Что существует между молекулами
Взаимное притяжение и отталкивание молекул — примеры взаимодействия
Известно, что все физические тела состоят из огромного количества молекул. Расстояния между ними сравнимы с их размерами. Почему предметы не распадаются в пыль? Ощутить силу притяжения между двумя частицами невозможно из-за того, что она очень маленькая.
Однако в том случае, когда одновременно действует взаимное притяжение и отталкивание молекул, в которое вовлечено большое их количество, это легко заметить. С такими явлениями человек часто встречается в своей жизни.
Взаимное притяжение молекул
Твёрдые предметы способны сохранять свою цельность. Это происходит благодаря наличию притяжения между мельчайшими частицами вещества — молекулами.
В жидкостях эта связь гораздо слабее, поэтому они способны течь. Это связано с тем, что здесь расстояния между частицами увеличиваются. У газов они ещё больше. Здесь силы притяжения из-за больших расстояний фактически не действуют, позволяя веществу расширяться и заполнять весь доступный объём.
В наличии описанных сил легко убедиться, наблюдая физические явления реальной жизни.
Баланс различных сил, действующих между частицами, имеет важное значение в кристаллах.
Здесь их результатом является образование кристаллической решётки, которая имеет повторяющуюся структуру. При этом молекулы и атомы находятся в строго определённых местах.
Если разделить кусок свинца на две части и отполировать получившийся разрез до блеска, то можно наблюдать необычный эффект. Если обе части прислонить друг к другу, то они прилипнут без всяких видимых причин.
Если поднять одну часть, то другая поднимется вместе с ней. Такое соединение легко выдерживает вес до пяти килограммов. Физика объясняет, что в этом опыте демонстрируется притяжение, существующее между частицами.
Когда человек пытается разломать предмет, то он стремится преодолеть силы, которые притягивают частицы друг к другу. При этом видно, что одни предметы подвергаются воздействию легко, а строение других демонстрируют высокую прочность. Разница между ними состоит в том, что у них различная сила притяжения.
Взаимное отталкивание молекул
Связь между частицами ощущается только на очень маленьком расстоянии. Как только оно начинает значительно превосходить собственные размеры молекул, то сила притяжения резко уменьшается.
В связи с этим возникает вопрос о том, от чего возникает расстояние между ними. Если бы действовало только притяжение, то частицы находились бы вплотную друг к другу, не оставляя промежутков.
Дело в том, что существует также отталкивание. Молекулы устанавливаются на таком расстоянии, когда обе этих силы, направленные противоположно, уравновешиваются.
Можно провести опыт в классе и убедится в действии, которое производит отталкивание. Можно привести такой пример. Если смять резиновую игрушку и отпустить, то она начнёт расправляться до тех пор, пока не примет прежнее положение.
Если части сломанного предмета прислонить друг к другу, то притяжение не возникнет из-за того, что молекулы нельзя подвести на достаточно близкое расстояние, когда такая сила начинает действовать. Эту проблему обычно преодолевают двумя способами:
располагают между частями другие молекулы (например, клей);
может происходить диффузия, когда молекулы одного вещества проникают в другое;
нагревают их, увеличивая подвижность.
Притяжение может быть не только между предметами, состоящими из одного и того же вещества, но и между разными объектами и веществами. Например, если плоский кусок стекла разместить на поверхности воды, а потом поднять его. В этой ситуации заметно, что для этого придётся приложить определённую силу.
Жидкости и твердые тела
Одной из эффектных демонстраций взаимодействия частиц являются капиллярные явления. Жидкость внутри узкой трубочки естественным образом поднимается вверх, преодолевая силу тяжести без дополнительных усилий.
Это явление широко используется в технике и живой природе. Так, в человеческом теле имеется большая сеть капиллярных кровеносных сосудов, работа которой зависит от взаимодействия крови и стенок сосудов.
Нередко бывает так, что опущенное в жидкость тело после поднятия остаётся смоченным. Этот результат говорит о том, что притяжение молекул воды и тела сильнее по сравнению с тем, которое имеется у жидкости.
Иногда, выполняя такой опыт, получают другой результат. Например, парафиновая пластинка, вынутая из воды, останется сухой. В этой ситуации частицы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к пластине.
Явление смачивания или его отсутствия часто используется. Например, водоплавающие птицы, постоянно находясь в воде, тем не менее не смачиваются.
Основные выводы
Силы притяжения и отталкивания, действующие между молекулами, позволяют телам сохранять целостность, удерживая между ними определённые промежутки. Они в разных веществах могут проявляться различным образом.
В жидкостях и газах силы сцепления молекул друг с другом намного слабее, чем в твёрдых телах, а в кристаллах они создают жёсткую решётку высокой прочности.
Виды межмолекулярного взаимодействия твердых тел
Межмолекулярное взаимодействие в химии, суть процесса
Различные атомы и группы атомов, входящие в состав молекулы вещества могут осуществлять внутримолекулярное и межмолекулярное взаимодействие, приводящее к образованию нового типа связей — межмолекулярных связей.
Межмолекулярным называют взаимодействие частиц (атомов, молекул или ионов), проявляющееся на расстояниях, значительно превышающих размеры этих частиц.
Данное явление объясняет отличие идеальных газов от реальных, нахождение одних и тех же веществ в разных агрегатных состояниях и влияет на такие физические свойства, как плотность, электро- и теплопроводность, температура кипения и плавления, твердость и другие.
Первым понятие межмолекулярного взаимодействия ввел голландский ученый Йоханнес Дидерик ван-дер-Ваальс в 1873 году, когда изучал свойства реальных газов и жидкостей. Поэтому силы, обеспечивающие межмолекулярное взаимодействие, также называют ван-дер-ваальсовыми силами.
Отличия межмолекулярного взаимодействия от химической связи:
Основные виды межмолекулярного взаимодействия
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия (силы) имеют электростатический характер и образуются за счет диполей (молекул, содержащих два одинаковых по величине, но разных по знаку заряда, находящимися на расстоянии друг от друга). В зависимости от вещества механизм образования диполей различен, поэтому выделяют три составляющие ван-дер-ваальсовых сил:
Влияние агрегатного состояния вещества на ван-дер-ваальсовы взаимодействия
Атомы или молекулы газообразных веществ постоянно двигаются в разных направлениях, поэтому большую часть времени находятся на значительных (по сравнению с собственными размерами) расстояниях друг от друга. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними настолько малы, что его даже не учитывают, кроме тех случаев, когда газ находится под высоким давлением.
Частицы веществ в конденсированном состоянии (жидком или твердом) находятся ближе друг к другу, а силы взаимодействия достаточно велики для того, чтобы удержать их в таком положении. Поэтому жидкие и твердые вещества имеют, в отличие от газов, постоянный при данной температуре объем.
Для твердых тел (кристаллов) силы межмолекулярного взаимодействия обеспечивают сохранение не только объема, но и формы. Правильная геометрическая форма (кристаллическая решетка), в узлах которой находятся электрически нейтральные частицы, называется молекулярным кристаллом.
Для некоторых твердых тел свойственно наличие сразу нескольких видов связи. Примером такого вещества является графит с гексагональной решеткой:
Мягкость графита и скольжение его слоев друг относительно друга обусловлена этими факторами.
Водородная связь — частный случай ориентационных межмолекулярных сил, образующихся между положительно поляризованным атомом водорода одной группы или молекулы и отрицательно поляризованным атомом другой. Функцию отрицательного полюса выполняет атом с высокой отрицательностью (кислород, фтор, азот и др.).
Если представить соединение с формулой X-H, то водородная связь будет выглядеть так: X-H⋅⋅⋅Y (или H⋅⋅⋅Y), где Y — атом с высокой отрицательностью, входящий в состав какого либо вещества, образующего с X-H водородные связи.
В силу высокой прочности (сравнительно с другими вариантами межмолекулярного взаимодействия), широкой распространенности и важности в объяснении свойств различных соединений водородная связь рассматривается как отдельный тип межмолекулярных связей.
Значение водородной связи:
Водородные связи могут быть как внутримолекулярными (образуются между фрагментами одной молекулы), так и межмолекулярными (возникают между частями разных молекул).
Энергия межмолекулярного взаимодействия молекул
Энергия ориентационного взаимодействия Еориент растет при увеличении дипольных моментов частиц, уменьшается при повышении температуры.
Энергия индукционного взаимодействия Еинд увеличивается с ростом дипольного момента полярной молекулы и с увеличением поляризуемости неполярной. Не зависит от температуры.
Энергия дисперсионного взаимодействия Едисп пропорциональна квадрату поляризуемости частиц. Низкая поляризуемость характерна для многих соединений фтора, следовательно, они проявляют слабое дисперсионное взаимодействие. Доказательством этого является сравнительная таблица 1 температур кипения соединений фтора и хлора, похожих по строению:
| CF4 | CCl4 | OF2 | OCl2 | |
| tкип, °C | -128 | 76 | -144 | 3,8 |
Электрический момент диполя,
Общая энергия межмолекулярного взаимодействия выражается суммой энергий трех видов взаимодействия:
Еобщ = Еориент + Еинд +Едисп.
Вклад каждого из слагаемых определяется полярностью и поляризуемостью частиц. Во взаимодействие сильно полярных и легко поляризующихся молекул наибольший вклад вносят Еориент + Еинд, хотя значение Еинд обычно сравнительно невелико. У малополярных молекул дисперсионное взаимодействие выходит на первое место, а у неполярных оно является единственной составляющей.
О существовании сил притяжения между молекулами
Опыт I. Опыт со свинцовыми цилиндрами
А.В. Перышкин. Физика 7, стр 30.
Техника безопасности
Нижний цилиндр подвесить к штативу на прочной нити, чтобы в случае отрыва от верхнего не поранить руку.
Цель эксперимента
Доказать существование между молекулами сил взаимного притяжения и их зависимость от расстояния между ними.
Гипотеза:
Взаимное притяжение между молекулами проявляется при малых расстояниях между ними, сравнимых с размерами самих молекул.
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
Опыт 1. Два свинцовых цилиндра вплотную прижимаем друг к другу торцами.
Цилиндры не сцепляются вместе.
Между молекулами существуют силы притяжения. Они становятся заметными только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул. В опыте 1 не удалось сблизить молекулы на малое расстояние, чтобы притяжения между ними были заметны.
Опыты 2 и 3 показывают, что сила притяжения между молекулами заметны при малых расстояниях между ними и они достаточно большие.
Опыт 2. а) С помощью струга зачищаем и выравниваем торцы двух свинцовых цилиндров.
б). Большим усилием прижимаем цилиндры друг к другу свежими срезами.
Цилиндры сцепляются вместе.
Опыт 3. а) За верхний крючок подвесим верхний цилиндр к штативу.
б) К нижнему цилиндру привязываем прочную нить в целях безопасности.
в) К крючку нижнего цилиндра подвешиваем грузики.
Сцепление цилиндров такое, что цилиндры не удается оторвать друг от друга даже при достаточной нагрузке.
Опыт 2. Подъём тарелки мылом
(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9)
Техника безопасности
Осторожность при работе с жидкостью, водой.
Цель эксперимента
Доказать существование сил притяжения между молекулами воды
Гипотеза:
На простом физическом опыте можно доказать существование притяжения между молекулами воды, продемонстрировать явление смачивания
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
Сухие листочки бумаги кладем друг на друга.
Листочки бумаги не прилипают друг к другу
Листочки бумаги имеют шероховатую поверхность, поэтому слабо проявляются силы молекулярного притяжения.
На сухой листочек кладем мокрый листочек бумаги.
Листочки бумаги прилипают друг к другу
Листочки бумаги смачиваются водой. Молекулы воды приблизятся к молекулам бумаги настолько, что межмолекулярное притяжение уже будет удерживать листы друг возле друга
Опыт 3.
(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9)
Техника безопасности
Беречь глаза от попадания мыла.
Цель эксперимента
Доказать существование сил притяжения между молекулами воды
Гипотеза:
На простом физическом опыте можно доказать существование притяжения между молекулами воды, продемонстрировать явление смачивания
Оборудование:
Фото
Описание опыта
Результаты опыта
Объяснение
Прижимаем сухое мыло к сухой поверхности тарелки.
Кусок мыла легко отрывается от тарелки, тарелка остается на столе.
Взаимодействие молекул тарелка и мыла было незначительном, так как не удалось сблизить молекулы на малое расстояние.
Между тарелкой и куском мыла образовалась мыльная пена, молекулы которой максимально сблизились с молекулами тарелки, и между ними возникло взаимное притяжение, т.е. тарелка и кусок мыла «склеились».
Наливаем на тарелку воду и сразу сольем. К влажной поверхности тарелки прижимаем кусок мыла, повернем мыло несколько раз и поднимаем вверх.
Тарелка вместе с мылом отрывается от поверхности стола.
Применение рассматриваемого явления на практике.
Притяжение между молекулами на практике для человека может быть полезным и вредным.
Полезное: Пайка, склеивание, сварка.
Вредное: При складывании между полированными стеклами кладут листочки бумаги.
Смачивание:«Нановорсистые» покрытия, гидрофильные и гидрофобные материалы.
Смачивание:Эффект лотоса – эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках некоторых растений. Несмачиваемость крыльев насекомых. Если крылья насекомых будут смачиваться, насекомые потеряют способность к полету.
Гидрофильные и гидрофобные покрытия в животном и растительном мире.
Интересные факты в рассматриваемом явлении
Известно, что все физические тела состоят из огромного количества молекул. Расстояния между ними сравнимы с их размерами. Почему предметы не распадаются в пыль? Ощутить силу притяжения между двумя частицами невозможно из-за того, что она очень маленькая.
Однако в том случае, когда одновременно действует взаимное притяжение и отталкивание молекул, в которое вовлечено большое их количество, это легко заметить. С такими явлениями человек часто встречается в своей жизни.
Взаимное притяжение молекул
Твёрдые предметы способны сохранять свою цельность. Это происходит благодаря наличию притяжения между мельчайшими частицами вещества — молекулами.
В жидкостях эта связь гораздо слабее, поэтому они способны течь. Это связано с тем, что здесь расстояния между частицами увеличиваются. У газов они ещё больше. Здесь силы притяжения из-за больших расстояний фактически не действуют, позволяя веществу расширяться и заполнять весь доступный объём.
В наличии описанных сил легко убедиться, наблюдая физические явления реальной жизни.
Баланс различных сил, действующих между частицами, имеет важное значение в кристаллах.
Здесь их результатом является образование кристаллической решётки, которая имеет повторяющуюся структуру. При этом молекулы и атомы находятся в строго определённых местах.
Если разделить кусок свинца на две части и отполировать получившийся разрез до блеска, то можно наблюдать необычный эффект. Если обе части прислонить друг к другу, то они прилипнут без всяких видимых причин.
Если поднять одну часть, то другая поднимется вместе с ней. Такое соединение легко выдерживает вес до пяти килограммов. Физика объясняет, что в этом опыте демонстрируется притяжение, существующее между частицами.
Когда человек пытается разломать предмет, то он стремится преодолеть силы, которые притягивают частицы друг к другу. При этом видно, что одни предметы подвергаются воздействию легко, а строение других демонстрируют высокую прочность. Разница между ними состоит в том, что у них различная сила притяжения.
Взаимное отталкивание молекул
Связь между частицами ощущается только на очень маленьком расстоянии. Как только оно начинает значительно превосходить собственные размеры молекул, то сила притяжения резко уменьшается.
В связи с этим возникает вопрос о том, от чего возникает расстояние между ними. Если бы действовало только притяжение, то частицы находились бы вплотную друг к другу, не оставляя промежутков.
Дело в том, что существует также отталкивание. Молекулы устанавливаются на таком расстоянии, когда обе этих силы, направленные противоположно, уравновешиваются.
Можно провести опыт в классе и убедится в действии, которое производит отталкивание. Можно привести такой пример. Если смять резиновую игрушку и отпустить, то она начнёт расправляться до тех пор, пока не примет прежнее положение.
Если части сломанного предмета прислонить друг к другу, то притяжение не возникнет из-за того, что молекулы нельзя подвести на достаточно близкое расстояние, когда такая сила начинает действовать. Эту проблему обычно преодолевают двумя способами:
располагают между частями другие молекулы (например, клей);
может происходить диффузия, когда молекулы одного вещества проникают в другое;
нагревают их, увеличивая подвижность.
Притяжение может быть не только между предметами, состоящими из одного и того же вещества, но и между разными объектами и веществами. Например, если плоский кусок стекла разместить на поверхности воды, а потом поднять его. В этой ситуации заметно, что для этого придётся приложить определённую силу.
Жидкости и твердые тела
Одной из эффектных демонстраций взаимодействия частиц являются капиллярные явления. Жидкость внутри узкой трубочки естественным образом поднимается вверх, преодолевая силу тяжести без дополнительных усилий.
Это явление широко используется в технике и живой природе. Так, в человеческом теле имеется большая сеть капиллярных кровеносных сосудов, работа которой зависит от взаимодействия крови и стенок сосудов.
Нередко бывает так, что опущенное в жидкость тело после поднятия остаётся смоченным. Этот результат говорит о том, что притяжение молекул воды и тела сильнее по сравнению с тем, которое имеется у жидкости.
Иногда, выполняя такой опыт, получают другой результат. Например, парафиновая пластинка, вынутая из воды, останется сухой. В этой ситуации частицы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к пластине.
Явление смачивания или его отсутствия часто используется. Например, водоплавающие птицы, постоянно находясь в воде, тем не менее не смачиваются.
Основные выводы
Силы притяжения и отталкивания, действующие между молекулами, позволяют телам сохранять целостность, удерживая между ними определённые промежутки. Они в разных веществах могут проявляться различным образом.
В жидкостях и газах силы сцепления молекул друг с другом намного слабее, чем в твёрдых телах, а в кристаллах они создают жёсткую решётку высокой прочности.
Молекулярное строение тел
Актуализация
Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение Демокрита существует давно, однако и нынешнее учение основано на предположениях того времени.
Введение
Изучая физику в 7 классе, мы обнаружили в учебнике множество интересных экспериментов и решили провести некоторые из них. Нас очень заинтересовали эксперименты, связанные с такими явлениями как диффузия, смачиваемость, свойства газов и жидкостей.
Цель: проверить экспериментально, что все вещества состоят из молекул.
Задачи:
Гипотеза: все вещества состоят из молекул.
Основная часть
Эксперимент №1
Гипотеза: молекулы непрерывно движутся.
Приборы и материалы: два стакана с тёплой и холодной водой, кристаллики марганцовки, чайная ложка.
Ход опыта
Мы опустили в каждый стакан примерно одинаковое количество марганцовки. Мы видим, что в стакане с холодной водой марганцовка растворяется медленнее, чем в стакане с тёплой водой.
Это происходит потому, что явление диффузии протекает быстрее при более высоких температурах, так как скорость движения молекул с повышением температуры увеличивается.
Это явление мы часто встречаем в повседневной жизни. Например, когда утром готовим чай. Если вода горячая, сахар растворяется сразу. Если вода холодная, сахар нужно долго размешивать.
Это явление встречается и в природе. Осьминог, чтобы скрыться от преследования, выпускает в воду чернила, которые быстро растворяются в воде.
Эксперимент №2
Гипотеза: между молекулами есть расстояние.
Приборы и материалы: пластмассовая бутылка с водой, ёмкость для воды.
Ход опыта
Мы попытались сжать бутылку, наполненную водой. Она не поддалась.
Затем мы вылили воду и снова закрыли бутылку. Теперь мы попробовали её сжать. Она сжалась.
Это произошло из-за того, что расстояние между молекулами газа гораздо больше расстояния между молекулами воды, поэтому газы сжимаются легко, а вода практически несжимаема.
Это свойство применяется на заводах, где используется гидравлический пресс.
Эксперимент №3
Гипотеза: Между молекулами существует взаимное притяжение.
Приборы и материалы: кусок влажного мыла, стеклянная тарелка
Ход опыта
Мы сильно прижали кусок мыла, смоченного водой к тарелке и повернули его несколько раз. Перевернули тарелку и увидели, что мыло прилипло к ней и не падает.
Это объясняется тем, что между молекулами тарелки и молекулами воды, смочившей мыло. действует взаимное притяжение.
Это явление встречается в быту. Благодаря смачиваемости мы можем писать ручкой и рисовать красками, стирать одежду, мыть посуду.
Также это явление встречается и в природе. Например, если почва не смачивалась бы водой, то все растения погибли.
Выводы
Список используемой литературы: Учебник по физике Перышкина А.В. для 7 класса.