהיה על כמות אחרת - למשל על צפיפות הגז. לכן, המשימה היא למצוא את צפיפות החנקן בטמפרטורה של 300K ולחץ של 0.2 אטם. בואו נפתור את זה. אם לשפוט לפי המצב, הגז נדיר למדי (אוויר, המורכב מ -80% חנקן ובלחץ גבוה משמעותית יכול להיחשב נדיר, אנו נושמים אותו בחופשיות ועוברים דרכו בקלות), ואם לא כך היה, איננו עושים זאת אכפת לנוסחאות אחרות לא - אנו משתמשים בזו, אהובה. התנאי אינו מציין את נפח כל חלק מהגז, אנו נקבע אותו בעצמנו. ניקח מטר מעוקב של חנקן ונמצא את כמות הגז בנפח זה. בידיעת המסה הטוחנת של חנקן M = 0.028 ק"ג / מול, אנו מוצאים את המסה של חלק זה - והבעיה נפתרת. כמות הגז ν = P V / R T, מסה m = ν M = M P V / R T, ומכאן שצפיפות ρ = m / V = ​​M P / R T = 0.028 20000 / (8.3 300) ≈ 0.2 ק"ג / מ"ק. הכרך שבחרנו מעולם לא נכלל בתשובה, בחרנו בו ליתר דיוק - קל יותר לנמק כך, כי לא צריך להבין מיד שהנפח יכול להיות כל דבר, אבל הצפיפות תהיה זהה. עם זאת, אפשר גם להבין - "אם ניקח את הנפח, נניח, פי חמישה יותר, נגדיל את כמות הגז חמש פעמים בדיוק, ולכן, לא משנה מה נפח אנו לוקחים, הצפיפות תהיה זהה". אתה יכול פשוט לשכתב את הנוסחה האהובה עליך על ידי החלפת לתוכה את הביטוי לכמות הגז דרך המסה של חלק הגז והמסה הטוחנת שלו: ν = m / M, ואז היחס m / V = ​​MP / RT מתבטא מיד, וזו הצפיפות ... אתה יכול לקחת שומה של גז ולמצוא את הנפח שהוא תופס, ולאחר מכן תימצא הצפיפות מיד, כי מסת השומה ידועה. באופן כללי, ככל שהמשימה פשוטה יותר, כך הדרכים השוות והיפות יותר לפתור אותה ...
להלן בעיה נוספת שבה השאלה עשויה להיראות בלתי צפויה: מצא את ההבדל בלחץ האוויר בגובה 20 מ 'ובגובה של 50 מ' מעל פני הקרקע. טמפרטורה 00C, לחץ 1 atm. פתרון: אם נמצא את צפיפות האוויר ρ בתנאים אלה, אז הפרש הלחץ ∆P = ρ · g · ∆H. אנו מוצאים את הצפיפות באותו אופן כמו בבעיה הקודמת, הקושי הוא רק בעובדה שאוויר הוא תערובת של גזים. בהנחה שהוא מורכב מ -80% חנקן ו -20% חמצן, אנו מוצאים את המסה של שומה של התערובת: m = 0.8 · 0.028 + 0.2 · 0.032 ≈ 0.029 ק”ג. הנפח אותו תופסת שומה זו הוא V = R · T / P והצפיפות נמצאת כיחס בין שתי הכמויות הללו. ואז הכל ברור, התשובה תהיה בערך 35 Pa.
יש לחשב גם את צפיפות הגז כאשר, למשל, כוח ההרמה של בלון בנפח נתון, בחישוב כמות האוויר בגלילי צלילה הנדרשים לנשימה מתחת למים למשך זמן מסוים, בעת חישוב המספר. של חמורים הנדרשים להעביר כמות נתונה של אדי כספית ברחבי המדבר, ובמקרים רבים אחרים.
אבל המשימה קשה יותר: קומקום חשמלי רותח ברעש על השולחן, צריכת החשמל היא 1000 וואט, היעילות היא דוד 75% (השאר "נכנס" לחלל הסובב). מהאף - שטח ה"אף "הוא 1 סמ"ר - נפלט סילון אדים, כדי לאמוד את מהירות הגז במטוס זה. קח את כל הנתונים הדרושים מהטבלאות.
פִּתָרוֹן. נניח שאדים רוויים נוצרים בקומקום מעל המים, ואז סילון של אדי מים רוויים בטמפרטורה של +1000C יטוס מתוך הזרבובית. הלחץ של אדים כאלה הוא 1 אטום, קל למצוא את הצפיפות שלו. בידיעת הכוח המשמש לאידוי P = 0.75 P0 = 750 W וחום האידוי הספציפי (אידוי) r = 2300 kJ / kg, אנו מוצאים את מסת הקיטור שנוצר במהלך הזמן τ: m = 0.75P0 τ / r. אנו יודעים את הצפיפות, ואז קל למצוא את נפח כמות הקיטור הזו. השאר כבר ברור - אנו מייצגים נפח זה בצורה של עמוד בעל שטח חתך של 1 סמ”ר, אורך הטור הזה מחולק ב- τ ייתן לנו את מהירות היציאה (אורך זה עף תוך שנייה ). אם כן, מהירות יציאת הסילון מפיית הקומקום היא V = m / (ρ S τ) = 0.75P0 τ / (r ρ S τ) = 0.75P0 R T / (r P M S) = 750 8.3 373 / (2.3 106 1 105 0.018 1 10-4) ≈ 5 מ / ש.
(ג) זילברמן א.ר.

דוגמה למערכת הפשוטה ביותר שנלמדה בפיזיקה המולקולרית היא גַז... על פי הגישה הסטטיסטית, גזים נחשבים כמערכות המורכבות ממספר גדול מאוד של חלקיקים (עד 10 26 מ ' - 3), הנמצאים בתנועה אקראית מתמדת. שימוש בתיאוריה קינטית מולקולרית דגם גז אידיאלי, לפיה סבורים כי:

1) הנפח הפנימי של מולקולות הגז זניח בהשוואה לנפח הכלי;

2) אין כוחות אינטראקציה בין מולקולות הגז;

3) התנגשויות של מולקולות גז אחת עם השנייה ועם דפנות הכלי הן אלסטיות לחלוטין.

הבה נעריך את המרחקים בין מולקולות בגז. בתנאים רגילים (n.u.: p = 1.03 · 10 5 Pa; t = 0 ° C) מספר המולקולות ליחידת נפח :. ואז הנפח הממוצע למולקולה:

(מ 3).

מרחק ממוצע בין מולקולות: מ 'קוטר ממוצע של מולקולה: d "3 · 10 -10 מ'. הממדים הפנימיים של מולקולה קטנים בהשוואה למרחק ביניהם (פי 10). לכן חלקיקים (מולקולות) קטנים עד כדי כך שניתן לדמותם לנקודות חומריות.

בגז המולקולות הן רוב הזמן כל כך רחוקות אחת מהשנייה עד שכוחות האינטראקציה ביניהם כמעט אפסיים. אנו יכולים להניח זאת האנרגיה הקינטית של מולקולות הגז גבוהה בהרבה מהפוטנציאל,לכן, ניתן להזניח את האחרון.

עם זאת, ברגעים של אינטראקציה לטווח קצר ( התנגשויות) כוחות האינטראקציה יכולים להיות משמעותיים, מה שמוביל לחילופי האנרגיה והתנופה בין המולקולות. התנגשויות משמשות כמנגנון שבאמצעותו יכולה מערכת המאקרו לעבור ממצב אנרגיה אחד העומד לרשותה בתנאים הנתונים לאחרת.

ניתן להשתמש במודל הגז האידיאלי לחקר גזים אמיתיים, מכיוון שהם נמצאים בתנאים קרובים לנורמלי (למשל, חמצן, מימן, חנקן, פחמן דו חמצני, אדי מים, הליום), כמו גם לחצים נמוכיםו טמפרטורה גבוההקרובים בנכסיהם לגז אידיאלי.

מצב הגוף יכול להשתנות כאשר הוא מחומם, דחוס, משתנה צורה, כלומר, בעת שינוי פרמטרים כלשהם. להבחין בין שיווי משקל לבין מצבי שיווי משקל של המערכת. מצב שיווי משקלהוא מצב בו כל הפרמטרים של המערכת אינם משתנים עם הזמן (אחרת, כך הוא מצב לא שיווי משקל), ואין כוחות המסוגלים לשנות את הפרמטרים.

הפרמטרים החשובים ביותר של מצב המערכת הם צפיפות הגוף (או הערך ההפוך של הצפיפות - נפח ספציפי), לחץ וטמפרטורה. צְפִיפוּת (r) האם מסת החומר ליחידת נפח. לַחַץ (ר- הכוח הפועל ליחידת שטח של פני הגוף, המופנה לאורך הנורמלי למשטח זה. הֶבדֵל טמפרטורות (DТ) הוא מדד לסטיית הגופים ממצב שיווי המשקל התרמי. יש טמפרטורה אמפירית ומוחלטת. טמפרטורה אמפירית (t) הוא מדד לסטיית הגופים ממצב שיווי המשקל התרמי עם קרח נמס בלחץ באטמוספירה פיזית אחת. יחידת המדידה היא מעלה אחת צלזיוס(1 o C), אשר נקבע על פי התנאי שקרח הנמס בלחץ אטמוספרי מיוחס ל 0 o C, והרתיחה של מים באותו לחץ היא 100 o C, בהתאמה. ההבדל בין הטמפרטורה המוחלטת לאמפירית הוא קודם כל שהטמפרטורה המוחלטת נמדדת מהטמפרטורה הנמוכה ביותר - אפס מוחלט, הנמצא מתחת לטמפרטורת ההתכה של הקרח ב- 273.16 o, כלומר

ציין זאת כל תלות פונקציונלית המחברת פרמטרים תרמודינמיים זה לזה כמו (6.2.2, א) נקראת גם משוואת המדינה... צורת פונקציית התלות בין הפרמטרים ((6.2.2, א), (6.2.2, ב)) נקבעת באופן ניסיוני עבור כל חומר. עם זאת, עד כה ניתן היה לקבוע את משוואת המדינה רק עבור גזים במצבים נדירים, ובצורה משוערת, עבור כמה גזים דחוסים.