Водородная связь возникает, как правило, между молекулами. Энергия ее относительно невысока и достигает 21—42 кДж/моль (5—10 ккал/моль). В ряду H×××F, Н×××О, Н×××N, Н×××Сl прочность водородной связи падает. Она также уменьшается с повышением температуры, поэтому у веществ в парообразном состоянии водородная связь практически отсутствует. Она характерна главным образом для веществ в жидком и твердом состоянии. При обычных или пониженных температурах водородная связь вызывает ассоциацию молекул в димеры, тримеры и т. д.
Наиболее характерно проявление водородной связи между молекулами фтористого водорода HF, который в жидком состоянии образует полимерные цепочки, в которых угол Н×××F—Н составляет 140°:
Водородные связи в отличие от ковалентных обозначают пунктиром. Как показали исследования, даже вблизи температуры кипения состав фтористого водорода приблизительно соответствует формуле (HF)4
Для других веществ в жидком состоянии наиболее характерны димеры, например:
|
В отличие от молекул фтористого водорода каждая молекула воды может участвовать в образовании двух водородных связей, поэтому атом кислорода оказывается связанным с четырьмя атомами водорода:
Ассоциированные молекулы воды при низких температурах образуют полимерные агрегаты. Такая ажурная пространственная структура характерна для воды в твердом состоянии (льда).
Для многих органических веществ характерно образование внутримолекулярной водородной связи, соединяющей части одной и той же молекулы. Например, в молекулах белков наряду с межмолекулярными имеются и внутримолекулярные водородные связи, что придает белкам определенную структуру и обусловливает их свойства.
Межмолекулярное взаимодействие. Между молекулами газообразных, жидких и твердых действуют силы сцепления. Эти силы называются вандерваальсовыми силами - (по имени голландского ученою Ван-дер-Ваальса).
Вандерваальсовы силы проявляются между молекулами лишь на очень малом расстоянии, примерно 10-7 см. На больших расстояниях эти силы ничтожно малы. Поэтому в газах при обычном давлении межмолекулярное взаимодействие практически отсутствует. Однако, если газы находятся под повышенным давлением, силы межмолекулярного взаимодействия следует учитывать
В жидкостях расстояние между молекулярными меньше, чем в газах, а потому вандерваальсовы силы проявляются в большей степени. В твердых телах расстояние между молекулами достигает минимума, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в этом агрегатном состоянии имеют наибольшее значение. Энергия межмолекулярного взаимодействия невелика и обычно в 10— 100 раз меньше энергии химического взаимодействия.
Различают три вида межмолекулярного взаимодействия: ориентационное, индукционное и дисперсионное. Ориентационное взаимодействие наблюдается при сближении полярных молекул, которые стремятся ориентироваться относительно друг друга противоположно заряженными концами диполей. Положительно заряженный конец диполя одной молекулы притягивает к себе отрицательно заряженный конец диполя другой молекулы.
Индукционное взаимодействие осуществляется между полярными и неполярными молекулами. Под влиянием электрического поля полярной молекулы в неполярной индуцируется (наводится) временный дипольный момент. Между постоянным диполем одной молекулы и наведенным диполем другой возникает межмолекулярная связь.
Дисперсионное взаимодействие характерно для неполярных молекул. Дипольный момент у обеих неполярных молекул равен нулю, но вследствие постоянного движения электронов возможно перераспределение зарядов и появление мгновенных диполей. Между ними возникает дисперсионное взаимодействие. На этом типе взаимодействия основан процесс сжижения благородных и двухатомных газов (Н2, С12 и др.), молекулы которых не имеют дипольного момента.
Следовательно, силы Ван-дер-Ваальса также имеют электрическую природу и существенно влияют на агрегатное состояние вещества.
Г л а в а III
АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Молекулярно-кинетическая теория — это учение, объясняющее свойства тел взаимодействием и движением молекул и атомов.
В зависимости от внешних условий (температуры и давления) почти каждое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.
В твердых телах молекулы наиболее сближены межlу собой и силы притяжения между ними очень велики. Поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем, и чтобы изменить их, надо приложить значительную силу. В твердых телах поступательное движение частиц вещества отсутствует. При этом молекулы, атомы или ионы, из которых состоят твердые тела, расположены в определенном порядке и частицы совершают лишь колебательные движения около определенных точек.
В теле, находящемся в жидком состоянии, расстояние между молекулами несколько больше, чем в твердом теле. Поэтому силы притяжения между молекулами несколько меньше, но еще настолько значительны, что молекулы жидкостей не совершают беспорядочных движений, а лишь «скользят» одна около другой. Молекулы, оказавшиеся на поверхности, могут преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и переходить в газовую фазу — испарение жидкости. Жидкости легко меняют свою форму, например при переливании из одного сосуда в другой. Это свойство жидкости называется текучестью. Жидкости обладают частично упорядоченной структурой: для них характерен ближний порядок в отличие от твердых тел, где существует дальний порядок, т. е. в жидкостях часть молекул сохраняет определенное пространственное расположение. Чем ниже температура жидкости, тем более упорядочена ее структура и тем больше она приближается к структуре твердого тела.
В газах молекулы находятся в непрерывном поступательном движении. При движении они сталкиваются друг с другом. Однако столкнувшись, молекулы вследствие малых вандерваальсовых сил притяжения и большой кинетической энергии движения тотчас разлетаются. Поступательным движением молекул объясняется способность газов заполнить весь предоставленный им объем. Газ не может занимать, например, только нижнюю половину сосуда, а распространяется по всему cocуду.
Вследствие больших межмолекулярных расстояний газы в отличие от твердых тел и жидкостей обладают способностью сжиматься.
Не все вещества могут находиться во всех трех агрегатных состояниях. Для некоторых возможны только одно или два агрегатных состояния, например карбонат кальция и крахмал существуют только в твердом состоянии. Их практически невозможно получить ни в жидком, ни в газообразном состояниях (при нагревании они разлагаются). Другие вещества при определенных условиях могут находиться одновременно в двух или даже в трех агрегатных состояниях. Так, вода при давлении 6,1ּ102 Па (4,58 мм рт. ст.) и температуре 0,01°С находится в устойчивом равновесии в трех состояниях: твердом (лед), жидком (жидкая вода) и газообразном (водяной пар), что можно записать так:
Лед ↔ Вода ↔ Пар
При некоторых особых условиях вещество может находиться в четвертом агрегатном состоянии — плазменном. При нагревании веществ до температуры порядка тысяч и миллионов градусов они переходят в ионизированный газ — плазму. В общем случае плазма — это смесь беспрерывно перемещающихся атомов, положительно заряженных ионов, электронов и даже атомных ядер. Плазма с температурой порядка 10—100 тыс. градусов называется «холодной», с температурой порядка миллионов градусов — «горячей». В горячей плазме нейтральные атомы существовать уже не могут, они полностью ионизируются, и плазма состоит из положительно заряженных ядер и свободных электронов. Поэтому высокотемпературную плазму иначе называют электронно-ядерным газом. Плазма в целом электронейтральна, но обладает электронной и ионной проводимостью.
В земных условиях плазменное состояние реализуется в молниях, электрической дуге, светящемся веществе неоновых ламп. В плазменном состоянии находится ионосфера Земли. Колоссальными сгустками плазмы являются звезды, в том числе и Солнце.
§ 7. Газообразное состояние
Законы идеальных газов. Упрощенной моделью газообразного состояния является идеальный газ. Если газ очень разрежен, то расстояние между отдельными молекулами настолько велико, что силами межмолекулярного взаимодействии можно пренебречь. При этом можно пренебречь и объемом молекул, поскольку он ничтожно мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Газ, находящийся в таком состоянии, при котором можно пренебречь силами молекулярного взаимодействия и объемом его молекул, называется идеальным газом.
Физическое состояние идеального газа определяется в этом случае тремя параметрами: температурой Т, давлением р и объемом V. Все эти величины связаны между собой и зависимость между ними называется уравнением состояния, которое вытекает из трех газовых законов: Бойля — Мариотта, Гей-Люссака и Шарля. Каждый из этих законов устанавливает зависимость между какими-либо двумя параметрами при неизменном третьем параметре.
Зависимость между объемом и давлением газа. Изучая зависимость объема V данной массы газа от давления р, Бойль (Англия) и Мариотт (Франция) независимо друг от друга открыли следующий закон: объем данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению, под которым газ находится, т. е.
(III.1)
что можно записать уравнением
p1V1 = p2V2 = k (III.2)
где k — постоянная величина.
Таким образом, из закона Бойля — Мариотта вытекает, что произведение объема газа на давление при данной температуре есть величина постоянная.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 |
