Молекулы не взаимодействуют друг с другом. § iii.1. взаимодействие между молекулами. Силы взаимодействия молекул

Все тела состоят из молекул. Но почему же тела не распадаются на отдельные молекулы? Все дело в том, что молекулы тела взаимодействуют друг с другом. В ходе этого урока вы узнаете, что именно взаимодействием молекул объясняются многие свойства тел и физические явления.

Тема: Первоначальные сведения о строении вещества

Урок: Взаимодействие молекул

Вы уже знаете, что все тела состоят из молекул, между молекулами есть промежутки, и все молекулы и атомы, из которых они состоят, непрерывно движутся. Но почему твердые тела или жидкости так трудно сжать, растянуть, разломать, если между молекулами есть промежутки?

Попробуем разломать несколько твердых тел: кусочек мела, кусочек пластилина, кусочек резинового жгута, пластмассы. Чтобы тело разломалось, нам приходится прилагать некоторое усилие. И в некоторых случаях силы рук для этого не хватает.

В чем причина того, что для разрушения твердого тела приходится прикладывать усилие? Все дело в притяжении, которое существует между молекулами. Молекула притягивает все ближайшие к ней молекулы и сама притягивается к ним.

Если между молекулами существует притяжение, то, наверное, возможно из осколков вновь создать целое тело? С кусочком мела, как бы мы ни старались, сделать это не удастся. А вот кусочки пластилина при сжатии вновь станут одним целым телом.

Если внимательно рассмотреть сколы кусочков мела, то можно увидеть, что они неровные, шероховатые. А значит, при их соединении мы не можем приблизить молекулы на поверхностях двух соединяемых частей так близко, чтобы между ними возникло притяжение.

Рис. 1. Поверхность мела шероховатая

В отличие от мела, пластилин – материал податливый, и при сжатии кусочков мы располагаем молекулы пластилина достаточно близко друг от друга. Но что означают слова «достаточно близко»? Насколько близко?

Оказывается, что взаимное притяжение молекул начинает заметно проявляться тогда, когда молекулы приближаются друг к другу настолько, что между ними может поместиться только одна такая же по размеру молекула.

Рис. 2. Расстояние, на котором становится заметным притяжение между молекулами

А что будет происходить, если продолжать уменьшать расстояние между молекулами? Жизненный опыт подсказывает нам, что при сжатии твердого тела, при попытке его деформации резко возрастает сила отталкивания между молекулами.

Примеров из повседневной жизни и техники, где ярко проявляется притяжение и отталкивание молекул, можно привести много. Это сжатие рессор в автомобиле, натяжение тетивы лука при стрельбе. Это такие производственные процессы, как штамповка или ковка.

Рис. 3. При ковке и штамповке преодолевается притяжение и отталкивание молекул

Итак, если молекулы располагаются достаточно близко, то проявляются силы притяжения между ними, но если продолжить сближение молекул, то между ними начинают проявляться силы отталкивания.

Вот еще одна демонстрация, доказывающая, что между молекулами существует взаимное притяжение. Возьмем два одинаковых свинцовых цилиндра. Вначале их поверхности шероховатые, и если прижать цилиндры основаниями друг к другу, то заметного взаимодействия между ними не произойдет.

Рис. 4. Свинцовые цилиндры со стругом

Но ситуация изменяется, если поверхности цилиндров обработать с помощью специального инструмента – так называемого струга. Это инструмент, позволяющий заточить торцы цилиндров так, что их поверхности станут очень гладкими, отполированными. Если теперь на некоторое время плотно прижать торцы свинцовых цилиндров друг к другу, то по всей площади соприкосновения расстояние между их поверхностями уменьшится настолько, что «включатся» силы межмолекулярного притяжения. Эти силы достаточны, чтобы безо всякого соединения цилиндры могли удержать значительный груз.

Рис. 5. Сцепление свинцовых цилиндров объясняется взаимным притяжением молекул

Смачивание – это также проявление взаимного притяжения молекул.

Возьмем две стеклянных пластинки. Если просто прижать их друг к другу чистыми плоскими поверхностями, а затем попытаться разъединить, то никакого эффекта не будет.

Но если на поверхность одного из стекол нанести несколько капель воды, а потом вновь приложить второе стекло и плотно прижать стекла друг к другу, то отсоединить их друг от друга будет достаточно сложно. И если мы все-таки отсоединим их друг от друга, мы увидим, что обе поверхности стекла – и одного, и второго – оказываются смоченными водой. Это означает, что взаимное притяжение между молекулами стекла и воды больше, чем между самими молекулами воды.

Рис. 6. Для демонстрации явления смачивания можно использовать два стекла, на которые поместили несколько капель воды

Явление смачивания достаточно часто встречается в нашей жизни. Именно благодаря смачиванию мы можем вытирать полотенцем посуду, писать по бумаге чернилами (попробуйте вытереть тарелку полиэтиленовым пакетом или написать что-нибудь на нем авторучкой!). Отсутствие смачивания позволяет водоплавающей птице оставаться сухой в воде даже под проливным дождем.

Рис. 7. Перья водоплавающей птицы не смачиваются водой

Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.

3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

Домашнее задание

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов

При хаотическом движении молекул происходят многочисленные столкновения молекул газа друг с другом.

Расстояние, которое пролетает молекула между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега и обозначается λ длины свободного пробега между отдельными столкновениями молекулы могут значительно отличаться друг от друга. Поэтому пользуются средней длиной свободного пробегаλ 1:

λ = (λ 1 + λ 2 +…+ λz) / z.

Если z обозначает среднее число столкновений молекулы за 1 сек., то

λ = υ/z.

Броуновское движение- движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием не скомпенсированных ударов молекул вещества.

Диффузия- процесс выравнивания концентраций, обусловленный переносом вещества посредством молекулярного движения.

Масса и размер молекул.

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10 –10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше. (1 нм = 10 -9 м). Например: диаметр молекулы воды (H 2 O) равен 0,26 нм.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12C.Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро N A:

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N A:

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12 C называется относительной массой.

Закон Авогадро : в равных объемах различных газов при одинаковым давлении и температуре содержится одинаковое количество молекул.

Идеальный газ.

Идеальным считается газ, удовлетворяющий следующим условиям:

· объемом всех молекул газа можно пренебречь по сравнению с объемом сосуда, в котором этот газ находится;

· время столкновения молекул друг с другом пренебрежимо мало по сравнению со временем между двумя столкновениями;

· молекулы взаимодействуют между собой только при непосредственном столкновении;

· силы притяжения между молекулами идеального газа ничтожны малы и ими можно пренебречь;

· движение молекул подчиняется закона Ньютона.

Идеальный газ оказывает давление на стенки сосуда за счет упругих ударов его молекул о стенки.

Молекулярная физика - это просто!

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания.
Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др.
Причина взаимодействия молекул - это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе.

Как это объяснить?

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален.
Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна.

Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул.

Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы.
Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать.

На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.

Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения.

При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул.

В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания.

Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.

Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией.
В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна.

В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул.

Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией.

Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул.
Сильное взаимодействие частиц.

Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел.

Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.
Такие твердые тела называются кристаллическими.

Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул.
Слабое взаимодействие частиц.
Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями

Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости.

В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.

По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами.
Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул.
Частицы вещества практически не взаимодействуют.
Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

То, что молекулы взаимодействуют друг с другом, следует хотя бы из того, что существуют жидкости и твердые тела: ведь иначе они распались бы на отдельные молекулы, превратившись в газы!

Как взаимодействуют молекулы? Ответ на этот вопрос можно получить, исследуя свойства твердых тел в следующих простых опытах.

Попробуйте сжать камень - вряд ли у вас это получится. Дело в том, что в твердых телах молекулы расположены вплотную друг к другу и поэтому при сжатии молекулы как бы «упираются» одна в другую. Другими словами, когда молекулы находятся на очень близком расстоянии, они отталкиваются друг от друга.

Благодаря этому отталкиванию вы не проваливаетесь сквозь пол: молекулы, из которых состоит материал подошв, «упираются» в молекулы, из которых состоит пол. Эти силы отталкивания между молекулами схематически изображены на рис. 6.3, а.

Однако твердые тела сопротивляются не только сжатию, но и растяжению. А это означает, что при увеличении расстояния отталкивание между молекулами сменяется притяжением.

Рис. 6.3. Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря отталкиванию молекул друг от друга (а); пытаясь разорвать нить, вы чувствуете силы притяжения между молекулами в малом сечении нити (б)

Поставим опыт

Чтобы почувствовать, насколько велики силы притяжения между молекулами, попробуйте разорвать руками капроновую нить сечением 1 мм 2 . Трудно? А ведь усилиям вашего тела противостоят силы притяжения крошечных молекул в малом сечении нити. Эти силы схематически показаны на рис. 6.3, б.

Наблюдения и опыты показывают, что притягиваются друг к другу не только молекулы одного и того же вещества, но и молекулы разных веществ.

Почему слипаются мокрые волосы?