Кристалізація аморфних тіл.

З часом деякі аморфні речовини мимоволі переходять в кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, полишені в теплому місці, через декілька місяців стають непрозорими. Говорять, що мед і льодяники "зацукрувалися". Розламавши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристали цукру. Самовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є стійкішим, ніж аморфне. МКТ пояснює це так. Міжмолекулярні сили притягання-відштовхування примушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж раніше розташування часток, тобто утворюється полікристал.

Будова рідин

Припустимо, що перед вами знаходиться баночка з невідомою прозорою речовиною. Як дізнатися, що в ній знаходиться: рідина або тверде тіло? Дуже просто: потрібно узяти баночку в руки і нахилити. Якщо речовина почне текти, значить, це рідина.

Отже, відмітною ознакою рідини є текучість - здатність змінювати форму за малий час під дією навіть малої сили. Завдяки цій властивості усі рідини ллються у вигляді струменів, розбризкуються краплями, набувають форми тієї посудини, в яку їх наллють.

Рисунок 2.16. Рисунок 2.17.

Здатність змінювати форму у різних рідин виражена по-різному. На рисунку 2.16 в лівій склянці знаходиться вода, а в правому мед. Під дією однієї і тієї ж сили (сили тяжіння) меду потрібно більше часу, щоб змінити свою форму, ніж воді.

Говорять, що ці речовини мають неоднакову в'язкість: у меду вона більша, ніж у води.

Проте, змінюючи форму, рідина не змінює свого об'єму. Погляньте на рисунок 2.17. Вода, що знаходилася в мензурці, мала форму циліндра і об'єм 300 мл. Після переливання в чашу рідина набула конусоподібної форми, але зберегла колишній об'єм 300 мл. Властивість рідини зберігати об'єм інакше називають пружністю рідини.

Ще однією загальною властивістю усіх рідин є їх здатність передавати на всі боки чинений на них тиск (закон Паскаля). Менш в'язкі рідини роблять це швидко, а в'язкі - довго. Тиск, який передається на спирт або воду, швидко пошириться навіть на велику відстань. А тиск, який передається на густе масло або мед, поширюватиметься набагато повільніше.

Будова рідин.У молекулярно-кінетичній теорії вважається, що в рідинах, як і в аморфних тілах, немає строгого порядку в розташуванні молекул; у різних частинах тіла вони розташовані неоднаково щільно. Тому міжмолекулярні проміжки мають різні розміри, у тому числі і такі, що туди може поміститися ще одна молекула. Це дозволяє часткам перескакувати в довколишні "дірки". Такі перескоки молекул в рідинах відбуваються дуже часто: декілька мільярдів разів в секунду.

Якщо на рідину подіє яка-небудь зовнішня сила, наприклад, сила тяжіння, перескоки часток відбуватимуться, в основному, у напрямі її дії (тобто вниз). Це приведе до того, що рідина набуде форми краплі, що витягується, або струменя (рис 2.18), що ллється. Отже, текучість рідин пояснюється частими перескоками молекул з одного стійкого положення в інше. У в'язких рідинах, наприклад, меді, перескоки молекул з одного стійкого положення в інше відбуваються значно рідше, ніж, наприклад, у воді або спирті. Тому під дією зовнішньої сили в'язка рідина повільніше змінюватиме свою форму; на це їй буде потрібно більше часу. Проте, будь-які перескоки часток (часті або рідкісні) обумовлюють передачу рідинами тиску у всіх напрямках (закон Паскаля).

Перескоки молекул рідин відбуваються часто, проте приблизно в 100 разів частіше молекули здійснюють коливання в місці свого останнього перескоку. В цей час вони безперервно ударяються одна з одною, тому навіть мале стискування рідини призводить до різкої протидії зі сторони рідини.

Рисунок 2.18. Рисунок 2.19.

Приклад ближнього порядку молекул рідини і дальнього порядку молекул кристалічної речовини : 1 - вода; 2 - лід.

Це означає різке підвищення тиску рідини на стінки посудини, в якій її стискують. Іншими словами, рідина чинитиме сильний опір стискуванню. Цим і пояснюється пружність рідини. У рідинах молекули мають значно більшу свободу для теплового руху. Вони не прив'язані до певних центрів і можуть переміщатися по усьому об’єму рідини. Цим пояснюється текучість рідин. Близько розташовані молекули рідини також можуть утворювати впорядковані структури з декількох молекул. Це явище називається ближнім порядком на відміну від дальнього порядку, характерного для кристалічних тіл (рис 2.19).

Питання.

1. У чому відмінність моно- і полікристалів?

2. Опишіть будову монокристала.

3. Які бувають дефекти кристалів?

4. Що таке кристалічна гратка?

5. Охарактеризуйте рух часток в кристалах.

6. Як виявити відмінність між кристалічними і аморфними тілами.

7. Охарактеризуйте будову аморфних тіл.

8. Про що свідчить самовільна кристалізація аморфних тіл?

9. Чому ми говоримо, що вода і мед мають різну в'язкість?

10. Опишіть мікроскопічну будову рідин.

11. Охарактеризуйте рух часток рідини.

12. Як МКТ пояснює пружність рідини?

Газоподібні тіла

У природі існує величезна кількість газів: водень, кисень, вуглекислий газ, водяна пара, пари ртуті, азот, озон, хлор і так далі. Усі вони дуже різні. Водень легкий, а вуглекислий газ - важкий; азот не пахне, а озон - "щипає" ніс; водяні пари нешкідливі, а пари ртуті - отруйні; повітря безбарвне, а хлор має жовто-зелений колір. Проте усі без виключення гази мають одну загальну властивість: вони легко стискуються.

Рисунок 2.20а. Рисунок 2.20б.

На відміну від рідин і твердих тіл, гази можна стискувати дуже сильно: в 100 і більше разів. Чому ж це можливо?

Будова газоподібних тіл.В молекулярно-кінетичній теорії встановлено, що при тисках газу, близьких до атмосферного, відстані між молекулами газу у багато разів більші розмірів самих часток. Це схематично показано на рисунку 2.20а. Але якщо газ стискувати, тобто збільшити його тиск, то міжмолекулярні проміжки зменшуються. Це показано на рисунку 2.20б.

Згадаємо, що в газах дифузія протікає набагато швидше, ніж в рідких і твердих тілах. Значить, молекули газів вільно переміщаються в просторі. Це може бути лише у тому випадку, якщо кінетична енергія руху часток газу значно більша потенціальної енергії їх притягання одна до одної. Перевага кінетичної енергії молекул газу над їх потенціальною енергією якраз і означає, що молекули газу практично вільно літають на всіх напрямках. Тому, наприклад, неможливо заповнити газом половину посудини: літаючи у всіляких напрямах, молекули незабаром рівномірно розподіляться по усьому об’єму посудини.

Тиск газу.На рисунку 2.21 зображено дві посудини: ліва - з рідиною, а права - з газом. Кожна посудина забезпечена трьома манометрами: поблизу дна, в середній частині посудини і поблизу горловини. Усі манометри посудини з газом показують однакові тиски, а манометри посудини з рідиною - зростаючі значення у міру просування від горловини до дна. Чому?

Рисунок 2.21. Рисунок 2.22.

Рідина давить на дно і стінки посудини тому, що на неї діє сила тяжіння. Частки рідини, притягуючись до Землі, придавлюють одна одну. Здійснюючи коливання, частки "бомбардують" дно і стінки посудини. Образно виражаючись, таке "підневільне бомбардування" і є тиск рідини. Саме тому тиск рідини зростає у міру опускання до дна посудини.

Тиск, що створюється газом, має принципово інше походження. На молекули газу теж діє сила тяжіння, проте вони не придавлюють одна одну, оскільки вільно літають у всіх напрямках усередині посудини. Частки постійно ударяються одна з одною і із стінками посудини. Образно кажучи, тиск газу - це вже "волелюбне бомбардування" (рис 2.22).

Встановлено, що при збільшенні температури тиск газу зростає. Молекулярно-кінетична теорія пояснює цей факт так. Підвищення температури призводить до збільшення швидкості руху часток газу. Тому "бомбардування" частками стінок посудини посилюється, що і означає зростання тиску газу. Подібно до рідин, гази теж передають на всі боки чинений на них тиск (закон Паскаля).

Рисунок 2.23 ілюструє відмінність газоподібної речовини від рідини на прикладі води. Молекула води H₂O складається з одного атома кисню і двох атомів водню, розташованих під кутом 104°. Середня відстань між молекулами пари в десятки разів перевищує середню відстань між молекулами води.

Рисунок 2. 23.

Водяна пара (1) і вода (2). Молекули води збільшені приблизно в 5·10⁷ разів.

У газах відстані між молекулами значно більша їх розмірів. Сили взаємодії між молекулами на таких великих відстанях малі, і кожна молекула рухається уздовж прямої лінії до чергового зіткнення з іншою молекулою або із стінкою посудини (рис 2.22) Середня відстань між молекулами повітря за нормальних умов порядку 10^-8м, тобто в десятки разів перевищує розмір молекул. Слабку взаємодію між молекулами пояснює здатність газів розширюватися і заповнювати увесь об'єм посудини. У межі, коли взаємодія прагне до нуля, ми приходимо до уявлення про ідеальний газ.

Питання:

1. Як МКТ пояснює хорошу стисливість газів?

2. Охарактеризуй мікроскопічну будову газів.

3. У чому відмінність тисків, що створюються рідиною і газом?

4. Як МКТ пояснює збільшення тиску газу при підвищенні його температури?

Тема 6