Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 4 )

Рис. 2. Распределение сил, действующих на мо­лекулу в глубине и на поверхности воды, в соот­ветствии с существующими представлениями

Из учебника общей физики (1998): «Так как плотность пара (или газа), с которой граничит жид­кость, во много раз меньше плотности жидкости, выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В ре­зультате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила, направленная внутрь жидко­сти (рис. 2). Величина этой силы растет в направлении от внутрен­ней к наружной границе слоя. Переход молекулы из глубины жид­кости в поверхностный слой сопровождается совершением над молекулой действующими на нее в поверхностном слое силами отрицательной работы. В результате этого кинетическая энергия молекулы уменьшается, превращаясь в потенциальную энергию. Подобно этому сила земного тяготения совершает над летящим вверх телом отрицательную работу, что приводит к превращению кинетической энергии тела в потенциальную. При обратном пере­ходе молекулы в глубь жидкости потенциальная энергия, которой обладала молекула в поверхностном слое, переходит в кинетиче­скую. Итак, молекулы в поверхностном слое обладают дополни­тельной потенциальной энергией. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной ча­стью во внутреннюю энергию жидкости. Поскольку положение рав­новесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жид­кость предоставленная самой себе, будет принимать форму с ми­нимальной поверхностью, т. е. форму шара. Из-за наличия по­верхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокра­щению своей поверхности. Жидкость ведет себя так, как если бы она была заключена в упругую растянутую пленку, стремящуюся сжаться. Следует иметь в виду, что никакой пленки, ограничиваю­щей жидкость снаружи, на самом деле нет. Поверхностный слой состоит из тех же молекул, что и вся жидкость, и взаимодействие между молекулами в поверхностном слое имеет тот же характер, что и внутри жидкости. Дело заключается лишь в том, что моле­кулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости» (с. 143).

Из этих высказываний следует, что в течение второй поло­вины 18-го в. и всего 19-го в. каких-либо изменений в представле­ниях о механизме поверхностного натяжения не произошло. Все исследователи говорят о том, что оно обусловлено втягиванием молекул воды ван-дер-ваальсовыми силами с поверхности на глу­бину и созданием за счет этого некоторого разуплотнения поверх­ностного слоя, которое в свою очередь и приводит к появлению стягивающих усилий поверхностной пленки – поверхностного на­тяжения. Роль теплового движения молекул сводится только к увеличению их стремления покидать жидкую фазу, этим ослабляя втягивание молекул и способствуя уменьшению поверхностного натяжения.

По моему мнению, в этом заключается главная, можно ска­зать фундаментальная, ошибка в объяснении этого явления. Я по­лагаю, что именно только тепловое движение молекул является первопричиной создания разуплотнения поверхностного слоя. Благодаря ему создаются условия для проявления стягивающих усилий в поверхностном слое жидкости, придавая ему свойства поверхностного натяжения. Никакого реального свойства молекул втягиваться внутрь жидкости ван-дер-ваальсовыми силами нет, а есть только стремление уменьшить нарушенное тепловым движе­нием разуплотнение поверхностного слоя путем притягивания мо­лекул к его нижней границе.

Для пояснения этого необходимо представить себе: 1) чем жидкости отличаются от газов и твердых какие силы дейст­вуют на молекулу, когда она выходит на поверхность.

Первое положение в науке хорошо известно и изложено в лю­бом соответствующем учебнике или научной работе. В газе или парообразной фазе жидкости молекулы обладают большими ско­ростями движения, поэтому они летают в свободном пространстве, соударяясь и отскакивая друг от друга, со скоростями в соответст­вии с распределением Максвелла – Больцмана (рис. 3). При пони­жении температуры скорости молекул замедляются и в процессе их сближения и соударения все более заметным становится влия­ние дальнодействующих ван-дер-ваальсовых сил притяжения, так что при критической температуре ниже точки кипения все моле­кулы, сближаясь до расстояний, равных ван-дер-ваальсовым ра­диусам, образуют плотную компактную массу – жидкость. При еще более низких температурах эта жидкость приобретает четко выра­женную в пространстве внутреннюю структуру и становится твер­дым телом.

Рис. 3. Диаграмма Мак­свелла – Больцмана рас­пределения скоростей движения молекул в газах

Элементы структурной упорядоченности молекул имеются и в жидкости. Очень наглядное и образное представление об этом дал (1987) в своем учебнике молекулярной физики:

«Необходимость существования некоторой структуры в жид­кости может быть понята из грубой аналогии. Если в шкафу на большой полке необходимо поставить небольшое число банок, то нет необходимости заботиться о том, как их расположить относи­тельно друг друга, чтобы все они поместились на полке. Если же число банок велико, так что они с трудом умещаются на полке, то дело обстоит по-другому. Кое-как поставить банки не удастся, и приходится расставлять их определенным способом, обеспечи­вающим максимальную экономию места. Расставляемые таким образом банки образуют определенную структуру» (с. 53).

Как известно, при плавлении твердых тел, обладающих наи­более плотной упаковкой атомов, объем жидкости увеличивается не более чем на 10 %. Значит, по плотности упаковки молекул жидкости очень мало отличаются от твердых тел, только в них по­является больше дырок. В целом считается, что если в газе не­прерывным континуумом является вмещающее молекулы про­странство, т. е. вакуум, то в жидкостях и твердых телах, наоборот, плотно упакованная масса молекул является непрерывным конти­нуумом, а вакуумные пустоты – дырки – редко рассеяны в этом континууме.

В минералогии хорошо известно, что кристаллическую струк­туру твердых веществ образуют атомы и ионы, т. е. положительно и отрицательно заряженные атомы (анионы и катионы). Они рас­сматриваются как упругие несжимаемые шарики, имеющие разные диаметры для различных веществ. При этом предполагается, что радиус этих шаров соответствует радиусам ван-дер-ваальсового взаимодействия, т. е. средней амплитуде взаимодействия между короткодействующими силами отталкивания и дальнодействую­щими силами притяжения. Одним из необходимых условий устой­чивости кристаллической решетки минералов является макси­мально плотная упаковка ионов разного диаметра, такая, чтобы шары-атомы верхнего слоя попали в лунки между шарами-ато­мами нижнего слоя по принципу плотнейшей кубической или гекса­гональной упаковки, образуя предельно минимальное простран­ство и, соприкасаясь друг с другом (рис. 4). Такая упаковка само­произвольно складывается в процессе роста кристаллов. На этом принципе касания атомов основано все представление о кристал­лической структуре веществ.

Рис. 4. Три типа моделирования кристаллической структуры сфалерита ZnS (вверху) и галенита PbS (внизу): а – разреженные модели; б – струк­туры в поллинговских тетраэдрах и октаэдрах; в – плотнейшая упаковка (черные шарики – катионы цинка или свинца, белые – анионы серы

Число ионов, находящихся на одинаковом или близком рас­стоянии от данного иона, называется координационным числом. В минералогии говорят о координационном числе катиона по отно­шению к анионам. При соединении прямыми линиями центров ок­ружающих (координированных) атомов или ионов вокруг данного катиона образуется геометрическая фигура – координационный полиэдр.

Рис. 5. Различные типы координации ка­тионов и анионов

Координационное число зависит от соотно­шения  радиусов ионов и типов их химической связи. Принимая во вни­мание, что наиболее ус­тойчивой будет такая кри­сталлическая структура, при которой все ионы ка­саются друг друга, гео­метрически рассчитаны оптимальные отношения радиуса катиона к радиусу аниона для различных координационных чисел. Оказывается, в зависимо­сти от различий в радиу­сах ионов, их плотнейшая упаковка может быть дос­тигнута различными спо­собами. Например, если взять три больших шара-аниона и плотно положить их на плоскости, то в про­межутке между ними смо­жет поместиться только очень ма­ленький шарик-катион (рис. 5). Если на эти три шара по­ложить сверху еще один, то в образовавшийся между ними про­межуток сможет поместиться несколько больший шарик (см. рис. 5а). Если на эти три шара положить сверху еще один, то в об­разовавшийся между ними промежуток сможет поместиться не­сколько больший шарик (см. рис. 5б). Если сложить вместе (квад­ратом) четыре шара, то в промежутке между ними поместится еще больший ша­рик (см. рис. 5в), – и так далее. Последовательное увеличение размеров шарика-катиона позволяет ему быть окру­женным все большим количеством шаров-анионов. В соответствии с этим ко­ординационное число будет расти вплоть до максимально воз­можного – 12, т. е. до тех пор, пока в окружении катиона не ока­жутся 12 наиболее близко расположенных к нему анионов.

По существу, на этом же принципе касания основано пред­ставление о структуре жидкостей. Но в отличие от твердых ве­ществ они имеют только структуру ближнего порядка, которая про­является в том, что каждая молекула жидкости имеет в своем ближайшем окружении определенное число соседних молекул, непосредственно контактирующих с ней, но в отдалении от нее постоянная структура отсутствует. Для воды это число равно 4,4 при температуре от 4 до 200 °С, что было определено рентгено­графическими исследованиями (Эйзенберг и др., 1975), т. е. рас­пределение молекул воды отвечает тетраэдральной конфигура­ции. К примеру, в так называемых простых жидкостях – жидком неоне и аргоне – молекулы имеют соответственно 8,6 и 10,5 бли­жайших соседей.