Tabuľka vzdialenosti medzi molekulami plynu. Vzdialenosti medzi molekulami sú porovnateľné s veľkosťami molekúl (za normálnych podmienok). Pohyb molekúl v kvapalinách

1. Štruktúra plynných, kvapalných a pevných telies

Molekulárna kinetická teória umožňuje pochopiť, prečo môže byť látka v plynnom, kvapalnom a tuhom skupenstve.
Plyny. V plynoch je vzdialenosť medzi atómami alebo molekulami v priemere mnohokrát viac veľkostí samotné molekuly ( Obrázok 8.5). Napríklad pri atmosférickom tlaku je objem nádoby desaťtisíckrát väčší ako objem molekúl v nej.

Plyny sa ľahko stláčajú, pričom sa priemerná vzdialenosť medzi molekulami zmenšuje, ale tvar molekuly sa nemení ( Obrázok 8.6).

Molekuly sa pohybujú priestorom obrovskou rýchlosťou - stovky metrov za sekundu. Keď na seba narazia, odrazia sa od seba rôznymi smermi ako biliardové loptičky. Slabé sily príťažlivosti molekúl plynu ich nedokážu udržať blízko seba. Preto plyny sa môžu nekonečne rozpínať. Nezachovávajú si tvar ani objem.
Tlak plynu vytvára množstvo nárazov molekúl na steny nádoby.

Kvapaliny... Molekuly kvapaliny sú umiestnené takmer blízko seba ( Obrázok 8.7), takže kvapalná molekula sa správa inak ako molekula plynu. V kvapalinách existuje takzvaný poriadok krátkeho dosahu, to znamená, že usporiadané usporiadanie molekúl je udržiavané vo vzdialenostiach rovnakých ako niekoľko priemerov molekúl. Molekula vibruje okolo svojej rovnovážnej polohy a zráža sa so susednými molekulami. Len z času na čas urobí ďalší „skok“, dostane sa do novej polohy rovnováhy. V tejto rovnovážnej polohe je odpudivá sila rovnaká ako príťažlivá sila, to znamená, že celková interakčná sila molekuly je nulová. Čas sedavý život molekula vody, tj. čas jej kmitov okolo jednej určitej rovnovážnej polohy pri izbovej teplote, je v priemere 10 -11 s. Čas jednej oscilácie je oveľa kratší (10 -12 -10 -13 s). Ako teplota stúpa, sedavý život molekúl klesá.

Povaha molekulárneho pohybu v kvapalinách, ktorý prvýkrát stanovil sovietsky fyzik Ya.I. Frenkel, umožňuje porozumieť základným vlastnostiam kvapalín.
Molekuly kvapaliny sú umiestnené priamo vedľa seba. S poklesom objemu sa odpudivé sily stanú veľmi veľkými. Toto vysvetľuje nízka stlačiteľnosť kvapalín.
Ako je známe, kvapaliny sú tekuté, t.j. nezachovávajú svoj tvar... To možno vysvetliť nasledovne. Vonkajšia sila znateľne nemení počet skokov molekúl za sekundu. K skokom molekúl z jednej sedavej polohy do druhej dochádza hlavne v smere pôsobenia vonkajšej sily ( Obrázok 8.8). Preto tekutina tečie a má formu nádoby.

Pevné telá. Atómy alebo molekuly tuhých látok, na rozdiel od atómov a molekúl kvapalín, vibrujú okolo určitých rovnovážnych polôh. Z tohto dôvodu pevné látky zachovať nielen objem, ale aj tvar... Potenciálna energia interakcie molekúl v pevnom stave je výrazne väčšia ako ich kinetická energia.
Existuje ešte jeden dôležitý rozdiel medzi kvapalinami a pevnými látkami. Tekutinu možno prirovnať k davu ľudí, kde jednotlivci nepokojne pobehujú na mieste a pevné telo je ako štíhla kohorta tých istých jednotlivcov, ktorí hoci nestoja v pozornosti, v priemere medzi sebou udržujú určité vzdialenosti. . Ak spojíte centrá rovnovážnych polôh atómov alebo iónov telesa, získate pravidelnú priestorovú mriežku, tzv. kryštalický.
Obrázky 8.9 a 8.10 zobrazujú kryštálové mriežky chloridu sodného a diamantu. Vnútorný poriadok v usporiadaní atómov kryštálov vedie k správnym vonkajším geometrickým tvarom.

Na obrázku 8.11 sú Jakutské diamanty.

V plyne je vzdialenosť l medzi molekulami oveľa väčšia ako veľkosť molekúl r 0: " l >> r 0.
Pre kvapaliny a tuhé látky l≈r 0. Molekuly kvapaliny sú usporiadané neusporiadane a z času na čas skáču z jednej sedavej polohy do druhej.
V kryštalických tuhých látkach sú molekuly (alebo atómy) usporiadané striktne usporiadaným spôsobom.

2 . Ideálny plyn v molekulárnej kinetickej teórii

Štúdium akéhokoľvek odboru fyziky vždy začína zavedením určitého modelu, v rámci ktorého štúdium pokračuje aj v budúcnosti. Napríklad, keď sme študovali kinematiku, model tela bol materiálnym bodom a podobne. Ako ste asi uhádli, model nikdy nebude zodpovedať skutočným prebiehajúcim procesom, ale často sa k tejto korešpondencii veľmi blíži.

Molekulárna fyzika, a najmä MKT, nie je výnimkou. Mnoho vedcov pracovalo na probléme popisu modelu od osemnásteho storočia: M. Lomonosov, D. Joule, R. Clausius (obr. 1). Ten v skutočnosti predstavil model ideálneho plynu v roku 1857. Kvalitatívne vysvetlenie hlavných vlastností látky na základe molekulárnej kinetickej teórie nie je obzvlášť ťažké. Teória, ktorá stanovuje kvantitatívne vzťahy medzi experimentálne meranými veličinami (tlak, teplota atď.) A vlastnosťami samotných molekúl, ich počtom a rýchlosťou pohybu, je však veľmi komplexná. V plyne pri bežných tlakoch je vzdialenosť medzi molekulami mnohonásobne väčšia ako ich veľkosť. V tomto prípade sú sily interakcie molekúl zanedbateľné a kinetická energia molekúl je oveľa väčšia ako potenciálna energia interakcie. Molekuly plynu možno považovať za hmotné body alebo veľmi malé pevné guľôčky. Namiesto skutočný plyn, medzi molekulami, na ktoré pôsobia komplexné sily interakcie, to zvážime model je ideálny plyn.

Ideálny plyn- plynový model, v ktorom sú molekuly a atómy plynu prezentované vo forme veľmi malých (miznúcich veľkostí) elastických guličiek, ktoré navzájom neinteragujú (bez priameho kontaktu), ale iba sa zrazia (pozri obr. 2).

Je potrebné poznamenať, že zriedený vodík (za veľmi nízkeho tlaku) takmer úplne spĺňa model ideálneho plynu.

Ryža. 2.

Ideálny plyn je plyn, ktorého interakcia medzi molekulami je zanedbateľná. Prirodzene, keď sa molekuly ideálneho plynu zrazia, pôsobí na ne odpudivá sila. Pretože podľa modelu môžeme molekuly plynu považovať za materiálne body, zanedbávame veľkosť molekúl za predpokladu, že objem, ktorý zaberajú, je oveľa menší ako objem nádoby.
Pripomeňme, že vo fyzickom modeli sa berú do úvahy iba tie vlastnosti skutočného systému, ktorých vysvetlenie je nevyhnutné na vysvetlenie skúmaných zákonitostí správania tohto systému. Žiadny model nemôže vyjadriť všetky vlastnosti systému. Teraz musíme vyriešiť dosť úzky problém: pomocou molekulárno-kinetickej teórie vypočítať tlak ideálneho plynu na steny nádoby. Na túto úlohu je ideálny plynový model celkom uspokojivý. Vedie to k výsledkom, ktoré sú potvrdené skúsenosťami.

3. Tlak plynu v molekulárnej kinetickej teórii Nechajte plyn byť v uzavretej nádobe. Tlakomer ukazuje tlak plynu p 0... Ako tento tlak vzniká?
Každá molekula plynu, ktorá narazí do steny, na ňu pôsobí určitou silou po krátku dobu. V dôsledku náhodných nárazov o stenu sa tlak v priebehu času rýchlo mení, približne ako je znázornené na obrázku 8.12. Úkony spôsobené nárazom jednotlivých molekúl sú však také slabé, že ich manometer nezaznamená. Tlakomer zaznamenáva časovo priemernú silu pôsobiacu na každú jednotku povrchovej plochy jej citlivého prvku - membrány. Napriek malým zmenám tlaku priemerný tlak p 0 v praxi sa ukazuje ako celkom jednoznačná hodnota, pretože dochádza k mnohým nárazom o stenu a hmotnosti molekúl sú veľmi malé.

Ideálny plyn je modelom skutočného plynu. Podľa tohto modelu možno molekuly plynu považovať za hmotné body, ktorých interakcia nastáva iba vtedy, keď do seba narazia. Molekuly plynu narážajú na stenu a vyvíjajú na ňu tlak.

4. Parametre mikro a makro plynu

Teraz môžete začať popisovať parametre ideálneho plynu. Sú rozdelené do dvoch skupín:

Ideálne parametre plynu

To znamená, že mikroparametre popisujú stav jednej častice (mikroobjektu) a makroparametre opisujú stav celej časti plynu (makroobjektu). Teraz si napíšeme vzťah spájajúci niektoré parametre s inými alebo základnú rovnicu MKT:

Tu: - priemerná rýchlosť častíc;

Definícia. - koncentrácia plynové častice - počet častíc na jednotku objemu; ; jednotka -.

5. Stredná hodnota druhej mocniny molekulovej rýchlosti

Na výpočet priemerného tlaku potrebujete poznať priemernú rýchlosť molekúl (presnejšie priemernú hodnotu druhej mocniny rýchlosti). Nie je to jednoduchá otázka. Ste zvyknutí na to, že každá častica má rýchlosť. Priemerná rýchlosť molekúl závisí od pohybu všetkých častíc.
Priemerné hodnoty. Od samého začiatku sa musíte vzdať pokusov o sledovanie pohybu všetkých molekúl, ktoré tvoria plyn. Je ich príliš veľa a je veľmi ťažké ich presunúť. Nepotrebujeme vedieť, ako sa každá molekula pohybuje. Musíme zistiť, k akému výsledku vedie pohyb všetkých molekúl plynu.
Povaha pohybu celej sady molekúl plynu je známa zo skúsenosti. Molekuly sa podieľajú na nepravidelnom (tepelnom) pohybe. To znamená, že rýchlosť akejkoľvek molekuly môže byť veľmi vysoká alebo veľmi nízka. Smer pohybu molekúl sa pri vzájomnom náraze neustále mení.
Rýchlosti jednotlivých molekúl však môžu byť akékoľvek priemerný hodnota modulu týchto rýchlostí je celkom určitá. Rovnako výška študentov v triede nie je rovnaká, ale jej priemerná hodnota je určité číslo. Ak chcete nájsť toto číslo, musíte sčítať výšku jednotlivých študentov a túto sumu vydeliť počtom študentov.
Priemerná hodnota druhej mocniny rýchlosti. V budúcnosti budeme potrebovať priemernú hodnotu nie rýchlosti samotnej, ale druhej mocniny rýchlosti. Od tejto hodnoty závisí priemerná kinetická energia molekúl. A priemerná kinetická energia molekúl, ako čoskoro uvidíme, je veľmi dôležitá v celej teórii molekulárnej kinetiky.
Označme moduly rýchlostí jednotlivých molekúl plynu. Priemerná hodnota štvorca rýchlosti je určená nasledujúcim vzorcom:

kde N.- počet molekúl v plyne.
Štvorec modulu akéhokoľvek vektora sa však rovná súčtu druhých mocnín jeho projekcií na súradnicovú os. ОХ, ОY, ОZ... Preto

Priemerné hodnoty veličín je možné určiť pomocou vzorcov podobných vzorcu (8.9). Medzi priemerom a priemerom štvorcov projekcií existuje rovnaký vzťah ako vzťah (8.10):

Rovnosť (8.10) skutočne platí pre každú molekulu. Sčítanie takýchto rovností pre jednotlivé molekuly a delenie oboch strán výslednej rovnice počtom molekúl N., dostávame sa k vzorcu (8.11).
Pozor! Pretože smery troch osí ОХ, ОY a OZ v dôsledku náhodného pohybu molekúl sú rovnaké, priemerné hodnoty druhých mocnín projekcií rýchlosti sú si navzájom rovnaké:

Vidíte, z chaosu vyplýva určitý vzorec. Dokázali by ste na to prísť sami?
Berúc do úvahy vzťah (8.12), nahradíme vo vzorci (8.11) namiesto a. Potom pre strednú mocninu projekcie rýchlosti dostaneme:

to znamená, že stredný štvorec projekcie rýchlosti sa rovná 1/3 priemerného štvorca samotnej rýchlosti. Faktor 1/3 sa zdá byť spôsobený trojrozmernosťou priestoru a podľa toho existenciou troch projekcií pre akýkoľvek vektor.
Molekulové rýchlosti sa náhodne líšia, ale stredný štvorec rýchlosti je celkom určitá hodnota.

6. Základná rovnica molekulárnej kinetickej teórie
Pokračujeme k odvodeniu základnej rovnice molekulárnej kinetickej teórie plynov. Táto rovnica určuje závislosť tlaku plynu od priemernej kinetickej energie jeho molekúl. Po odvodení tejto rovnice v 19. storočí. a experimentálny dôkaz jeho platnosti začal rýchly rozvoj kvantitatívnej teórie, ktorý pokračuje dodnes.
Dôkaz o takmer akomkoľvek tvrdení z fyziky, deriváciu akejkoľvek rovnice je možné vykonať pomocou rôzneho stupňa prísnosť a presvedčivosť: veľmi zjednodušené, viac či menej prísne alebo s úplnou prísnosťou, aké má moderná veda k dispozícii.
Rigorózna derivácia rovnice molekulárnej kinetickej teórie plynov je dosť komplikovaná. Preto sa obmedzujeme na vysoko zjednodušené, schematické odvodenie rovnice. Napriek všetkým zjednodušeniam je výsledok správny.
Odvodenie hlavnej rovnice. Vypočítajme tlak plynu na stenu CD plavidlá A B C D oblasť S kolmo na súradnicovú os VÔL (Obrázok 8.13).

Keď molekula narazí na stenu, jej hybnosť sa zmení :. Pretože modul rýchlosti molekúl sa pri náraze nemení, potom ... Podľa druhého Newtonovho zákona je zmena hybnosti molekuly rovnaká ako hybnosť sily, ktorá naň pôsobí zo strany steny cievy, a podľa tretieho Newtonovho zákona hybnosť sily, s ktorou molekula pôsobila na stene je rovnaký v module. V dôsledku toho v dôsledku nárazu molekuly na stenu pôsobila sila, ktorej impulz sa rovná.

Aká je priemerná vzdialenosť medzi molekulami nasýtenej vodnej pary pri teplote 100 ° C?

Problém č. 4.1.65 zo „Zbierky problémov na prípravu na prijímacie skúšky z fyziky USPTU“

Vzhľadom na:

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

Riešenie problému:

Uvažujme vodnú paru v ľubovoľnom množstve rovnajúcom sa \ (\ nu \) mólu. Na určenie objemu \ (V \) obsadeného daným množstvom vodnej pary musíte použiť Clapeyron-Mendelejevovu rovnicu:

V tomto vzorci je \ (R \) univerzálna plynová konštanta rovnajúca sa 8,31 J / (mol · K). Tlak nasýtených vodných pár \ (p \) pri teplote 100 ° C sa rovná 100 kPa, to je známy fakt a každý študent by to mal vedieť.

Na určenie počtu molekúl vodnej pary \ (N \) použite nasledujúci vzorec:

Tu \ (N_A \) je Avogadrovo číslo rovné 6,023 · 10 23 1 / mol.

Potom pre každú molekulu existuje kocka objemu \ (V_0 \), evidentne určená vzorcom:

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

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

Teraz sa pozrite na diagram problému. Každá molekula je konvenčne umiestnená vo vlastnej kocke, vzdialenosť medzi dvoma molekulami sa môže líšiť od 0 do \ (2d \), kde \ (d \) je dĺžka okraja kocky. Priemerná vzdialenosť \ (l \) sa bude rovnať dĺžke okraja kocky \ (d \):

Dĺžku okraja \ (d \) nájdete takto:

V dôsledku toho dostaneme nasledujúci vzorec:

Premeňme teplotu na Kelvinovu stupnicu a vypočítajme odpoveď:

Odpoveď: 3,72 nm.

Ak nerozumiete riešeniu a máte otázku alebo nájdete chybu, neváhajte zanechať komentár nižšie.

Tuhé látky sú tie, ktoré sú schopné vytvárať telá a majú objem. Líšia sa od kvapalín a plynov svojim tvarom. Pevné látky si zachovávajú tvar tela, pretože ich častice sa nemôžu voľne pohybovať. Líšia sa svojou hustotou, plasticitou, elektrickou vodivosťou a farbou. Majú aj ďalšie vlastnosti. Napríklad väčšina týchto látok sa počas zahrievania topí a získava kvapalný stav agregácie. Niektoré z nich sa po zahriatí okamžite premenia na plyn (sublimáciu). Existujú však aj také, ktoré sa rozkladajú na iné látky.

Druhy pevných látok

Všetky pevné látky sú zaradené do dvoch skupín.

1. Amorfné, v ktorom sú chaoticky umiestnené jednotlivé častice. Inými slovami: nemajú jasnú (definitívnu) štruktúru. Tieto pevné látky sa môžu topiť v špecifikovanom teplotnom rozmedzí. Najbežnejšie z nich sú sklo a živica.
2. Kryštalické, ktoré sú zase rozdelené do 4 typov: atómové, molekulárne, iónové, kovové. V nich sú častice umiestnené iba podľa určitého vzoru, konkrétne v uzloch kryštálovej mriežky. Jeho geometria sa môže v rôznych látkach veľmi líšiť.

Kryštalické tuhé látky svojim počtom prevažujú nad amorfnými.

Druhy kryštalických tuhých látok

V tuhom stave majú takmer všetky látky kryštalickú štruktúru. Líšia sa v mriežkach, v ktorých uzly obsahujú rôzne častice a chemické prvky... V súlade s nimi dostali svoje mená. Každý typ má svoje charakteristické vlastnosti:

• V atómovej kryštálovej mriežke sú častice pevnej látky viazané kovalentnou väzbou. Vyznačuje sa trvanlivosťou. Vďaka tomu sa tieto látky vyznačujú vysokými a bodmi varu. Tento typ zahŕňa kremeň a diamant.
• V molekulárnej kryštálovej mriežke je väzba medzi časticami charakterizovaná jej slabosťou. Látky tohto druhu sa vyznačujú ľahkým varom a topením. Vyznačujú sa svojou prchavosťou, vďaka ktorej majú určitý zápach. Medzi tieto pevné látky patrí ľad, cukor. Molekulárne pohyby v tuhých látkach tohto druhu sa líšia svojou aktivitou.
• V uzloch sa striedajú zodpovedajúce častice nabité pozitívne a negatívne. Drží ich spolu elektrostatická príťažlivosť. Tento typ mriežka existuje v zásadách, soliach, Mnoho látok tohto druhu sa ľahko rozpúšťa vo vode. Vzhľadom na dostatočne silnú väzbu medzi iónmi sú žiaruvzdorné. Takmer všetky sú bez zápachu, pretože sa vyznačujú neprchavosťou. Látky s iónovou mriežkou nie sú schopné viesť elektrický prúd, pretože v ich zložení nie sú žiadne voľné elektróny. Typickým príkladom iónovej pevnej látky je kuchynská soľ. Vďaka tejto kryštálovej mriežke je krehká. Je to spôsobené tým, že akékoľvek jeho posunutie môže viesť k vzniku odpudivých síl iónov.
• V kovovej kryštálovej mriežke uzly obsahujú iba pozitívne nabité ióny chemických látok. Medzi nimi sú voľné elektróny, ktorými dokonale prechádza tepelná a elektrická energia. Preto sa všetky kovy vyznačujú takou vlastnosťou, ako je vodivosť.

Všeobecné pojmy telesa

Pevné látky a látky sú prakticky to isté. Tieto výrazy sa nazývajú jedným zo 4 súhrnných stavov. Pevné látky majú stabilný tvar a povahu tepelného pohybu atómov. Navyše tieto vykonávajú malé fluktuácie v blízkosti rovnovážnych polôh. Vedný odbor zaoberajúci sa štúdiom zloženia a vnútornej štruktúry sa nazýva fyzika tuhých látok. Existujú ďalšie dôležité oblasti znalostí, ktoré sa zaoberajú takýmito látkami. Zmena tvaru pod vonkajšími vplyvmi a pohybom sa nazýva mechanika deformovateľného telesa.

Vďaka rôznym vlastnostiam tuhých látok našli uplatnenie v rôznych technických zariadeniach vytvorených človekom. Ich použitie bolo najčastejšie založené na vlastnostiach, ako sú tvrdosť, objem, hmotnosť, elasticita, plasticita, krehkosť. Moderná veda umožňuje využiť ďalšie kvality tuhých látok, ktoré sa nachádzajú iba v laboratórnych podmienkach.

Čo sú to kryštály

Kryštály sú pevné látky s časticami usporiadanými v určitom poradí. Každý má svoju vlastnú štruktúru. Jeho atómy tvoria trojrozmerné periodické balenie nazývané kryštálová mriežka. Pevné látky majú rôznu štrukturálnu symetriu. Kryštalický stav tuhej látky sa považuje za stabilný, pretože má minimálne množstvo potenciálnej energie.

Drvivú väčšinu tuhých látok tvorí obrovské množstvo náhodne orientovaných jednotlivých zŕn (kryštalitov). Takéto látky sa nazývajú polykryštalické. Patria sem technické zliatiny a kovy, ako aj mnohé horniny. Jednotlivé prírodné alebo syntetické kryštály sa nazývajú monokryštalické.

Takéto pevné látky sa najčastejšie tvoria zo stavu kvapalnej fázy, reprezentovaného taveninou alebo roztokom. Niekedy sa získavajú z plynného stavu. Tento proces sa nazýva kryštalizácia. Vďaka vedeckému a technickému pokroku získal postup pri pestovaní (syntéze) rôznych látok priemyselný rozsah. Väčšina kryštálov má prirodzený tvar vo forme Ich veľkosti sú veľmi odlišné. Prírodný kremeň (skalný kryštál) teda môže vážiť až stovky kilogramov a diamanty - až niekoľko gramov.

V amorfných tuhých látkach sú atómy v konštantných vibráciách okolo náhodne umiestnených bodov. Zachovávajú si určité poradie krátkeho dosahu, ale neexistuje poradie na dlhé vzdialenosti. Je to spôsobené tým, že ich molekuly sú umiestnené vo vzdialenosti, ktorú je možné porovnať s ich veľkosťou. Najbežnejším príkladom takejto pevnej látky v našom živote je sklovitý stav. sú často vnímané ako kvapaliny s nekonečne vysokou viskozitou. Čas ich kryštalizácie je niekedy taký dlhý, že sa to vôbec neprejavuje.

Práve vyššie uvedené vlastnosti týchto látok ich robia jedinečnými. Amorfné tuhé látky sú považované za nestabilné, pretože môžu v priebehu času kryštalizovať.

Molekuly a atómy, ktoré tvoria pevnú látku, sú nabité veľkou hustotou. Prakticky si zachovávajú vzájomnú polohu voči iným časticiam a držia sa spolu vďaka medzimolekulárnej interakcii. Vzdialenosť medzi molekulami tuhej látky v rôznych smeroch sa nazýva parameter kryštálovej mriežky. Štruktúra látky a jej symetria určujú mnohé vlastnosti, ako napríklad elektrónové pásmo, štiepenie a optika. Keď je teleso vystavené dostatočne veľkej sile, môžu byť tieto vlastnosti do istej miery narušené. V tomto prípade sa pevná látka požičiava na trvalú deformáciu.

Atómy pevných látok pôsobia oscilačný pohyb, čo určuje ich držanie tepelnej energie. Pretože sú zanedbateľné, je ich možné pozorovať iba v laboratórnych podmienkach. pevná látka výrazne ovplyvňuje jeho vlastnosti.

Štúdium pevných látok

Vlastnosti, vlastnosti týchto látok, ich kvalitu a pohyb častíc študujú rôzne podsekcie fyziky tuhých látok.

Na výskum sa používajú: rádiospektroskopia, štruktúrna analýza pomocou röntgenového žiarenia a ďalšie metódy. Takto sa študujú mechanické, fyzikálne a tepelné vlastnosti pevných látok. Tvrdosť, odolnosť voči zaťaženiu, pevnosť v ťahu, fázové transformácie študujú materiálovú vedu. Do značnej miery sa prekrýva s fyzikou pevných látok. Je tu ešte jedna dôležitá vec moderná veda... Štúdium existujúcich a syntézy nových látok sa vykonáva chémiou v pevnom stave.

Vlastnosti tuhých látok

Povaha pohybu vonkajších elektrónov atómov tuhej látky určuje mnoho z jej vlastností, napríklad elektrických. Existuje 5 tried takýchto telies. Sú stanovené v závislosti od typu väzby medzi atómami:

• Iónový, ktorého hlavnou charakteristikou je sila elektrostatickej príťažlivosti. Jeho vlastnosti: odraz a absorpcia svetla v infračervenej oblasti. Pri nízkych teplotách sa iónová väzba vyznačuje nízkou elektrickou vodivosťou. Príkladom takejto látky je sodná soľ kyseliny chlorovodíkovej (NaCl).
• Kovalentný, uskutočnený elektrónovým párom, ktorý patrí k obidvom atómom. Takéto puto je rozdelené na: jednoduché (jednoduché), dvojité a trojité. Tieto názvy naznačujú prítomnosť elektrónových párov (1, 2, 3). Dvojité a trojité väzby sa nazývajú viacnásobné väzby. Existuje ešte jedno rozdelenie tejto skupiny. V závislosti od distribúcie hustoty elektrónov sa teda rozlišujú polárne a nepolárne väzby. Prvý je tvorený rôznymi atómami a druhý je rovnaký. Takýto pevný stav látky, ktorej príkladmi sú diamant (C) a kremík (Si), sa vyznačuje hustotou. Najtvrdšie kryštály patria práve do kovalentnej väzby.
• Kovový, vytvorený kombináciou valenčných elektrónov atómov. V dôsledku toho sa objaví spoločný elektrónový oblak, ktorý je posunutý pod vplyvom elektrického napätia. Kovová väzba vzniká vtedy, ak sú atómy, ktoré sa majú spojiť, veľké. Sú to tí, ktorí sú schopní darovať elektróny. Pre mnoho kovov a komplexných zlúčenín tvorí táto väzba pevný stav hmoty. Príklady: sodík, bárium, hliník, meď, zlato. Z nekovových zlúčenín je možné poznamenať nasledujúce: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Látky s kovovými väzbami (kovy) majú rôzne fyzikálne vlastnosti. Môžu byť tekuté (Hg), mäkké (Na, K), veľmi tvrdé (W, Nb).
• Molekulárne, vznikajúce v kryštáloch, ktoré sú tvorené jednotlivými molekulami látky. Je charakterizovaná medzerami medzi molekulami s nulovou hustotou elektrónov. Sily, ktoré viažu atómy v takýchto kryštáloch, sú významné. V tomto prípade sú molekuly navzájom priťahované iba slabou medzimolekulárnou príťažlivosťou. Preto sa väzby medzi nimi pri zahrievaní ľahko zničia. Spojenia medzi atómami sa rozpadávajú oveľa ťažšie. Molekulárne väzby sú rozdelené na orientačné, disperzné a induktívne. Príkladom takejto látky je pevný metán.
• Vodík, ktorý vzniká medzi pozitívne polarizovanými atómami molekuly alebo jej časti a negatívne polarizovanou najmenšou časticou inej molekuly alebo inej časti. Medzi tieto spojenia patrí ľad.

Vlastnosti tuhých látok

Čo dnes vieme? Vedci už dlho skúmajú vlastnosti tuhého stavu hmoty. Pri vystavení teplotám sa tiež mení. Prechod takého telesa na kvapalinu sa nazýva tavenie. Transformácia tuhej látky na plynný stav sa nazýva sublimácia. Keď teplota klesá, pevná látka kryštalizuje. Niektoré látky pod vplyvom chladu prechádzajú do amorfnej fázy. Vedci tento proces nazývajú vitrifikácia.

Keď sa zmení vnútorná štruktúra pevných látok. Najvyššiu usporiadanosť získava so znižovaním teploty. Pri atmosférickom tlaku a teplote T> 0 K všetky látky, ktoré existujú v prírode, stuhnú. Výnimkou z tohto pravidla je iba hélium, ktoré na kryštalizáciu vyžaduje tlak 24 atm.

Pevný stav látky mu dáva rôzne fyzikálne vlastnosti. Charakterizujú špecifické správanie telies pod vplyvom určitých polí a síl. Tieto vlastnosti sú rozdelené do skupín. Existujú 3 spôsoby expozície zodpovedajúce 3 druhom energie (mechanická, tepelná, elektromagnetická). Podľa toho existujú 3 skupiny fyzikálne vlastnosti tuhé látky:

• Mechanické vlastnosti súvisiace so namáhaním a deformáciou telies. Podľa týchto kritérií sa pevné látky delia na elastické, reologické, silové a technologické. V pokoji si také telo zachováva tvar, ale môže sa meniť pod vplyvom vonkajšej sily. Navyše, jeho deformácia môže byť plastická (pôvodná forma sa nevracia), elastická (vracia sa do pôvodného tvaru) alebo deštruktívna (keď sa dosiahne určitý prah, dôjde k rozpadu / zlomeniu). Odozvu na aplikovanú silu opisujú elastické moduly. Tuhé telo odoláva nielen stlačeniu, rozťahovaniu, ale aj šmyku, skrúteniu a ohybu. Sila pevnej látky sa nazýva jej vlastnosť odolávať zničeniu.
• Tepelné, prejavujúce sa pri pôsobení tepelných polí. Jeden z najviac dôležité vlastnosti- bod topenia, pri ktorom sa telo zmení na kvapalné skupenstvo. Nachádza sa v kryštalických tuhých látkach. Amorfné telesá majú latentné tavné teplo, pretože k ich prechodu do kvapalného stavu so zvýšením teploty dochádza postupne. Po dosiahnutí určitého tepla stráca amorfné telo svoju pružnosť a získava plasticitu. Tento stav znamená, že dosahuje teplotu skleného prechodu. Pri zahrievaní dochádza k deformácii tuhej látky. Navyše sa najčastejšie rozširuje. Kvantitatívne je tento stav charakterizovaný určitým koeficientom. Telesná teplota ovplyvňuje mechanické vlastnosti, ako je tok, ťažnosť, tvrdosť a pevnosť.
• Elektromagnetický, spojený s nárazom prúdov mikročastíc a elektromagnetických vĺn vysokej tuhosti na teleso. Bežne sa na ne odkazujú radiačné vlastnosti.

Zónová štruktúra

Tuhé látky sú tiež klasifikované podľa takzvanej zónovej štruktúry. Medzi nimi sa rozlišujú:

• Vodiče, vyznačujúce sa tým, že sa ich vodivé a valenčné pásy prekrývajú. V tomto prípade sa medzi nimi môžu pohybovať elektróny, ktoré prijímajú najmenšiu energiu. Všetky kovy sú považované za vodiče. Keď je na také teleso aplikovaný potenciálny rozdiel, vznikne elektrický prúd (v dôsledku voľného pohybu elektrónov medzi bodmi s najnižším a najvyšším potenciálom).
• Dielektrika, ktorých zóny sa neprekrývajú. Interval medzi nimi presahuje 4 eV. Na prenos elektrónov z valencie do vodivého pásma je potrebné veľa energie. Vďaka týmto vlastnostiam dielektrika prakticky nevedú prúd.
• Polovodiče charakterizované absenciou vodivých a valenčných pásiem. Interval medzi nimi je menší ako 4 eV. Na prenos elektrónov z valencie do vodivého pásma je potrebná menšia energia ako pre dielektrikum. Čisté (nedotknuté a vnútorné) polovodiče nevedú dobre prúd.

Pohyb molekúl v pevných látkach určuje ich elektromagnetické vlastnosti.

Ďalšie vlastnosti

Pevné látky sú tiež rozdelené podľa ich magnetických vlastností. Existujú tri skupiny:

• Diamagnety, ktorých vlastnosti závisia len málo od teploty alebo stavu agregácie.
• Paramagnety vyplývajúce z orientácie vodivých elektrónov a magnetických momentov atómov. Podľa Curieho zákona ich náchylnosť klesá úmerne s teplotou. Takže pri 300 K je 10 -5.
• Telá s usporiadanou magnetickou štruktúrou a dlhým dosahom atómového poriadku. V uzloch ich mriežky sú periodicky umiestnené častice s magnetickými momentmi. Tieto pevné látky a látky sa často používajú v rôznych oblastiach ľudskej činnosti.

Najtvrdšie látky v prírode

Čo sú zač? Hustota tuhých látok do značnej miery určuje ich tvrdosť. V posledných rokoch vedci objavili niekoľko materiálov, ktoré o sebe tvrdia, že sú „najtrvanlivejším telom“. Najtvrdšou látkou je fullerit (kryštál s molekulami fullerénu), ktorý je asi 1,5 -krát tvrdší ako diamant. V súčasnosti je bohužiaľ k dispozícii iba v extrémne malých množstvách.

K dnešnému dňu je najtvrdšou látkou, ktorá sa môže v priemysle ďalej používať, lonsdaleit (šesťuholníkový diamant). Je o 58% tvrdší ako diamant. Lonsdaleit je alotropická modifikácia uhlíka. Jeho kryštálová mriežka je veľmi podobná diamantovej. Bunka lonsdaleite obsahuje 4 atómy a diamant - 8. Zo široko používaných kryštálov zostáva diamant dnes najtvrdším.

Plynové zákony a základy IKT.

Ak je plyn dostatočne zriedený (a to je bežná vec, najčastejšie sa musíme zaoberať vzácnymi plynmi), potom sa takmer akýkoľvek výpočet vykoná pomocou vzorca spájajúceho tlak P, objem V, množstvo plynu ν a teplotu T - toto je slávna „rovnica ideálneho stavu plynu“ P · V = ν · R · T. Ako nájsť jednu z týchto veličín, ak sú uvedené všetky ostatné, je celkom jednoduché a jednoduché. Problém však môžete formulovať tak, že otázka bude o nejakom inom množstve - napríklad o hustote plynu. Úlohou je teda nájsť hustotu dusíka pri teplote 300 K a tlaku 0,2 atm. Poďme to vyriešiť. Podľa stavu je plyn skôr vzácny (vzduch pozostávajúci z 80% dusíka a pri výrazne vyššom tlaku možno považovať za vzácny, voľne ho dýchame a ľahko ním prechádzame), a keby to tak nebolo, tak nie starajte sa o iné vzorce nie - používame tento, milovaný. Podmienka neurčuje objem žiadnej časti plynu, nastavíme si ho sami. Vezmime 1 kubický meter dusíka a nájdeme množstvo plynu v tomto objeme. Keď poznáme molárnu hmotnosť dusíka M = 0,028 kg / mol, zistíme hmotnosť tejto časti - a problém je vyriešený. Množstvo plynu ν = P V / R T, hmotnosť m = ν M = M P V / R T, teda hustota ρ = m / V = ​​M P / R T = 0,028 20000 / (8,3 300) ≈ 0,2 kg / m3. Objem, ktorý sme vybrali, nebol nikdy zahrnutý v odpovedi, vybrali sme ho kvôli konkrétnosti - je jednoduchšie to zdôvodniť, pretože si nemusíte hneď uvedomovať, že objem môže byť čokoľvek, ale hustota bude rovnaká. Dá sa však tiež prísť na to - „ak vezmeme objem, povedzme päťkrát viac, zvýšime množstvo plynu presne päťkrát, takže bez ohľadu na to, aký objem vezmeme, hustota bude rovnaká“. Môžete jednoducho prepísať svoj obľúbený vzorec tak, že doň nahradíte výrazom množstvo plynu cez hmotnosť časti plynu a jeho molárna hmotnosť: ν = m / M, potom pomer m / V = ​​MP / RT je okamžite vyjadrený a toto je hustota ... Môžete si vziať mol plynu a nájsť objem, ktorý zaberá, potom sa hustota okamžite zistí, pretože hmotnosť krtka je známa. Všeobecne platí, že čím jednoduchšia je úloha, tým rovnomernejšie a krajšie spôsoby jej riešenia ...
Tu je ďalší problém, kde sa otázka môže zdať neočakávaná: nájdite rozdiel v tlaku vzduchu vo výške 20 m a vo výške 50 m nad úrovňou zeme. Teplota 00C, tlak 1 atm. Riešenie: ak za týchto podmienok zistíme hustotu vzduchu ρ, potom tlakový rozdiel ∆P = ρ · g · ∆H. Hustotu nachádzame rovnako ako v predchádzajúcom probléme, obtiažnosť je len v tom, že vzduch je zmesou plynov. Za predpokladu, že sa skladá z 80% dusíka a 20% kyslíka, zistíme hmotnosť molu zmesi: m = 0,8 · 0,028 + 0,2 · 0,032 ≈ 0,029 kg. Objem obsadený týmto mólom je V = R · T / P a hustota sa zistí ako pomer týchto dvoch veličín. Potom je všetko jasné, odpoveď bude asi 35 Pa.
Hustota plynu sa bude musieť vypočítať aj napríklad pri zdvíhacej sile balóna daného objemu pri výpočte množstva vzduchu v potápačských valcoch, ktoré je potrebné na určitý čas na dýchanie pod vodou, pri výpočte počtu somárov potrebných na prepravu daného množstva pár ortuti cez púšť a v mnohých ďalších prípadoch.
Úloha je však náročnejšia: rýchlovarná kanvica na stole hlučne vrie, spotreba energie je 1 000 W, účinnosť je ohrievač 75% (zvyšok „ide“ do okolitého priestoru). Z nosa - plocha „nosa“ je 1 cm2 - vyžaruje sa prúd pary na odhad rýchlosti plynu v tomto prúde. Vezmite všetky potrebné údaje z tabuliek.
Riešenie. Budeme predpokladať, že v kanvici nad vodou sa vytvára nasýtená para, potom z hrdla vyletí prúd nasýtenej vodnej pary pri + 1000 ° C. Tlak takejto pary je 1 atm, je ľahké nájsť jej hustotu. Keď poznáme výkon použitý na odparovanie P = 0,75 P0 = 750 W a špecifické odparovacie teplo (odparovanie) r = 2300 kJ / kg, zistíme hmotnosť pary generovanej v čase τ: m = 0,75P0 τ / r. Poznáme hustotu, potom je ľahké nájsť objem tohto množstva pary. Ostatné je už jasné - tento objem reprezentujeme vo forme stĺpca s plochou prierezu 1 cm2, dĺžka tohto stĺpca delená τ nám poskytne rýchlosť odletu (takáto dĺžka letí von v druhý). Rýchlosť odchodu prúdu z výtoku čajníka je 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 m / s.
c) Zilberman A.R.

Príkladom najjednoduchšieho systému študovaného v molekulárnej fyzike je plyn... Podľa štatistického prístupu sú plyny považované za systémy pozostávajúce z veľmi veľkého počtu častíc (až 10 26 m –3), ktoré sú v neustálom neusporiadanom pohybe. Molekulárna kinetická teória používa ideálny plynový model Podľa ktorého sa verí, že:

1) vnútorný objem molekúl plynu je zanedbateľný v porovnaní s objemom nádoby;

2) medzi molekulami plynu nie sú žiadne interakčné sily;

3) zrážky molekúl plynu navzájom a so stenami nádoby sú absolútne elastické.

Odhadnime vzdialenosti medzi molekulami v plyne. Za normálnych podmienok (n.o .: p = 1,03 · 10 5 Pa; t = 0 ° C) počet molekúl na jednotku objemu :. Potom priemerný objem na molekulu:

(m 3).

Priemerná vzdialenosť medzi molekulami: m. Priemerný priemer molekuly: d “3,10-10 m. Vnútorné rozmery molekuly sú malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi (10 -krát). Častice (molekuly) sú preto také malé, že ich možno prirovnať k hmotným bodom.

V plyne sú molekuly väčšinu času tak ďaleko od seba, že interakčné sily medzi nimi sú prakticky nulové. Môžeme to predpokladať kinetická energia molekúl plynu je oveľa vyššia ako potenciál, preto to druhé možno zanedbať.

Vo chvíľach krátkodobej interakcie ( zrážky) interakčné sily môžu byť významné, čo vedie k výmene energie a hybnosti medzi molekulami. Kolízie slúžia ako mechanizmus, ktorým môže makrosystém prechádzať z jedného energetického stavu, ktorý má za daných podmienok do druhého, do druhého.

Ideálny plynový model je možné použiť na štúdium skutočných plynov, pretože sú v podmienkach blízkych normálnym podmienkam (napríklad kyslík, vodík, dusík, oxid uhličitý, vodná para, hélium), ako aj pod nízke tlaky a vysoké teploty majú blízko svojimi vlastnosťami k ideálnemu plynu.

Stav tela sa môže meniť pri zahrievaní, stláčaní, zmene tvaru, to znamená pri zmene akýchkoľvek parametrov. Rozlišujte medzi rovnovážnymi a nerovnovážnymi stavmi systému. Rovnovážny stav Je stav, v ktorom sa všetky parametre systému v priebehu času nemenia (inak je nerovnovážny stav) a neexistujú žiadne sily schopné meniť parametre.

Najdôležitejšími parametrami stavu systému sú hustota telesa (alebo inverzná hodnota hustoty - špecifický objem), tlak a teplota. Hustota (r) Je hmotnosť látky na jednotku objemu. Tlak (R.- sila pôsobiaca na jednotku plochy povrchu tela smerujúca pozdĺž kolmice na tento povrch. Rozdiel teploty (DTO) Je mierou odchýlky telies od stavu tepelnej rovnováhy. Existuje empirická a absolútna teplota. Empirická teplota (t) Je mierou odchýlky telies od stavu tepelnej rovnováhy s topiacim sa ľadom pod tlakom v jednej fyzikálnej atmosfére. Mernou jednotkou je 1 stupeň Celzia(1 o C), ktorý je určený podmienkou, že topenie ľadu za atmosférického tlaku sa pripisuje 0 o C a vriaca voda pri rovnakom tlaku je 100 o C, v uvedenom poradí. Rozdiel medzi absolútnou a empirickou teplotou je predovšetkým v tom, že absolútna teplota sa meria od extrémne nízkej teploty - absolútna nula, ktorá leží pod teplotou topenia ľadu o 273,16 o, tj

Poznač si to akákoľvek funkčná závislosť spájajúca navzájom termodynamické parametre ako (6.2.2, a), sa tiež nazýva stavová rovnica... Forma funkcie závislosti medzi parametrami ((6.2.2, a), (6.2.2, b)) sa pre každú látku stanoví experimentálne. Doteraz však bolo možné určiť stavovú rovnicu iba pre plyny v zriedkavých stavoch a v približnej forme pre niektoré stlačené plyny.