Глава 10. Резюме (Summary)¶
10.1 Межмолекулярные силы¶
Физические свойства конденсированных сред (жидкостей и твёрдых тел) можно объяснить с позиций кинетико-молекулярной теории. В жидкости силы межмолекулярного притяжения удерживают молекулы в контакте, но они всё ещё обладают достаточной кинетической энергией, чтобы перемещаться друг относительно друга.
Межмолекулярные силы притяжения, в совокупности называемые силами Ван-дер-Ваальса, ответственны за поведение жидкостей и твёрдых тел и имеют электростатическую природу. Диполь-дипольные взаимодействия возникают благодаря электростатическому притяжению частично отрицательного конца одной полярной молекулы к частично положительному концу другой. Временный диполь, возникающий из-за движения электронов в атоме, может индуцировать диполь в соседнем атоме и таким образом приводит к появлению дисперсионной силы Лондона. Лондоновские силы возрастают с увеличением размера молекулы. Водородные связи — особый тип диполь-дипольного притяжения, возникающий, когда водород соединён с одним из трёх самых электроотрицательных элементов: \(\ce{F}\), \(\ce{O}\) или \(\ce{N}\).
10.2 Свойства жидкостей¶
Межмолекулярные силы в жидкости зависят от химической природы её молекул, и это приводит к соответствующим различиям в физических свойствах. Силы когезии (притяжение между одинаковыми молекулами) обусловливают вязкость жидкости (сопротивление течению) и поверхностное натяжение (упругость поверхности жидкости). Силы адгезии (притяжение между молекулами жидкости и иной поверхности, с которой она контактирует) ответственны за такие явления, как смачивание поверхности и капиллярное поднятие.
10.3 Фазовые переходы¶
Фазовые переходы — это процессы, переводящие вещество из одного физического состояния в другое. Между тремя фазами вещества возможно шесть фазовых переходов. Плавление, испарение и сублимация — эндотермические процессы, требующие подвода теплоты для преодоления межмолекулярных притяжений. Обратные превращения — замерзание, конденсация и десублимация — экзотермические, в них теплота выделяется при возникновении или усилении межмолекулярных взаимодействий. Температуры, при которых протекают фазовые переходы, определяются относительной силой межмолекулярных притяжений и, следовательно, зависят от химической природы вещества.
10.4 Фазовые диаграммы¶
Температурно-барические условия, при которых вещество существует в твёрдом, жидком и газообразном состояниях, обобщаются на фазовой диаграмме данного вещества. Фазовая диаграмма представляет собой совмещённое изображение кривых равновесия фазовых переходов в координатах давление—температура. Точка пересечения любых трёх кривых на фазовой диаграмме соответствует тройной точке вещества — температуре и давлению, при которых три различные фазы находятся в равновесии. При давлениях ниже тройной точки твёрдое—жидкость—газ вещество не может существовать в жидком состоянии независимо от температуры. Конец кривой «жидкость—газ» соответствует критической точке вещества — давлению и температуре, выше которых жидкая фаза существовать не может.
10.5 Твёрдое состояние вещества¶
Одни вещества образуют кристаллические твёрдые тела, состоящие из частиц, расположенных в строго упорядоченной структуре; другие образуют аморфные (некристаллические) твёрдые тела, внутренняя структура которых не упорядочена. Основные типы кристаллических твёрдых тел — ионные, металлические, ковалентные каркасные и молекулярные кристаллы. Свойства разных типов кристаллов определяются типом образующих их частиц, расположением этих частиц и силами притяжения между ними. Поскольку все частицы кристалла испытывают одинаковые взаимодействия, кристаллы имеют чёткие температуры плавления; в аморфных же телах частицы испытывают целый диапазон взаимодействий, поэтому такие тела размягчаются постепенно и плавятся в некотором интервале температур. Некоторые кристаллы содержат дефекты — нарушения определённого повторяющегося порядка расположения частиц. Эти дефекты (включая вакансии, атомы или ионы вне регулярных положений и примеси) изменяют физические свойства, такие как электропроводность; это используется в кремниевых кристаллах для производства микросхем.
10.6 Структуры решёток в кристаллических телах¶
Структуры кристаллических металлов и простых ионных соединений можно описать на языке упаковки шаров. Атомы металлов могут упаковываться в структуру гексагональной плотнейшей упаковки, кубической плотнейшей упаковки, объёмноцентрированную или простую кубическую. Анионы в простых ионных структурах обычно образуют одну из этих упаковок, а катионы заполняют оставшиеся между анионами пустоты. Малые катионы обычно располагаются в тетраэдрических пустотах плотноупакованного массива анионов. Более крупные катионы обычно занимают октаэдрические пустоты. Ещё более крупные катионы могут занимать кубические пустоты в простом кубическом массиве анионов. Структуру твёрдого тела можно описать, указав размер и форму элементарной ячейки и её содержимое. Тип структуры и размеры элементарной ячейки определяют методами рентгеновской дифракции.