Struktura e gazeve, lëngjeve dhe lëndëve të ngurta. Modeli i strukturës së trupave të ngurtë
Struktura e gazeve, lëngjeve dhe të ngurta. Karakteristikat e strukturës së zgjidhjeve. Koncepti i një "fushe reaktive"
Teoria e strukturës së lëngjeve: krahasimi me strukturën e gazeve dhe trupave të ngurtë Struktura (struktura) e lëngjeve. Struktura e lëngjeve është aktualisht objekt i një studimi të ngushtë nga kimistët fizikë. Për kërkime në këtë drejtim përdoren metodat më moderne, duke përfshirë spektrale (IR, NMR, shpërhapja e dritës me gjatësi vale të ndryshme), shpërndarja me rreze X, mekanike kuantike dhe metodat statistikore llogaritja etj. Teoria e lëngjeve është shumë më pak e zhvilluar se ajo e gazeve, pasi vetitë e lëngjeve varen nga gjeometria dhe polariteti i molekulave të vendosura nga afër. Përveç kësaj, mungesa e një strukture specifike të lëngjeve e bën të vështirë përshkrimin e tyre të zyrtarizuar - në shumicën e teksteve shkollore u kushtohet shumë vëmendje lëngjeve. më pak hapësirë sesa gazet dhe lëndët e ngurta kristalore. Cilat janë veçoritë e secilës prej të treve gjendjet e grumbullimit substancat: të ngurta, të lëngshme dhe të gazta. (tabela)
1) E ngurtë: trupi ruan vëllimin dhe formën
2) Lëngjet ruajnë vëllimin, por lehtë ndryshojnë formën.
3) Gazi nuk ka as formë as vëllim.
Këto gjendje të së njëjtës substancë nuk ndryshojnë në llojin e molekulave (është e njëjta), por në mënyrën se si ndodhen dhe lëvizin molekulat.
1) Te gazet distanca ndërmjet molekulave është e madhe më shumë madhësi vetë molekulat
2) Molekulat e lëngut nuk shpërndahen në distanca të gjata dhe lëngu në kushte normale ruan vëllimin e tij.
3) Grimcat e trupave të ngurtë ndodhen në në një rend të caktuar. Çdo grimcë lëviz rreth një pike të caktuar në rrjetën kristalore, si një lavjerrës orësh, domethënë lëkundet.
Kur temperatura ulet, lëngjet ngurtësohen dhe kur pika e vlimit rritet më lart, ato kthehen në lëngje. gjendje e gaztë. Vetëm ky fakt tregon se lëngjet zënë një pozicion të ndërmjetëm midis gazeve dhe trupave të ngurtë, të ndryshëm nga të dyja. Megjithatë, lëngu ka ngjashmëri me secilën prej këtyre gjendjeve.
Ekziston një temperaturë në të cilën kufiri midis gazit dhe lëngut zhduket plotësisht. Ky është i ashtuquajturi pikë kritike. Për çdo gaz ka një temperaturë të njohur mbi të cilën ai nuk mund të jetë i lëngshëm në asnjë presion; në këtë temperaturë kritike kufiri (menisku) ndërmjet lëngut dhe tij avull i ngopur. Ekzistenca e një temperature kritike ("pika absolute e vlimit") u vendos nga D.I Mendeleev në 1860. Vetia e dytë që bashkon lëngjet dhe gazrat është izotropia. Kjo do të thotë, në shikim të parë mund të supozohet se lëngjet janë më afër gazeve sesa kristaleve. Ashtu si gazet, lëngjet janë izotropike, d.m.th. vetitë e tyre janë të njëjta në të gjitha drejtimet. Kristalet, përkundrazi, janë anizotropikë: indeksi i thyerjes, kompresueshmëria, forca dhe shumë veti të tjera të kristaleve në drejtime të ndryshme rezultojnë të jenë të ndryshme. Substancat e ngurta kristalore kanë një strukturë të renditur me elementë përsëritës, gjë që lejon studimin e tyre me anë të difraksionit me rreze X (metoda e difraksionit me rreze X, e përdorur që nga viti 1912).
Çfarë kanë të përbashkët lëngjet dhe gazrat?
A) Izotropia. Vetitë e lëngjeve, si gazet, janë të njëjta në të gjitha drejtimet, d.m.th. janë izotropikë, ndryshe nga kristalet, të cilët janë anizotropikë.
B) Lëngjet, si gazrat, nuk kanë formë specifike dhe marrin formën e një ene (viskozitet të ulët dhe rrjedhshmëri të lartë).
Molekulat e lëngjeve dhe gazeve lëvizin mjaft lirshëm, duke u përplasur me njëra-tjetrën. Më parë, besohej se brenda vëllimit të zënë nga një lëng, çdo distancë që tejkalonte shumën e rrezeve të tyre konsiderohej po aq e mundshme, d.m.th. u mohua tendenca drejt një rregullimi të rregulluar të molekulave. Kështu, lëngjet dhe gazrat ishin në një masë të caktuar kundër kristaleve.
Ndërsa kërkimi përparon, gjithnjë e më shumë numër më i madh faktet treguan praninë e ngjashmërive midis strukturës së lëngjeve dhe të ngurtëve. Për shembull, vlerat e kapaciteteve të nxehtësisë dhe koeficientët e kompresueshmërisë, veçanërisht afër pikës së shkrirjes, praktikisht përkojnë me njëra-tjetrën, ndërsa këto vlera për lëngun dhe gazin ndryshojnë ndjeshëm.
Tashmë nga ky shembull mund të konkludojmë se fotografia lëvizje termike në lëngje në një temperaturë afër temperaturës së ngurtësimit, ngjan me lëvizjen termike në trupat e ngurtë dhe jo në gaze. Së bashku me këtë, mund të vërehen dallime kaq domethënëse midis gjendjeve të gazta dhe të lëngshme të materies. Në gaze, molekulat shpërndahen në të gjithë hapësirën në mënyrë krejtësisht kaotike, d.m.th. ky i fundit konsiderohet shembull i edukimit pa strukturë. Lëngu ka ende një strukturë të caktuar. Kjo konfirmohet eksperimentalisht nga difraksioni i rrezeve X, i cili tregon të paktën një maksimum të qartë. Struktura e një lëngu është mënyra se si molekulat e tij shpërndahen në hapësirë. Tabela ilustron ngjashmëritë dhe ndryshimet midis gjendjeve të gazit dhe të lëngët.
Faza e gazit Faza e lëngshme
1. Distanca ndërmjet molekulave l është zakonisht (për presione të ulëta) shumë më e madhe se rrezja e molekulës r: l r ; Pothuajse i gjithë vëllimi V i zënë nga gazi është vëllim i lirë. Në fazën e lëngshme, përkundrazi, l 2. Energjia mesatare kinetike e grimcave, e barabartë me 3/2 kT, është më e madhe se energjia potenciale U e bashkëveprimit të tyre ndërmolekular. Energjia e mundshme bashkëveprimi i molekulave është më i madh se energjia mesatare kinetike e lëvizjes së tyre: U3/2 kT
3. Grimcat përplasen gjatë lëvizjes së tyre përkthimore, faktori i frekuencës së përplasjes varet nga masa e grimcave, madhësia dhe temperatura e tyre Secila grimcë i nënshtrohet lëvizjes osciluese në një kafaz të krijuar nga molekulat që e rrethojnë. Amplituda e vibrimit a varet nga vëllimi i lirë, a (Vf/ L) 1/3
4. Difuzioni i grimcave ndodh si rezultat i tyre lëvizje përpara, koeficienti i difuzionit D 0,1 - 1 cm2/s (p 105 Pa) dhe varet nga presioni i gazit
(D p-1) Difuzioni ndodh si rezultat i kërcimit të një grimce nga një qelizë në tjetrën me energji aktivizimi ED,
D e-ED/RT në lëngje jo viskoze
D 0,3 - 3 cm2/ditë.
5. Grimca rrotullohet lirshëm, frekuenca e rrotullimit r përcaktohet vetëm nga momentet e inercisë së grimcës dhe temperatura, frekuenca e rrotullimit r T1/2 Rrotullimi pengohet nga muret e qelizës, rrotullimi i grimca shoqërohet me kapërcimin e pengesës potenciale Er, e cila varet nga forcat e bashkëveprimit ndërmolekular, vr e- Er/RT
Megjithatë, gjendje e lëngët në një rresht tregues të rëndësishëm afër të ngurtës (kuazikristaliniteti). Akumulimi i fakteve eksperimentale tregoi se lëngjet dhe kristalet kanë shumë të përbashkëta. Hulumtimi fiziko-kimik lëngjet individuale kanë treguar se pothuajse të gjithë zotërojnë disa elementë struktura kristalore.
Së pari, distancat ndërmolekulare në një lëng janë të afërta me ato në një të ngurtë. Kjo vërtetohet nga fakti se kur kjo e fundit shkrihet, vëllimi i substancës ndryshon pak (zakonisht rritet jo më shumë se 10%). Së dyti, energjia e ndërveprimit ndërmolekular në një lëng dhe në një të ngurtë ndryshon paksa. Kjo rrjedh nga fakti se nxehtësia e shkrirjes është shumë më e vogël se nxehtësia e avullimit. Për shembull, për ujin Hpl = 6 kJ/mol, dhe Hsp = 45 kJ/mol; për benzenin Hpl = 11 kJ/mol, dhe Hsp = 48 kJ/mol.
Së treti, kapaciteti termik i një lënde ndryshon shumë pak gjatë shkrirjes, d.m.th. është afër për të dyja këto shtete. Nga kjo rrjedh se natyra e lëvizjes së grimcave në një lëng është e afërt me atë në një të ngurtë. Së katërti, një lëng, si një i ngurtë, mund të përballojë forca të mëdha tërheqëse pa u thyer.
Dallimi midis një lëngu dhe një të ngurtë është rrjedhshmëria: një e ngurtë ruan formën e saj, një lëng e ndryshon lehtësisht edhe nën ndikimin e një force të vogël. Këto veti lindin nga karakteristika të tilla strukturore të lëngut si ndërveprimi i fortë ndërmolekular, rendi me rreze të shkurtër në rregullimin e molekulave dhe aftësia e molekulave për të ndryshuar pozicionin e tyre relativisht shpejt. Kur një lëng nxehet nga pika e ngrirjes në pikën e vlimit, vetitë e tij ndryshojnë gradualisht me ngrohjen, ngjashmëritë e tij me një gaz rriten gradualisht;
Secili prej nesh mund të kujtojë lehtësisht shumë substanca që ai i konsideron si lëngje. Megjithatë, jepni përcaktim i saktë Kjo gjendje e materies nuk është aq e thjeshtë, pasi lëngjet kanë veti fizike të tilla që në disa aspekte i ngjajnë trupave të ngurtë, dhe në disa të tjera u ngjajnë gazeve. Ngjashmëritë midis lëngjeve dhe trupave të ngurtë janë më të theksuara në materialet e qelqta. Kalimi i tyre nga gjendje e ngurtë te lëngët me rritjen e temperaturës ndodh gradualisht, dhe jo si një pikë e theksuar shkrirjeje, ato thjesht bëhen më të buta dhe më të buta, kështu që është e pamundur të tregohet se në cilin gamë të temperaturës duhet të quhen të ngurta dhe në cilat - lëngje. Mund të themi vetëm se viskoziteti i një lënde qelqi në gjendje të lëngshme është më i vogël se në një gjendje të ngurtë. Prandaj, gotat e ngurta quhen shpesh lëngje të superftohura. Me sa duket, vetia më karakteristike e lëngjeve, që i dallon ato nga trupat e ngurtë, është viskoziteti i ulët, d.m.th. qarkullim i lartë. Falë tij marrin formën e enës në të cilën derdhen. Aktiv niveli molekular qarkullim i lartë do të thotë relativisht më shumë liri grimcat e lëngshme. Në këtë drejtim, lëngjet u ngjajnë gazeve, megjithëse forcat e bashkëveprimit ndërmolekular ndërmjet lëngjeve janë më të mëdha, molekulat ndodhen më afër njëra-tjetrës dhe janë më të kufizuara në lëvizjen e tyre.
Kjo mund të trajtohet ndryshe - nga pikëpamja e idesë së rendit me rreze të gjatë dhe të shkurtër. Rendi me rreze të gjatë ekziston në trupat e ngurtë kristalorë, atomet e të cilave janë të rregulluar në mënyrë strikte, duke formuar struktura tredimensionale që mund të përftohen duke përsëritur shumë herë qelizën njësi. Nuk ka porosi me rreze të gjatë në lëngje dhe xhami. Megjithatë, kjo nuk do të thotë se ato nuk janë të porositura fare. Numri i fqinjëve më të afërt për të gjithë atomet është pothuajse i njëjtë, por rregullimi i atomeve ndërsa largohen nga çdo pozicion i zgjedhur bëhet gjithnjë e më kaotik. Kështu, rendi ekziston vetëm në distanca të shkurtra, prandaj emri: rendi me rreze të shkurtër. Të përshtatshme përshkrimi matematik Struktura e një lëngu mund të jepet vetëm me ndihmën e fizikës statistikore. Për shembull, nëse një lëng përbëhet nga molekula identike sferike, atëherë struktura e tij mund të përshkruhet nga funksioni i shpërndarjes radiale g(r), i cili jep probabilitetin e zbulimit të ndonjë molekule në një distancë r nga ajo e dhënë e zgjedhur si pikë referimi. Ky funksion mund të gjendet eksperimentalisht duke studiuar difraksionin e rrezeve X ose neutroneve, dhe me ardhjen e kompjuterëve me shpejtësi të lartë filloi të llogaritet duke përdorur metodën modelimi kompjuterik, bazuar në të dhënat e disponueshme për natyrën e forcave që veprojnë midis molekulave, ose në supozimet rreth këtyre forcave, si dhe në ligjet e mekanikës së Njutonit. Duke krahasuar funksionet e shpërndarjes radiale të marra teorikisht dhe eksperimentalisht, është e mundur të verifikohet saktësia e supozimeve për natyrën e forcave ndërmolekulare.
Në substancat organike, molekulat e të cilave kanë një formë të zgjatur, në një interval të temperaturës ose në një tjetër, nganjëherë gjenden zona të fazës së lëngshme me rend orientues me rreze të gjatë, gjë që manifestohet në një tendencë për shtrirje paralele të boshteve të gjata të molekulat. Në këtë rast, renditja orientuese mund të shoqërohet me renditje koordinuese të qendrave të molekulave. Fazat e lëngshme ky lloj zakonisht quhet kristale të lëngëta. Gjendja kristalore e lëngët është e ndërmjetme midis kristalores dhe të lëngshmes. Kristalet e lëngëta kanë si rrjedhshmëri ashtu edhe anizotropi (optike, elektrike, magnetike). Ndonjëherë kjo gjendje quhet mezomorfike (mesofazë) - për shkak të mungesës së rendit me rreze të gjatë. Kufiri i sipërm i ekzistencës është temperatura e pastrimit (lëngu izotropik). FA-të termotropike (mesogjenike) ekzistojnë mbi një temperaturë të caktuar. Ato tipike janë cianobifenilet. Liotropik - kur treten, për shembull, zgjidhje ujore të sapunëve, polipeptideve, lipideve, ADN-së. Duke studiuar kristalet e lëngëta
(mesofaza - shkrirja në dy faza - shkrirja me re, më pas transparente, kalimi nga faza kristalore në fazën e lëngshme përmes një forme të ndërmjetme me veti optike anizotropike) e rëndësishme për qëllime teknologjike - shfaqja e kristalit të lëngshëm. Molekulat në një gaz lëvizin në mënyrë kaotike (rastësisht). Në gazra, distanca midis atomeve ose molekulave është mesatarisht shumë herë më e madhe se madhësia e vetë molekulave. Molekulat në një gaz lëvizin me shpejtësi të lartë (qindra m/s). Kur përplasen, ata kërcejnë nga njëri-tjetri si topa absolutisht elastikë, duke ndryshuar madhësinë dhe drejtimin e shpejtësive. Në distanca të gjata
Forcat tërheqëse ndërmjet molekulave janë të vogla dhe nuk janë në gjendje të mbajnë molekulat e gazit pranë njëra-tjetrës. Prandaj, gazrat mund të zgjerohen pa kufi. Gazrat kompresohen lehtësisht, distanca mesatare midis molekulave zvogëlohet, por gjithsesi mbetet më e madhe se madhësia e tyre. Gazet nuk ruajnë as formën dhe vëllimin e tyre dhe forma e tyre përputhet me vëllimin dhe formën e enës që mbushin. Ndikimet e shumta të molekulave në muret e enës krijojnë presionin e gazit.
Atomet dhe molekulat e trupave të ngurtë dridhen rreth pozicioneve të caktuara të ekuilibrit. Prandaj, lëndët e ngurta ruajnë vëllimin dhe formën. Nëse lidhni mendërisht qendrat e pozicioneve të ekuilibrit të atomeve ose joneve të një trupi të ngurtë, do të merrni një rrjetë kristali. Molekulat e lëngut ndodhen pothuajse afër njëra-tjetrës. Prandaj, lëngjet janë shumë të vështira për t'u ngjeshur dhe për të ruajtur vëllimin e tyre. Molekulat e një lëngu vibrojnë rreth një pozicioni ekuilibri. Herë pas here molekula bën kalime nga një gjendje stacionare në tjetrën, zakonisht në drejtim të veprimit forcë e jashtme
Teoria kinetike e lëngjeve E zhvilluar nga Ya I. Frenkel, teoria kinetike e lëngut e konsideron lëngun si sistem dinamik grimca, disi të kujtojnë gjendjen kristalore. Në temperatura afër pikës së shkrirjes, lëvizja termike në një lëng reduktohet kryesisht në dridhjet harmonike grimcat rreth pozicioneve të caktuara të ekuilibrit mesatar. Në kontrast me gjendjen kristalore, këto pozicione ekuilibri të molekulave në një lëng janë të përkohshme në natyrë për secilën molekulë. Pasi lëkundet rreth një pozicioni ekuilibri për ca kohë t, molekula hidhet në një pozicion të ri që ndodhet afër. Një kërcim i tillë ndodh me shpenzimin e energjisë U, kështu që koha " jetë e vendosur“T varet nga temperatura si më poshtë: t = t0 eU/RT, ku t0 është periudha e një lëkundjeje rreth pozicionit të ekuilibrit. Për ujin në temperaturën e dhomës t » 10-10c, t0 = 1,4 x 10-12c, pra një molekulë, pasi ka plotësuar rreth 100 dridhje, hidhet në një pozicion të ri, ku vazhdon të dridhet. Nga të dhënat mbi shpërndarjen e rrezeve X dhe neutroneve, është e mundur të llogaritet funksioni i densitetit të shpërndarjes së grimcave në varësi të distancës r nga një grimcë e zgjedhur si qendër. Në prani të rendit me rreze të gjatë në një trup të ngurtë kristalor, funksioni (r) ka një numër të maksimumeve dhe minimaleve të qarta. Në një lëng, për shkak të lëvizshmërisë së lartë të grimcave, ruhet vetëm rendi me rreze të shkurtër. Kjo rrjedh qartë nga modelet e difraksionit të rrezeve X të lëngjeve: funksioni (r) për një lëng ka një maksimum të parë të qartë, një të dytën të paqartë dhe më pas (r) = konst. Teoria kinetike përshkruan shkrirjen si më poshtë. Në rrjetën kristalore të një trupi të ngurtë, ka gjithmonë sasi të vogla të boshllëqeve (vrimave) që enden ngadalë në të gjithë kristalin. Si temperatura është më afër në temperaturën e shkrirjes, aq më i lartë është përqendrimi i "vrimave" dhe aq më shpejt ato lëvizin në të gjithë kampionin. Në pikën e shkrirjes, procesi i formimit të "vrimave" fiton një karakter bashkëpunues si ortek, sistemi i grimcave bëhet dinamik, rendi me rreze të gjatë zhduket dhe shfaqet rrjedhshmëria. Rolin vendimtar në shkrirje e luan formimi i vëllimit të lirë në lëng, i cili e bën sistemin të lëngshëm. Dallimi më i rëndësishëm lëngu nga një trup i ngurtë kristalor është se në lëng ka një vëllim të lirë, një pjesë e konsiderueshme e të cilit ka formën e luhatjeve ("vrimave"), bredhja e të cilave nëpër lëng i jep atij një cilësi të tillë karakteristike si rrjedhshmëria. Numri i "vrimave" të tilla, vëllimi dhe lëvizshmëria e tyre varen nga temperatura. Në temperatura të ulëta, një lëng, nëse nuk është shndërruar në një trup kristalor, bëhet një trup i ngurtë amorf me rrjedhshmëri shumë të ulët për shkak të uljes së vëllimit dhe lëvizshmërisë së "vrimave". Së bashku me teoria kinetike Në dekadat e fundit, teoria statistikore e lëngjeve është zhvilluar me sukses.
Struktura e akullit dhe ujit. Lëngu më i rëndësishëm dhe më i zakonshëm në kushte normale është uji. Kjo është molekula më e zakonshme në Tokë! Është një tretës i shkëlqyer. Për shembull, të gjitha lëngjet biologjike përmbajnë ujë. Uji shpërndan shumë substanca inorganike (kripëra, acide, baza) dhe organike (alkoolet, sheqernat, acidet karboksilike, aminet). Cila është struktura e këtij lëngu? Ne përsëri do të duhet t'i kthehemi çështjes që shqyrtuam në leksionin e parë, domethënë, një ndërveprim të tillë specifik ndërmolekular si lidhje hidrogjenore. Uji, i lëngshëm dhe formë kristalore shfaq veti anormale pikërisht për shkak të pranisë së shumë lidhjeve hidrogjenore. Cilat janë këto veti anormale: temperaturë të lartë pika e vlimit, pika e lartë e shkrirjes dhe entalpia e lartë e avullimit. Le të shohim fillimisht grafikun, më pas tabelën dhe më pas diagramin e një lidhjeje hidrogjeni midis dy molekulave të ujit. Në fakt, secila molekulë uji koordinon 4 molekula të tjera uji rreth vetes: dy për shkak të oksigjenit, si dhurues i dy molekulave të pandarë. çifte elektronike në dy hidrogjenë të protonizuar dhe dy për shkak të hidrogjeneve të protonizuar që koordinohen me oksigjenet e molekulave të tjera të ujit. Në leksionin e mëparshëm ju tregova një sllajd me grafikët e pikës së shkrirjes, pikës së vlimit dhe entalpisë së avullimit të hidrideve të grupit VI në varësi të periudhës. Këto varësi kanë një anomali të qartë për hidridin e oksigjenit. Të gjithë këta parametra për ujin janë dukshëm më të larta se ato të parashikuara nga praktika varësia lineare për hidridet e mëposhtme të squfurit, selenit dhe telurit. Ne e shpjeguam këtë me ekzistencën e një lidhje hidrogjeni midis hidrogjenit të protonuar dhe pranuesit të densitetit të elektroneve - oksigjenit. Lidhja e hidrogjenit është studiuar më me sukses duke përdorur spektroskopinë infra të kuqe vibruese. Grupi i lirë OH ka një energji karakteristike vibruese që bën që lidhja O-H të zgjasë dhe shkurtohet në mënyrë alternative, duke krijuar një brez karakteristik në spektrin e përthithjes infra të kuqe të molekulës. Sidoqoftë, nëse grupi OH është i përfshirë në një lidhje hidrogjeni, atomi i hidrogjenit lidhet nga atomet në të dy anët dhe kështu dridhja e tij "shbutet" dhe frekuenca zvogëlohet. Tabela e mëposhtme tregon se rritja e forcës dhe "përqendrimit" të lidhjes hidrogjenore çon në një ulje të frekuencës së përthithjes. Në figurën e mësipërme, kurba 1 korrespondon me maksimumin spektri infra të kuqe përthithja e grupeve O-H në akull (ku janë të lidhura të gjitha lidhjet H); lakorja 2 korrespondon me maksimumin e spektrit të përthithjes infra të kuqe të grupeve O-H molekula individuale H2O i tretur në CCl4 (ku nuk ka lidhje H - tretësira e H2O në CCl4 është shumë e holluar); dhe kurba 3 korrespondon me spektrin e absorbimit të ujit të lëngshëm. Nëse uji i lëngshëm kishte dy varietetet O-N grupet - ato që formojnë lidhje hidrogjenore dhe ato që nuk formojnë - dhe disa Grupet O-N në ujë do të vibronte në të njëjtën mënyrë (me të njëjtën frekuencë) si në akull (ku ato formojnë lidhje H), dhe të tjerët - si në një mjedis prej CCl4 (ku nuk formojnë lidhje H). Atëherë spektri i ujit do të kishte dy maksimum, që korrespondojnë me dy gjendje të grupeve O-H, dy frekuencat e tyre karakteristike të dridhjeve: me frekuencën në të cilën grupi vibron, ai thith dritën. Por fotografia "dy maksimumi" nuk respektohet! Në vend të kësaj, në kurbën 3 shohim një maksimum, shumë të paqartë, që shtrihet nga maksimumi i kurbës 1 në maksimum të kurbës 2. Kjo do të thotë se të gjitha grupet O-H në ujin e lëngshëm formojnë lidhje hidrogjeni - por të gjitha këto lidhje kanë një energji të ndryshme, " lirshëm” (kanë energji të ndryshme), dhe në mënyra të ndryshme. Kjo tregon se pamja në të cilën disa nga lidhjet hidrogjenore në ujë janë thyer dhe disa janë ruajtur është, në mënyrë rigoroze, e pasaktë. Sidoqoftë, është aq e thjeshtë dhe e përshtatshme për të përshkruar vetitë termodinamike të ujit saqë përdoret gjerësisht - dhe ne gjithashtu do t'i drejtohemi asaj. Por duhet të kemi parasysh se nuk është plotësisht i saktë.
Kështu, spektroskopia IR është metodë e fuqishme Studimet e lidhjeve hidrogjenore dhe shumë informacione rreth strukturës së lëngjeve dhe trupave të ngurtë që lidhen me të janë marrë duke përdorur këtë metodë spektrale. Si rezultat, për ujin e lëngshëm modeli i ngjashëm me akullin (modeli O.Ya. Samoilov) është një nga më të pranuarit në përgjithësi. Sipas këtij modeli, uji i lëngshëm shqetësohet nga lëvizja termike (provat dhe pasojat e lëvizjes termike - Lëvizja Browniane, e cila u vëzhgua për herë të parë nga botanisti anglez Robert Brown në 1827 në polen nën një mikroskop) një kornizë tetraedrike e ngjashme me akullin (çdo molekulë uji në një kristal akulli është e lidhur me lidhje hidrogjeni me energji më të ulët në krahasim me atë në akull - "e lirshme" lidhjet e hidrogjenit) me katër molekula uji që e rrethojnë), zbrazëtitë e kësaj kornize janë pjesërisht të mbushura me molekula uji, dhe molekulat e ujit të vendosura në zbrazëtitë dhe në nyjet e kornizës së ngjashme me akullin janë energjikisht të pabarabarta.
Ndryshe nga uji, në një kristal akulli në nyjet e rrjetës kristalore ka molekula uji me energji të barabartë dhe ato mund të performojnë ekskluzivisht lëvizjet osciluese. Në një kristal të tillë ka renditje me rreze të shkurtër dhe të gjatë. Në ujin e lëngshëm (si për një lëng polar), disa elementë të strukturës kristalore ruhen (dhe madje edhe në fazën e gazit, molekulat e lëngshme renditen në grupime të vogla, të paqëndrueshme), por nuk ka një renditje me rreze të gjatë. Kështu, struktura e një lëngu ndryshon nga struktura e një gazi në prani të rendit me rreze të shkurtër, por ndryshon nga struktura e një kristali në mungesë të rendit me rreze të gjatë. Kjo është demonstruar më bindshëm nga studimi i shpërndarjes së rrezeve X. Tre fqinjët e secilës molekulë në ujin e lëngshëm ndodhen në një shtresë dhe janë në një distancë më të madhe prej saj (0,294 nm) sesa molekula e katërt nga shtresa ngjitur (0,276 nm). Çdo molekulë uji në kornizën e ngjashme me akullin formon një lidhje simetrike pasqyre (të fortë) dhe tre lidhje qendrore simetrike (më pak të forta). E para i referohet lidhjeve midis molekulave të ujit të një shtrese të caktuar dhe shtresave fqinje, pjesa tjetër - lidhjeve midis molekulave të ujit të së njëjtës shtresë. Prandaj, një e katërta e të gjitha lidhjeve janë simetrike të pasqyrës, dhe tre të katërtat janë simetrike qendrore. Idetë për mjedisin tetraedral të molekulave të ujit kanë çuar në përfundimin për delikatesën e lartë të strukturës së tij dhe praninë e zbrazëtirave në të, dimensionet e të cilave janë të barabarta ose më të mëdha se dimensionet e molekulave të ujit.
Elementet e strukturës së ujit të lëngshëm. a - tetraedri elementar i ujit (rrathët e hapur - atomet e oksigjenit, gjysmat e zeza - pozicionet e mundshme të protoneve në lidhjen hidrogjenore); b - rregullimi pasqyrë-simetrik i tetraedrave; c - rregullimi qendror simetrik; d - vendndodhja e qendrave të oksigjenit në strukturën e akullit të zakonshëm. Uji karakterizohet nga forca të rëndësishme të ndërveprimit ndërmolekular për shkak të lidhjeve hidrogjenore, të cilat formojnë një rrjet hapësinor. Siç thamë në leksionin e mëparshëm, një lidhje hidrogjeni është për shkak të aftësisë së një atomi hidrogjeni të lidhur me një element elektronegativ për të formuar një lidhje shtesë me një atom elektronegativ të një molekule tjetër. Lidhja e hidrogjenit është relativisht e fortë dhe arrin në disa 20-30 kiloxhaul për mol. Për sa i përket forcës, ajo zë një vend të ndërmjetëm midis energjisë së van der Waals dhe energjisë së një lidhjeje tipike jonike. Energjia në një molekulë uji lidhje kimike H-O është 456 kJ/mol, dhe energjia e lidhjes hidrogjenore H…O është 21 kJ/mol.
Komponimet e hidrogjenit
Temperatura e peshës molekulare, C
Ngrirje Zierje
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!
Struktura e akullit. Akull normal. Vija me pika - lidhjet H. Në strukturën e hapur të akullit, kavitete të vogla janë të dukshme, të rrethuara nga molekula H2O.
Kështu, struktura e akullit është një strukturë e hapur e molekulave të ujit të lidhura me njëra-tjetrën vetëm me lidhje hidrogjeni. Rregullimi i molekulave të ujit në strukturën e akullit përcakton praninë e kanaleve të gjera në strukturë. Ndërsa akulli shkrihet, molekulat e ujit “bien” në këto kanale, gjë që shpjegon rritjen e densitetit të ujit në krahasim me dendësinë e akullit. Kristalet e akullit ndodhin në formën e pllakave të rregullta gjashtëkëndore, formacioneve tabelare dhe ndërrritjeve të formave komplekse. Struktura akull normal diktuar nga lidhjet H hidrogjenore: është i mirë për gjeometrinë e këtyre lidhjeve (O-H shikon drejtpërdrejt në O), por jo shumë i mirë për kontaktin e ngushtë Vander Waals të molekulave H2O. Prandaj, struktura e akullit është e hapur në të, molekulat H2O mbështjellin poret mikroskopike (më të vogla se një molekulë H2O në madhësi). Struktura dantelle e akullit çon në dy efekte të njohura: (1) akulli është më pak i dendur se uji, noton në të; dhe (2) nën presion të fortë - për shembull, tehu i një patina shkrin akullin. Shumica e lidhjeve hidrogjenore që ekzistojnë në akull ruhen gjithashtu në ujë të lëngshëm. Kjo rrjedh nga nxehtësia e vogël e shkrirjes së akullit (80 cal/g) krahasuar me nxehtësinë e zierjes së ujit (600 cal/g në 0°C). Dikush mund të thotë se në ujin e lëngshëm thyhen vetëm 80/(600+80) = 12% e lidhjeve H që ekzistojnë në akull. Megjithatë, kjo pamje - që disa nga lidhjet hidrogjenore në ujë janë thyer, dhe disa janë ruajtur - nuk është plotësisht e saktë: përkundrazi, të gjitha lidhjet hidrogjenore në ujë po lirohen. Kjo ilustrohet mirë nga të dhënat eksperimentale të mëposhtme.
Struktura e zgjidhjeve. Nga shembuj specifikë Për ujin, le të kalojmë te lëngjet e tjera. Lëngjet e ndryshme ndryshojnë nga njëri-tjetri në madhësinë e molekulave të tyre dhe natyrën e ndërveprimeve ndërmolekulare. Kështu, në çdo lëng specifik ekziston një strukturë e caktuar pseudokristale, e karakterizuar nga renditja me rreze të shkurtër dhe, në një farë mase, të kujton strukturën e marrë kur një lëng ngrin dhe shndërrohet në një të ngurtë. Kur tretet një substancë tjetër, d.m.th. Kur formohet një zgjidhje, natyra e ndërveprimeve ndërmolekulare ndryshon dhe shfaqet strukturë e re me një rregullim të ndryshëm të grimcave sesa në një tretës të pastër. Kjo strukturë varet nga përbërja e tretësirës dhe është specifike për secilën zgjidhje specifike. Formimi i tretësirave të lëngëta zakonisht shoqërohet me një proces tretësish, d.m.th. rreshtimi i molekulave të tretësit rreth molekulave të lëndës së tretur për shkak të veprimit të forcave ndërmolekulare. Ka zgjidhje me rreze të shkurtër dhe me rreze të gjatë, d.m.th. Rreth molekulave (grimcave) të substancës së tretur formohen predha primare dhe sekondare të tretësirës. Në shtresën primare të tretësirës, ka molekula tretës në afërsi, të cilat lëvizin së bashku me molekulat e tretësirës. Numri i molekulave të tretësit të pranishëm në shtresën e tretësirës primare quhet numri i koordinimit tretësirë, e cila varet si nga natyra e tretësit ashtu edhe nga natyra e substancës së tretur. Predha e tretësirës dytësore përfshin molekula tretës që ndodhen në distanca dukshëm më të mëdha dhe ndikojnë në proceset që ndodhin në tretësirë për shkak të ndërveprimit me shtresën primare të tretësirës.
Kur merret parasysh qëndrueshmëria e tretësirave, bëhet një dallim midis stabilitetit kinetik dhe termodinamik.
NË tretësirat ujore karakteristikat sasiore të hidratimit kinetik (O.Ya. Samoilov) janë vlerat i/ dhe Ei=Ei-E, ku i dhe janë koha mesatare e qëndrimit të molekulave të ujit në pozicionin e ekuilibrit pranë i- joni th dhe në ujë të pastër, dhe Ei dhe E janë energjia e aktivizimit të shkëmbimit dhe energjia e aktivizimit të procesit të vetëdifuzionit në ujë. Këto sasi lidhen me njëra-tjetrën me një marrëdhënie të përafërt:
i/ exp(Ei/RT) Në këtë rast,
nëse EI 0, i/ 1 (shkëmbimi i molekulave të ujit më afër jonit ndodh më rrallë (më i ngadalshëm) sesa shkëmbimi ndërmjet molekulave në ujin e pastër) - hidratim pozitiv
nëse EI 0, i/ 1 (shkëmbimi i molekulave të ujit më afër jonit ndodh më shpesh (më shpejt) sesa shkëmbimi ndërmjet molekulave në ujin e pastër) - hidratim negativ
Pra, për jonin e litiumit EI = 1,7 kJ/mol, dhe për jonin e ceziumit Ei= - 1,4 kJ/mol, d.m.th. një jon litiumi i vogël "i fortë" i mban molekulat e ujit më fort se një jon cezium i madh dhe "difuz" që ka të njëjtën ngarkesë. Stabiliteti termodinamik i solvateve që rezultojnë përcaktohet nga ndryshimi i energjisë së Gibbs-it gjatë tretjes (solvG) = (solvH) - T(solvS). Sa më negative të jetë kjo vlerë, aq më i qëndrueshëm është tretësi. Kjo përcaktohet kryesisht nga vlerat negative të entalpisë së tretësirës.
Koncepti i zgjidhjeve dhe teoritë e zgjidhjeve. Zgjidhjet e vërteta fitohen spontanisht kur dy ose më shumë substanca bien në kontakt, për shkak të shkatërrimit të lidhjeve midis grimcave të një lloji dhe formimit të lidhjeve të një lloji tjetër, dhe shpërndarjes së substancës në të gjithë vëllimin për shkak të difuzionit. Tretësirat sipas vetive të tyre ndahen në ideale dhe reale, tretësirat e elektroliteve dhe joelektroliteve, të holluara dhe të koncentruara, të pangopura, të ngopura dhe të mbingopura. Karakteristikat e rasterëve varen nga natyra dhe madhësia e FMN-së. Këto ndërveprime mund të kenë natyra fizike(forcat van der Waals) dhe komplekse natyra fiziko-kimike(lidhja hidrogjenore, komplekset jon-molekulare, të transferimit të ngarkesës etj.). Procesi i formimit të tretësirës karakterizohet nga manifestimi i njëkohshëm i forcave tërheqëse dhe refuzuese midis grimcave ndërvepruese. Në mungesë të forcave refuzuese, grimcat do të bashkoheshin (ngjiteshin së bashku) dhe lëngjet mund të ngjesheshin pafundësisht në mungesë të forcave tërheqëse, lëngjet ose trupat e ngurtë nuk mund të fitoheshin. Në leksionin e mëparshëm kemi parë teoritë fizike dhe kimike të tretësirave.
Megjithatë, krijimi teori e unifikuar zgjidhjet hasin në vështirësi të konsiderueshme dhe aktualisht nuk janë krijuar ende, megjithëse kërkimet po kryhen nga shumica metoda moderne mekanika kuantike, termodinamika dhe fizika statistikore, kimia kristalore, analiza e difraksionit me rreze X, metoda optike, metoda NMR. Fusha reaktive. Duke vazhduar shqyrtimin tonë të forcave të ndërveprimit ndërmolekular, le të shqyrtojmë konceptin e një "fushe reaktive", e cila është e rëndësishme për të kuptuar strukturën dhe strukturën e lëndës së kondensuar dhe gazeve reale, në veçanti gjendjen e lëngshme, dhe për këtë arsye të gjithë. kimia fizike solucione të lëngshme.
Fusha reaktive ndodh në përzierjet e molekulave polare dhe jopolare, për shembull, për përzierjet e hidrokarbureve dhe acideve naftenike. Molekulat polare ndikojnë në një fushë me një simetri të caktuar (simetria e fushës përcaktohet nga simetria e orbitaleve molekulare vakante) dhe intensiteti H në molekulat jopolare. Këto të fundit polarizohen për shkak të ndarjes së ngarkesës, gjë që çon në shfaqjen (induksionin) e një dipoli. Një molekulë me një dipol të induktuar, nga ana tjetër, ndikon në një molekulë polare, duke ndryshuar fushën e saj elektromagnetike, d.m.th. ngacmon një fushë reaktive (përgjigje). Shfaqja e një fushe reaktive çon në një rritje të energjisë së ndërveprimit të grimcave, e cila shprehet në krijimin e predhave të forta tretësore të molekulave polare në një përzierje molekulash polare dhe jopolare.
Energjia e fushës reaktive llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme: ku:
shenja "-" - përcakton tërheqjen e molekulave
S – lejueshmëria elektrike statike
pafund – konstante dielektrike për shkak të polarizimit elektronik dhe atomik të molekulave
NA - Numri i Avogadros
VM – vëllimi i zënë nga 1 mol i një lënde polare në një lëng izotropik v = moment dipol
ER - energjia e 1 mol substancë polare në tretësirë
Koncepti i "fushës reaktive" do të na lejojë të kuptojmë më mirë strukturën e lëngjeve dhe solucioneve të pastra. Qasja kimike kuantike për studimin e fushës reaktive u zhvillua në veprat e M. V. Bazilevsky dhe kolegët e tij në Institutin e Kërkimeve Shkencore të Fizikës dhe Kimisë me emrin. L. Ya. Karpova Kështu, problemi i gjendjes së lëngshme i pret studiuesit e saj të rinj. Kartat janë në duart tuaja.
Struktura e gazeve, e lengjeve dhe e solideve.
Parimet themelore të teorisë kinetike molekulare:
Të gjitha substancat përbëhen nga molekula, dhe molekulat përbëhen nga atome,
atomet dhe molekulat janë në lëvizje të vazhdueshme,
Ekzistojnë forca tërheqëse dhe zmbrapsëse midis molekulave.
NË gazet molekulat lëvizin në mënyrë kaotike, distancat midis molekulave janë të mëdha, forcat molekulare janë të vogla, gazi zë të gjithë vëllimin që i jepet.
NË lëngjeve molekulat janë rregulluar në mënyrë të rregullt vetëm në distanca të shkurtra, dhe në distanca të mëdha shkelet rendi (simetria) e rregullimit - "rendi me rreze të shkurtër". Forcat e tërheqjes molekulare i mbajnë molekulat afër njëra-tjetrës. Lëvizja e molekulave është "kërcim" nga një pozicion i qëndrueshëm në tjetrin (zakonisht brenda një shtrese. Kjo lëvizje shpjegon rrjedhshmërinë e një lëngu. Një lëng nuk ka formë, por ka vëllim.
Lëndët e ngurta janë substanca që ruajnë formën e tyre, të ndara në kristalore dhe amorfe. Lëndët e ngurta kristalore trupat kanë rrjetë kristali, në nyjet e të cilave mund të ketë jone, molekula ose atome. Ata luhaten në lidhje me pozicionet e qëndrueshme të ekuilibrit.
Trupa amorfë ruajnë formën e tyre, por nuk kanë një rrjetë kristali dhe, si rezultat, nuk kanë një pikë shkrirjeje të theksuar. Ata quhen lëngje të ngrira, pasi ato, si lëngjet, kanë një rend "me rreze të shkurtër" të rregullimit molekular.
Forcat e ndërveprimit molekular
Të gjitha molekulat e një substance ndërveprojnë me njëra-tjetrën përmes forcave të tërheqjes dhe zmbrapsjes. Dëshmi e bashkëveprimit të molekulave: dukuria e lagështimit, rezistenca ndaj ngjeshjes dhe tensionit, kompresueshmëria e ulët e lëndëve të ngurta dhe gazeve, etj. Arsyeja e bashkëveprimit të molekulave është ndërveprimet elektromagnetike të grimcave të ngarkuara në një substancë. Si të shpjegohet kjo? Një atom përbëhet nga një bërthamë e ngarkuar pozitivisht dhe një shtresë elektronike e ngarkuar negativisht. Ngarkesa e bërthamës është e barabartë me ngarkesën totale të të gjitha elektroneve, kështu që atomi në tërësi është elektrikisht neutral. Një molekulë e përbërë nga një ose më shumë atome është gjithashtu elektrikisht neutrale. Le të shqyrtojmë ndërveprimin midis molekulave duke përdorur shembullin e dy molekulave të palëvizshme. Forcat gravitacionale dhe elektromagnetike mund të ekzistojnë midis trupave në natyrë. Meqenëse masat e molekulave janë jashtëzakonisht të vogla, forcat e papërfillshme të ndërveprimit gravitacional midis molekulave mund të injorohen. Në distanca shumë të mëdha gjithashtu nuk ka ndërveprim elektromagnetik midis molekulave. Por, ndërsa distanca ndërmjet molekulave zvogëlohet, molekulat fillojnë të orientohen në atë mënyrë që anët e tyre përballë njëra-tjetrës do të kenë ngarkesa të shenjave të ndryshme (në përgjithësi, molekulat mbeten neutrale), dhe forcat tërheqëse lindin midis molekulave. Me një ulje edhe më të madhe të distancës midis molekulave, forcat refuzuese lindin si rezultat i ndërveprimit të ngarkuar negativisht predha elektronike atomet e molekulave. Si rezultat, molekula veprohet nga shuma e forcave të tërheqjes dhe zmbrapsjes. Në distanca të mëdha, forca e tërheqjes mbizotëron (në një distancë prej 2-3 diametrash të molekulës, tërheqja është maksimale), në distanca të shkurtra mbizotëron forca e zmbrapsjes. Ekziston një distancë midis molekulave në të cilën forcat tërheqëse bëhen të barabarta me forcat refuzuese. Ky pozicion i molekulave quhet pozicioni i ekuilibrit të qëndrueshëm. Molekulat e vendosura në një distancë nga njëra-tjetra dhe të lidhura me forca elektromagnetike kanë energji potenciale. Në një pozicion të qëndrueshëm ekuilibri, energjia potenciale e molekulave është minimale. Në një substancë, çdo molekulë ndërvepron njëkohësisht me shumë molekula fqinje, gjë që ndikon gjithashtu në vlerën e energjisë minimale potenciale të molekulave. Përveç kësaj, të gjitha molekulat e një lënde janë në lëvizje të vazhdueshme, d.m.th. kanë energji kinetike. Kështu, struktura e një substance dhe vetitë e saj (trupat e ngurtë, të lëngët dhe të gaztë) përcaktohen nga marrëdhënia midis energjisë potenciale minimale të bashkëveprimit të molekulave dhe rezervës së energjisë kinetike të lëvizjes termike të molekulave.
Struktura dhe vetitë e trupave të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë
Struktura e trupave shpjegohet nga ndërveprimi i grimcave të trupit dhe natyra e lëvizjes së tyre termike.
Të ngurta
Lëndët e ngurta kanë formë e përhershme dhe vëllimi janë praktikisht të pakompresueshëm. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit të molekulave është më e madhe se energjia kinetike e molekulave. Ndërveprim i fortë i grimcave. Lëvizja termike e molekulave në një trup të ngurtë shprehet vetëm nga dridhjet e grimcave (atomeve, molekulave) rreth një pozicioni të qëndrueshëm ekuilibri.
Për shkak të forcave të mëdha të tërheqjes, molekulat praktikisht nuk mund të ndryshojnë pozicionin e tyre në materie, kjo shpjegon pandryshueshmërinë e vëllimit dhe formës së trupave të ngurtë. Shumica e trupave të ngurtë kanë një rregullim hapësinor të grimcave që formojnë një rrjetë të rregullt kristal. Grimcat e materies (atomet, molekulat, jonet) ndodhen në kulmet - nyjet e rrjetës kristalore. Nyjet e rrjetës kristalore përkojnë me pozicionin e ekuilibrit të qëndrueshëm të grimcave. Trupat e tillë quhen kristalorë.
E lëngshme
Lëngjet kanë një vëllim të caktuar, por nuk kanë formën e tyre, ato marrin formën e enës në të cilën ndodhen. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit ndërmjet molekulave është e krahasueshme me energjinë kinetike të molekulave. Ndërveprim i dobët i grimcave. Lëvizja termike e molekulave në një lëng shprehet me dridhje rreth një pozicioni të qëndrueshëm ekuilibri brenda vëllimit që i jepet molekulës nga fqinjët e saj. Molekulat nuk mund të lëvizin lirshëm në të gjithë vëllimin e një substance, por kalimet e molekulave në vendet fqinje janë të mundshme. Kjo shpjegon rrjedhshmërinë e lëngut dhe aftësinë për të ndryshuar formën e tij.
Në lëngje, molekulat janë mjaft të lidhura fort me njëra-tjetrën nga forcat e tërheqjes, gjë që shpjegon pandryshueshmërinë e vëllimit të lëngut. Në një lëng, distanca midis molekulave është afërsisht e barabartë me diametrin e molekulës. Kur distanca midis molekulave zvogëlohet (ngjeshja e lëngut), forcat refuzuese rriten ndjeshëm, kështu që lëngjet janë të pakompresueshme. Për sa i përket strukturës së tyre dhe natyrës së lëvizjes termike, lëngjet zënë një pozicion të ndërmjetëm midis trupave të ngurtë dhe gazrave. Edhe pse ndryshimi midis një lëngu dhe një gazi është shumë më i madh sesa midis një lëngu dhe një të ngurtë. Për shembull, gjatë shkrirjes ose kristalizimit, vëllimi i një trupi ndryshon shumë herë më pak sesa gjatë avullimit ose kondensimit.
Gazrat nuk kanë vëllim konstant dhe zënë të gjithë vëllimin e enës në të cilën ndodhen. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit ndërmjet molekulave është më e vogël se energjia kinetike e molekulave. Grimcat e materies praktikisht nuk ndërveprojnë. Gazrat karakterizohen nga çrregullim i plotë në renditjen dhe lëvizjen e molekulave.
Distanca midis molekulave të gazit është shumë herë më e madhe se madhësia e molekulave. Forcat e vogla tërheqëse nuk mund t'i mbajnë molekulat afër njëra-tjetrës, kështu që gazrat mund të zgjerohen pa kufi. Gazrat kompresohen lehtësisht nën ndikimin e presionit të jashtëm, sepse distancat midis molekulave janë të mëdha dhe forcat e ndërveprimit janë të papërfillshme. Presioni i gazit në muret e enës krijohet nga ndikimet e molekulave të gazit në lëvizje.
Të gjitha objektet dhe gjërat që na rrethojnë çdo ditë përbëhen nga substanca të ndryshme. Në të njëjtën kohë, ne jemi mësuar të konsiderojmë vetëm diçka të fortë si objekte dhe sende - për shembull, një tavolinë, karrige, filxhan, stilolaps, libër etj.
Tre gjendje të materies
Por ne nuk e konsiderojmë ujin nga rubineti ose avulli që vjen nga çaji i nxehtë si objekte dhe gjëra. Por e gjithë kjo është gjithashtu pjesë e bota fizike, është vetëm se lëngjet dhe gazrat janë në një gjendje të ndryshme të materies. Pra, Ekzistojnë tri gjendje të materies: të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë. Dhe çdo substancë mund të jetë në secilën nga këto gjendje me radhë. Nëse nxjerrim një kub akulli nga ngrirja dhe e ngrohim, do të shkrihet dhe do të kthehet në ujë. Nëse e lëmë djegësin ndezur, uji do të nxehet deri në 100 gradë Celsius dhe së shpejti do të kthehet në avull. Kështu, ne vëzhguam një dhe të njëjtën substancë, domethënë të njëjtin grup molekulash, nga ana tjetër shtete të ndryshme substancave. Por nëse molekulat mbeten të njëjta, çfarë ndryshon më pas? Pse akulli është i fortë dhe ruan formën e tij, uji merr lehtësisht formën e një filxhani dhe avulli shpërndahet plotësisht në anët e ndryshme? Gjithçka ka të bëjë me strukturën molekulare.
Struktura molekulare e trupave të ngurtë të tilla që molekulat janë të vendosura shumë afër njëra-tjetrës (distanca ndërmjet molekulave është shumë madhësive më të vogla vetë molekulat), dhe është shumë e vështirë të lëvizësh molekulat në këtë rregullim. Prandaj, trupat e ngurtë ruajnë vëllimin dhe mbajnë formën e tyre. Struktura molekulare e lëngut karakterizohet nga fakti se distanca midis molekulave është afërsisht e barabartë me madhësinë e vetë molekulave, domethënë molekulat nuk janë më aq afër sa në trupat e ngurtë. Kjo do të thotë se ato janë më të lehta për t'u lëvizur në raport me njëri-tjetrin (kjo është arsyeja pse lëngjet marrin forma të ndryshme kaq lehtë), por forca tërheqëse e molekulave është ende e mjaftueshme për të parandaluar që molekulat të largohen dhe të ruajnë vëllimin e tyre. Por struktura molekulare gazi, përkundrazi, nuk lejon që gazi të ruajë vëllimin ose të ruajë formën. Arsyeja është se distanca midis molekulave të gazit është shumë më e madhe se madhësia e vetë molekulave, dhe madje forcën më të vogël të aftë për të shkatërruar këtë sistem të lëkundur.
Arsyeja e kalimit të një substance në një gjendje tjetër
Tani le të zbulojmë se cila është arsyeja e kalimit të një substance nga një gjendje në tjetrën. Për shembull, pse akulli bëhet ujë kur nxehet? Përgjigja është e thjeshtë: energji termike djegësi shndërrohet në energji të brendshme të molekulave të akullit. Pasi kanë marrë këtë energji, molekulat e akullit fillojnë të dridhen më shpejt dhe më shpejt dhe, në fund, bëhen jashtë kontrollit të molekulave fqinje. Nëse e fikim pajisjen ngrohëse, atëherë uji do të mbetet ujë, por nëse e lëmë ndezur, atëherë uji do të kthehet në avull për një arsye të njohur tashmë atje.
Për shkak të faktit se trupat e ngurtë ruajnë vëllimin dhe formën, ato janë ato që ne i lidhim me botën përreth nesh. Por nëse shikojmë nga afër, do të zbulojmë se gazet dhe lëngjet gjithashtu zënë një pjesë të rëndësishme të botës fizike. Për shembull, ajri rreth nesh përbëhet nga një përzierje gazesh, kryesori i të cilave, azoti, mund të jetë gjithashtu një lëng - por për këtë duhet të ftohet në një temperaturë prej pothuajse minus 200 gradë Celsius. Por elementi kryesor i një putre të zakonshme - një filament tungsteni - mund të shkrihet, domethënë të shndërrohet në lëng, përkundrazi, vetëm në një temperaturë prej 3422 gradë Celsius.
>>Fizikë: Struktura e trupave të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë
Teoria kinetike molekulare bën të mundur të kuptojmë pse një substancë mund të ekzistojë në gjendje të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë.
Gazrat. Në gazra, distanca midis atomeve ose molekulave është mesatarisht shumë herë më e madhe se madhësia e vetë molekulave ( Fig.8.5). Për shembull, në presionin atmosferik, vëllimi i një ene është dhjetëra mijëra herë më i madh se vëllimi i molekulave në të.
Gazrat kompresohen lehtësisht, dhe distanca mesatare midis molekulave zvogëlohet, por forma e molekulës nuk ndryshon ( Fig.8.6).
Molekulat lëvizin me shpejtësi të madhe - qindra metra në sekondë - në hapësirë. Kur përplasen, ata kërcejnë nga njëri-tjetri në drejtime të ndryshme si topat e bilardos. Forca të dobëta tërheqja e molekulave të gazit nuk është në gjendje t'i mbajë ato pranë njëra-tjetrës. Kjo është arsyeja pse gazrat mund të zgjerohen pafundësisht. Ata nuk ruajnë formën dhe vëllimin.
Ndikimet e shumta të molekulave në muret e enës krijojnë presionin e gazit.
Lëngjet. Molekulat e lëngut ndodhen pothuajse afër njëra-tjetrës ( Fig.8.7), kështu që një molekulë e lëngshme sillet ndryshe nga një molekulë gazi. Në lëngje, ekziston i ashtuquajturi rend me rreze të shkurtër, d.m.th., rregullimi i renditur i molekulave mbahet në distanca të barabarta me disa diametra molekularë. Një molekulë lëkundet rreth pozicionit të saj ekuilibër duke u përplasur me molekulat fqinje. Vetëm herë pas here ajo bën një tjetër "kërcim", duke u futur në një pozicion të ri ekuilibri. Në këtë pozicion ekuilibri, forca refuzuese është e barabartë me forcën tërheqëse, d.m.th., forca totale e ndërveprimit të molekulës është zero. Koha jetë e vendosur molekulat e ujit, d.m.th., koha e dridhjeve të tij rreth një pozicioni specifik ekuilibri në temperaturën e dhomës, është mesatarisht 10 -11 s. Koha e një lëkundjeje është shumë më e vogël (10 -12 -10 -13 s). Me rritjen e temperaturës, koha e qëndrimit të molekulave zvogëlohet.
Karakteri lëvizje molekulare në lëngje, themeluar fillimisht fizikan sovjetik Ya.I.Frenkel, ju lejon të kuptoni vetitë themelore lëngjeve.
Molekulat e lëngshme janë të vendosura drejtpërdrejt pranë njëra-tjetrës. Ndërsa vëllimi zvogëlohet, forcat refuzuese bëhen shumë të mëdha. Kjo shpjegon kompresueshmëri e ulët e lëngjeve.
Siç dihet, lëngjet janë të lëngshme, domethënë nuk e ruajnë formën e tyre. Kjo mund të shpjegohet në këtë mënyrë. Forca e jashtme nuk ndryshon dukshëm numrin e kërcimeve molekulare për sekondë. Por kërcimet e molekulave nga një pozicion i palëvizshëm në tjetrin ndodhin kryesisht në drejtim të forcës së jashtme ( Fig.8.8). Kjo është arsyeja pse lëngu rrjedh dhe merr formën e enës.
Ekziston një ndryshim tjetër i rëndësishëm midis lëngjeve dhe trupave të ngurtë. Një lëng mund të krahasohet me një turmë njerëzish, ku individët individualë po tunden pa pushim në vend dhe një trup i ngurtë është si një grup i hollë i të njëjtëve individë të cilët, megjithëse nuk i kushtojnë vëmendje, mbajnë mesatarisht distanca të caktuara midis tyre. . Nëse lidhni qendrat e pozicioneve të ekuilibrit të atomeve ose joneve të një trupi të ngurtë, ju merrni një rrjetë të rregullt hapësinore të quajtur kristalore.
Figurat 8.9 dhe 8.10 tregojnë grilat kristalore kripë tryezë dhe diamanti. Rendi i brendshëm në renditjen e atomeve në kristale çon në forma të rregullta gjeometrike të jashtme.
Figura 8.11 tregon diamantet Yakut.
Gazi ka një distancë l ndërmjet molekulave është shumë më e madhe se madhësia e molekulave r 0:" l>>r 0
.
Në të lëngshme dhe të ngurta l≈r 0. Molekulat e një lëngu janë të rregulluara në mënyrë të çrregullt dhe herë pas here kërcejnë nga një pozicion i vendosur në tjetrin.
Trupat e ngurtë kristalorë kanë molekula (ose atome) të rregulluara në mënyrë strikte.
???
1. Gazi është i aftë për zgjerim të pakufizuar. Pse Toka ka një atmosferë?
2. Si ndryshojnë trajektoret e molekulave të gazit, të lëngët dhe të ngurtë? Vizatoni trajektoret e përafërta të molekulave të substancave në këto gjendje.
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, klasa e 10-të e fizikës
Përmbajtja e mësimit shënimet e mësimit Mbështetja e prezantimit të mësimit në kuadër të metodave të përshpejtimit teknologjitë interaktive Praktikoni detyra dhe ushtrime punëtori për vetëtestim, trajnime, raste, kërkime detyra shtëpie çështje të diskutueshme pyetje retorike nga nxënësit Ilustrime audio, videoklipe dhe multimedia fotografi, foto, grafika, tabela, diagrame, humor, anekdota, shaka, komike, shëmbëlltyra, thënie, fjalëkryqe, citate Shtesa abstrakte artikuj truke për krevat kureshtarë tekste mësimore fjalor termash bazë dhe plotësues të tjera Përmirësimi i teksteve dhe mësimevekorrigjimi i gabimeve në tekstin shkollor përditësimi i një fragmenti në një tekst shkollor, elemente të inovacionit në mësim, zëvendësimi i njohurive të vjetruara me të reja Vetëm për mësuesit leksione perfekte plani kalendar për një vit rekomandimet metodologjike programet e diskutimit Mësime të integruaraNëse keni korrigjime ose sugjerime për këtë mësim,
Ngurta është një gjendje grumbullimi i një lënde, e karakterizuar nga qëndrueshmëria e formës dhe natyra e lëvizjes së atomeve, të cilat kryejnë dridhje të vogla rreth pozicioneve të ekuilibrit.
Në mungesë të ndikimeve të jashtme, një trup i fortë ruan formën dhe vëllimin e tij.
Kjo shpjegohet me faktin se tërheqja midis atomeve (ose molekulave) është më e madhe se ajo e lëngjeve (dhe veçanërisht gazeve). Është e mjaftueshme që atomet të mbahen pranë pozicioneve të tyre të ekuilibrit.
Molekulat ose atomet e shumicës së lëndëve të ngurta, si akulli, kripa, diamanti dhe metalet, janë të renditura në një rend të caktuar. Trupat e tillë quhen kristalore . Edhe pse grimcat e këtyre trupave janë në lëvizje, këto lëvizje paraqesin lëkundje rreth pikave të caktuara (pozicionet e ekuilibrit). Grimcat nuk mund të lëvizin larg këtyre pikave, kështu që trupi i ngurtë ruan formën dhe vëllimin e tij.
Përveç kësaj, ndryshe nga lëngjet, pikat e ekuilibrit të atomeve ose joneve të një trupi të ngurtë, duke qenë të lidhura, ndodhen në kulmet e një rrjete të rregullt hapësinore, e cila quhet kristalore.
Quhen pozicionet e ekuilibrit në lidhje me të cilat ndodhin dridhjet termike të grimcave nyjet e rrjetës kristalore.
Monokristal- një trup i ngurtë, grimcat e të cilit formojnë një rrjetë të vetme kristalore (një kristal).
Një nga vetitë kryesore të kristaleve të vetme, që i dallon ata nga lëngjet dhe gazrat, është anizotropia vetitë e tyre fizike. Nën anizotropia i referohet varësisë së vetive fizike nga drejtimi në një kristal . Janë anizotropike vetitë mekanike(për shembull, dihet që mika është e lehtë për t'u eksfoluar në një drejtim dhe shumë e vështirë në një drejtim pingul), vetitë elektrike(përçueshmëria elektrike e shumë kristaleve varet nga drejtimi), vetitë optike (fenomeni i dypërthyerjes dhe dikroizmit - anizotropia e përthithjes; për shembull, një kristal i vetëm i turmalinës "ngjyrohet" me ngjyra të ndryshme - jeshile dhe kafe, në varësi të cilës nga ana nga e shikoni).
Polikristal- një lëndë e ngurtë e përbërë nga kristale të vetme të orientuara rastësisht. Shumica e lëndëve të ngurta me të cilat merremi në jetën e përditshme janë polikristaline - kripa, sheqeri, produkte të ndryshme metalike. Orientimi i rastësishëm i mikrokristaleve të shkrirë nga të cilët ato përbëhen çon në zhdukjen e anizotropisë së vetive.
Trupa kristal kanë një pikë të caktuar shkrirjeje.
Trupa amorfë. Përveç trupave kristalorë, trupat amorfë klasifikohen edhe si trupa të ngurtë. Amorf do të thotë "pa formë" në greqisht.
Trupa amorfë- këto janë trupa të ngurtë që karakterizohen nga një rregullim i çrregullt i grimcave në hapësirë.
Në këto trupa, molekulat (ose atomet) dridhen rreth pikave të vendosura rastësisht dhe, si molekulat e lëngëta, kanë kohë të caktuar jetë e vendosur. Por, ndryshe nga lëngjet, kjo kohë është shumë e gjatë.
Trupat amorfë përfshijnë qelqin, qelibarin, rrëshirat e tjera të ndryshme dhe plastikën. Edhe pse në temperaturën e dhomës këta trupa ruajnë formën e tyre, por me rritjen e temperaturës ato gradualisht zbuten dhe fillojnë të rrjedhin si lëngje: Trupat amorfë nuk kanë një temperaturë ose pikë shkrirjeje të caktuar.
Në këtë ato ndryshojnë nga trupat kristalorë, të cilët, me rritjen e temperaturës, jo gradualisht, por befas, shndërrohen në një gjendje të lëngshme (në një temperaturë shumë specifike - pika e shkrirjes).
Të gjithë trupat amorfë izotropike, dmth kanë të njëjtën gjë vetitë fizike në drejtime të ndryshme. Kur preken, ata sillen si trupa të ngurtë - ato ndahen dhe nëse ekspozohen për një kohë shumë të gjatë, rrjedhin.
Aktualisht ka shumë substanca në gjendje amorfe marrë artificialisht, për shembull, gjysmëpërçuesit amorfë dhe të qelqtë, materiale magnetike madje edhe metalet.
2. Shpërndarja e dritës. Llojet e spektrave. Spektrograf dhe spektroskop. Analiza spektrale. Llojet e rrezatimit elektromagnetik dhe aplikimi i tyre në transportin hekurudhor.
Një rreze drite e bardhë që kalon nëpër një prizëm trekëndor jo vetëm që devijohet, por edhe zbërthehet në rreze me ngjyra përbërëse.
Ky fenomen u zbulua nga Isaac Newton përmes një sërë eksperimentesh.
Eksperimentet e Njutonit
Përvoja në zbërthimin e dritës së bardhë në një spektër:
Njutoni drejtoi rrezen rrezet e diellit përmes një vrime të vogël në një prizëm xhami.
Kur goditi prizmin, rrezja u thye dhe në murin e kundërt dha një imazh të zgjatur me një alternim ylberi të ngjyrave - një spektër.
Njutoni vendosi xhami të kuq në rrugën e rrezes së diellit, pas së cilës mori dritën monokromatike (të kuqe), pastaj një prizëm dhe vëzhgoi në ekran vetëm pikën e kuqe nga rrezja e dritës.
Së pari, Njutoni drejtoi një rreze dielli mbi një prizëm. Pastaj, pasi mblodhi rrezet me ngjyra që dilnin nga prizmi duke përdorur një lente grumbulluese, Njutoni mori një imazh të bardhë të një vrime në një mur të bardhë në vend të një shiriti me ngjyrë.
Përfundimet e Njutonit:
Një prizëm nuk e ndryshon dritën, por vetëm e zbërthen atë në përbërës
- rrezet e dritës, të ndryshme në ngjyrë, ndryshojnë në shkallën e përthyerjes; Rrezet vjollce thyhen më fort, ato të kuqe më pak.
- Drita e kuqe, e cila thyhet më pak, ka shpejtësinë më të madhe, dhe drita vjollce ka më të ulët, prandaj prizma e zbërthen dritën.
Varësia e indeksit të thyerjes së dritës nga ngjyra e saj quhet dispersion.
Spektri i dritës së bardhë:
Konkluzione:
- një prizëm zbërthen dritën
- Drita e bardhë është komplekse (e përbërë)
- rrezet vjollce thyhen më fort se ato të kuqe.
Ngjyra e një rreze drite përcaktohet nga frekuenca e saj e dridhjeve.
Kur lëvizni nga një medium në tjetrin, shpejtësia e dritës dhe gjatësia e valës ndryshojnë, por frekuenca që përcakton ngjyrën mbetet konstante.
Dritë e bardhëështë një grup valësh me gjatësi nga 380 deri në 760 nm.
Syri percepton rrezet e një gjatësi vale të caktuar të reflektuara nga një objekt dhe kështu percepton ngjyrën e objektit.
| Spektrat e emetimit Tërësia e frekuencave (ose gjatësive valore) që përmban rrezatimi i një substance quhet spektri i emisioneve. Ato vijnë në tre lloje. |
| I ngurtë është një spektër që përmban të gjitha gjatësitë valore të një diapazoni të caktuar nga e kuqja me λ ≈ 7.6. 10 -7 m në vjollcë me λ ≈ 4. 10 -7 m Një spektër i vazhdueshëm emetohet nga të ngurta të ndezura dhe substanca të lëngshme, gazra të nxehta nën presion të lartë. |
| Spektri i linjës është një spektër i emetuar nga gazrat dhe avujt me densitet të ulët në gjendjen atomike. Përbëhet nga linja individuale me ngjyra të ndryshme (gjatësia valore, frekuenca), që kanë vendndodhje të ndryshme. Çdo atom lëshon një grup valët elektromagnetike frekuenca të caktuara. Prandaj, çdo element kimik ka spektrin e vet |
| I lidhur është spektri që emetohet nga një gaz në gjendjen e tij molekulare. |
| Spektrat e vijave dhe shiritave mund të përftohen duke ngrohur një substancë ose duke kaluar një rrymë elektrike. |
| Spektrat e përthithjes Spektrat e absorbimit fitohen duke transmetuar dritën nga një burim. duke dhënë një spektër të vazhdueshëm përmes një substance, atomet e së cilës janë në gjendje të pangacmuar. . |
| Spektri i përthithjes është grupi i frekuencave të absorbuara nga një substancë e caktuar |
| Sipas ligjit të Kirchhoff, një substancë thith ato linja të spektrit që lëshon, duke qenë një burim drite. Analiza spektrale Studimi i spektrave të emetimit dhe të përthithjes na lejon të vendosim përbërje me cilësi të lartë substancave. Përmbajtja sasiore e një elementi në një përbërje përcaktohet duke matur shkëlqimin e vijave spektrale. Metoda e përcaktimit të përbërjes cilësore dhe sasiore të një lënde nga spektri i saj quhet spektroskopi. analiza trale. Njohja e gjatësive valore të emetuara në çifte të ndryshme , është e mundur të vërtetohet prania e disa elementeve në një substancë. Kjo metodë është shumë e ndjeshme. Linjat individuale në spektra elemente të ndryshme mund të përkojë, por në përgjithësi spektri i secilit element është i tij karakteristikat individuale. Luhet analiza spektrale rol të madh (në shkencë. Me ndihmën e tij u studiua përbërja e Diellit dhe yjeve. Linjat e errëta të Fraunhofer u zbuluan në spektrin e Diellit (1814). Dielli është i nxehtë top gazi T≈ 6000 °C), duke emetuar një spektër të vazhdueshëm. rrezet e diellit kalojnë nëpër atmosferën diellore, ku T ≈ 2000-3000 °C. Kurora thith nga spektri i vazhdueshëm frekuenca të caktuara, dhe ne në Tokë marrim spektrin e absorbimit diellor. Mund të përdoret për të përcaktuar se cilët elementë janë të pranishëm në kurorën e Diellit. Ai ndihmoi të zbulonte gjithçka |
elementet e tokës , si dhe një element i panjohur, i cili quhej helium. 26 vjet më vonë (1894) helium u zbulua në Tokë. Falë analizës spektrale, u zbuluan 25 elementë. Për shkak të thjeshtësisë dhe shkathtësisë së saj krahasuese, analiza spektrale është metoda kryesore për monitorimin e përbërjes së një substance në metalurgji dhe inxhinieri mekanike. Analiza spektrale përdoret për të përcaktuar përbërjen kimike
xeheroret dhe mineralet, Analiza spektrale mund të kryhet duke përdorur si spektrin e emetimit ashtu edhe atë të absorbimit. Përbërja e përzierjeve komplekse analizohet duke përdorur një spektër molekular. Spektri
rrezatimi elektromagnetik ν =10 5 - 10 11 Hz, λ =10 -3 -10 3 m.
Marrë duke përdorur qarqe osciluese dhe vibratorë makroskopikë. Vetitë. Valët e radios me frekuenca dhe gjatësi vale të ndryshme absorbohen dhe reflektohen ndryshe nga media. Aplikimi Komunikimet me radio, televizion, radar.
Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Lëkundjet harmonike Formula e fizikës së frekuencës së lëkundjeve