Kõik esemed ja asjad, mis meid igapäevaselt ümbritsevad, koosnevad erinevatest ainetest. Samas oleme harjunud esemeteks ja asjadeks pidama ainult midagi kindlat - näiteks laud, tool, tass, pastakas, raamat jne.

Kolm aine olekut

Ja vesi kraanist või kuumast teest tulev aur, me ei paista esemete ja asjadega arvestavat. Kuid lõppude lõpuks on see kõik ka osa füüsilisest maailmast, lihtsalt vedelikud ja gaasid on aine teises olekus. Niisiis, Aine olekuid on kolm: tahke, vedel ja gaasiline. Ja mis tahes aine võib olla kordamööda kõigis nendes olekutes. Kui võtame sügavkülmast välja jääkuubiku ja kuumutame selle üles, siis see sulab ja muutub veeks. Kui jätame põleti põlema, soojeneb vesi 100 kraadini ja muutub peagi auruks. Seega vaatlesime kordamööda sama ainet ehk sama molekulide kogumit aine erinevates olekutes. Aga kui molekulid jäävad samaks, mis siis muutub? Miks on jää tahke ja säilitab oma kuju, vesi võtab kergesti tassi kuju ja aur hajub täielikult erinevatesse suundadesse? See kõik on seotud molekulaarstruktuuriga.

Tahkete ainete molekulaarstruktuur on selline, et molekulid asuvad üksteisele väga lähedal (molekulide vaheline kaugus on palju väiksem kui molekulide endi suurus) ja molekule on sellises paigutuses väga raske oma kohalt liigutada. Seetõttu säilitavad tahked kehad mahu ja hoiavad oma kuju. Vedeliku molekulaarstruktuur mida iseloomustab asjaolu, et molekulide vaheline kaugus on ligikaudu võrdne molekulide endi suurusega, see tähendab, et molekulid ei ole enam nii lähedal kui tahketes ainetes. See tähendab, et neid on üksteise suhtes lihtsam liigutada (sellepärast võtavad vedelikud nii kergesti teistsuguse kuju), kuid molekulide külgetõmbejõust piisab siiski, et molekulid ei lendaks laiali ja säilitaksid oma mahu. Aga gaasi molekulaarstruktuur, vastupidi, ei lase gaasil mahtu ega kuju hoida. Põhjus on selles, et gaasimolekulide vaheline kaugus on palju suurem kui molekulide endi suurus ja vähimgi jõud on võimeline selle raputava süsteemi hävitama.

Aine teise olekusse ülemineku põhjus

Nüüd uurime, mis on aine ühest olekust teise ülemineku põhjus. Näiteks miks jääst saab kuumutamisel vesi. Vastus on lihtne: põleti soojusenergia muundatakse jäämolekulide siseenergiaks. Olles selle energia kätte saanud, hakkavad jäämolekulid üha kiiremini võnkuma ja lõpuks väljuvad naabermolekulide alluvusest. Kui lülitame kütteseadme välja, siis vesi jääbki veeks, aga kui jätame tööle, muutub vesi seal juba teadaoleval põhjusel auruks.

Tänu sellele, et tahked kehad säilitavad mahu ja kuju, seostame neid välismaailmaga. Kuid kui me vaatame tähelepanelikult, leiame, et gaasid ja vedelikud hõivavad ka olulise osa füüsilisest maailmast. Näiteks koosneb meid ümbritsev õhk gaaside segust, millest peamine, lämmastik, võib olla ka vedelik – selleks tuleb see aga jahutada temperatuurini peaaegu miinus 200 kraadi Celsiuse järgi. Kuid tavalise kallima peamist elementi - volframniiti - saab sulatada, see tähendab vedelikuks muuta, vastupidi, ainult temperatuuril 3422 kraadi Celsiuse järgi.

Vedelike molekulaarstruktuuri tunnused

Vedelik omab omaduste ja struktuuri poolest vahepealset positsiooni gaaside ja tahkete kristalsete ainete vahel. Seetõttu on sellel nii gaasiliste kui ka tahkete ainete omadused. Molekulaarkineetilises teoorias seostatakse aine erinevaid agregaatolekuid erineva molekulaarjärjestuse astmega. Tahkete ainete puhul nn pikamaa tellimus osakeste paigutuses, s.o. nende korrapärane paigutus, kordumine pikkade vahemaade tagant. Vedelikes on nn lühiajaline tellimus osakeste paigutuses, s.o. nende järjestatud paigutus, mis korduvad vahemaade tagant, on võrreldav aatomitevahelise paigutusega. Kristallumistemperatuurile lähedasel temperatuuril on vedeliku struktuur lähedane tahke aine struktuurile. Kõrgel temperatuuril, keemistemperatuuri lähedal, vastab vedeliku struktuur gaasilisele olekule – peaaegu kõik molekulid osalevad kaootilises soojusliikumises.

Vedelikel, nagu ka tahketel ainetel, on teatud maht ja nagu gaasidel, võtavad nad selle anuma kuju, milles nad asuvad. Gaasi molekulid ei ole praktiliselt omavahel seotud molekulidevahelise interaktsiooni jõududega ja sel juhul on gaasimolekulide soojusliikumise keskmine energia nendevaheliste tõmbejõudude tõttu palju suurem kui keskmine potentsiaalne energia, mistõttu gaasimolekulid hajuvad eri suundades ja gaas hõivab talle ette nähtud mahu. Tahkes ja vedelas kehas on molekulide vahelised tõmbejõud juba märkimisväärsed ja hoiavad molekule üksteisest teatud kaugusel. Sel juhul on molekulide soojusliikumise keskmine energia molekulidevahelise interaktsiooni jõudude tõttu väiksem keskmisest potentsiaalsest energiast ja sellest ei piisa molekulidevaheliste tõmbejõudude ületamiseks, seega on tahketel ja vedelikel teatud ruumala. .

Rõhk vedelikes tõuseb väga järsult temperatuuri tõustes ja mahu vähenedes. Vedelike mahupaisumine on palju väiksem kui aurudel ja gaasidel, kuna vedelikus molekule siduvad jõud on olulisemad; sama märkus kehtib soojuspaisumise kohta.

Vedelike soojusmahtuvus suureneb tavaliselt temperatuuri tõustes (kuigi veidi). C p / C V suhe on praktiliselt võrdne ühega.

Vedeliku teooria pole siiani täielikult välja töötatud. Mitmete probleemide väljatöötamine vedeliku keeruliste omaduste uurimisel kuulub Ya.I. Frenkel (1894–1952). Ta selgitas soojusliikumist vedelikus sellega, et iga molekul võngub mõnda aega teatud tasakaaluasendi ümber, misjärel hüppab uude asendisse, mis asub algsest aatomitevahelise kauguse suurusjärgus. Seega liiguvad vedeliku molekulid kogu vedeliku massis üsna aeglaselt. Vedeliku temperatuuri tõusuga suureneb võnkeliikumise sagedus järsult ja molekulide liikuvus suureneb.

Frenkeli mudeli põhjal on võimalik mõnda seletada eristavad tunnused vedeliku omadused. Seega on vedelikel, isegi kriitilise temperatuuri lähedal, palju suurem viskoossus kui gaasid ja viskoossus väheneb temperatuuri tõustes (mitte suureneb, nagu gaaside puhul). Seda seletatakse impulsi ülekandeprotsessi erineva olemusega: seda kannavad üle molekulid, mis hüppavad ühest tasakaaluolekust teise, ja need hüpped muutuvad temperatuuri tõustes palju sagedasemaks. Difusioon vedelikes toimub ainult molekulaarsete hüpete tõttu ja see toimub palju aeglasemalt kui gaasides. Soojusjuhtivus vedelikud on tingitud kineetilise energia vahetusest osakeste vahel, mis võnguvad oma tasakaaluasendi ümber erineva amplituudiga; molekulide järsud hüpped ei mängi märgatavat rolli. Soojusjuhtivuse mehhanism on sarnane selle mehhanismiga gaasides. Vedelikule iseloomulik omadus on selle võime omada vaba pind(ei ole piiratud kindlate seintega).

Vedelike molekulaarstruktuuri kohta on välja pakutud mitmeid teooriaid.

1. Tsooni mudel. Antud ajahetkel võib vedelikku käsitada piirkondadest koosnevana, kus molekulid on paigutatud õiges järjekorras, moodustades omamoodi mikrokristalli (tsooni). Need alad on justkui eraldatud gaasilises olekus oleva ainega. Aja jooksul tekivad need alad teistes kohtades jne.

2. Kvaasikristallilise struktuuri teooria. Vaatleme absoluutse nulltemperatuuri kristalli (vt joonis 9.9.)

Valime selles suvalise suuna ja joonistame gaasimolekuli leidmise tõenäosuse P sõltuvuse teatud kaugusel teisest lähtepunktis paiknevast molekulist (joonis 9.9). a), samas kui molekulid asuvad kristallvõre sõlmedes. Kõrgemal temperatuuril (joonis 9.9, b) molekulid võnguvad ümber fikseeritud tasakaaluasendi, mille läheduses nad veedavad suurema osa ajast. Tõenäosuse maksimumide kordumise range perioodilisus ideaalses kristallis ulatub valitud osakesest meelevaldselt kaugele; seetõttu on kombeks öelda, et tahkis eksisteerib "kaugemaa järjestus".

Vedeliku puhul (joon. 9.9, sisse) iga molekuli läheduses paiknevad selle naabrid enam-vähem korrapäraselt, kuid kaugemal on seda järjekorda rikutud (lühiala järjestus). Graafikul on kaugused mõõdetud molekuli raadiuse murdosades (r/r 0).

Gaaside, vedelike ja tahkete ainete struktuur.

Molekulaarkineetilise teooria põhisätted:

Kõik ained koosnevad molekulidest ja molekulid koosnevad aatomitest.

aatomid ja molekulid on pidevas liikumises,

Molekulide vahel on külgetõmbe- ja tõukejõud.

AT gaasid molekulid liiguvad juhuslikult, molekulide vahelised kaugused on suured, molekulaarjõud väikesed, gaas hõivab kogu talle ette nähtud ruumala.

AT vedelikud molekulid järjestatakse ainult väikeste vahemaade tagant ja suurte vahemaade korral rikutakse paigutuse järjekorda (sümmeetriat) - "lühiajaline järjekord". Molekulaarsed külgetõmbejõud hoiavad molekule lähestikku. Molekulide liikumine on "hüppamine" ühest stabiilsest asendist teise (tavaliselt ühe kihi sees. See liikumine seletab vedeliku voolavust. Vedelikul pole kuju, kuid on maht.

Tahked ained - ained, mis säilitavad oma kuju, jagunevad kristalliliseks ja amorfseks. kristalne tahke aine kehadel on kristallvõre, mille sõlmedes võivad olla ioonid, molekulid või aatomid.Need võnguvad stabiilsete tasakaaluasendite suhtes Kristallvõredel on kogu ruumala ulatuses korrapärane struktuur - asukoha “pikamaa järjestus”.

Amorfsed kehad säilitavad oma kuju, kuid neil puudub kristallvõre ja sellest tulenevalt ei ole neil väljendunud sulamistemperatuuri. Neid nimetatakse külmutatud vedelikeks, kuna neil, nagu vedelikel, on molekulaarne paigutus "lähedane" järjestus.

Molekulide vastasmõju jõud

Kõik aine molekulid interakteeruvad üksteisega tõmbe- ja tõukejõudude kaudu. Molekulide vastastikmõju tõestus: märgumisnähtus, vastupidavus kokkusurumisele ja venimisele, tahkete ainete ja gaaside madal kokkusurutavus jne. Molekulide vastastikmõju põhjuseks on aines olevate laetud osakeste elektromagnetilised vastasmõjud. Kuidas seda seletada? Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast ja negatiivselt laetud elektronkihist. Tuuma laeng võrdub kõigi elektronide kogulaenguga, seetõttu on aatom tervikuna elektriliselt neutraalne. Ühest või mitmest aatomist koosnev molekul on samuti elektriliselt neutraalne. Vaatleme molekulide vastastikmõju kahe liikumatu molekuli näitel. Looduses võivad kehade vahel esineda gravitatsiooni- ja elektromagnetjõud. Kuna molekulide massid on äärmiselt väikesed, võib molekulidevahelise gravitatsioonilise interaktsiooni tühiseid jõude ignoreerida. Väga suurte vahemaade korral ei toimu ka molekulide vahel elektromagnetilist vastasmõju. Kuid molekulide vahelise kauguse vähenemisega hakkavad molekulid orienteeruma nii, et nende üksteise vastas olevatel külgedel on erineva märgiga laengud (üldiselt jäävad molekulid neutraalseks) ja molekulide vahel tekivad tõmbejõud. Molekulide vahelise kauguse veelgi suurema vähenemisega tekivad molekulide aatomite negatiivselt laetud elektronkestade vastastikmõju tulemusena tõukejõud. Selle tulemusena mõjutab molekuli külgetõmbe- ja tõukejõudude summa. Suurtel vahemaadel domineerib tõmbejõud (2-3 molekuli läbimõõdu kaugusel on tõmbejõud maksimaalne), lühikestel vahemaadel tõukejõud. Molekulide vahel on selline vahemaa, mille juures tõmbejõud võrdsustuvad tõukejõududega. Seda molekulide positsiooni nimetatakse stabiilse tasakaalu positsiooniks. Üksteisest kaugel asuvatel ja elektromagnetiliste jõududega ühendatud molekulidel on potentsiaalne energia. Stabiilse tasakaalu asendis on molekulide potentsiaalne energia minimaalne. Aines interakteerub iga molekul samaaegselt paljude naabermolekulidega, mis mõjutab ka molekulide minimaalse potentsiaalse energia väärtust. Lisaks on kõik aine molekulid pidevas liikumises, s.t. omavad kineetilist energiat. Seega määratakse aine struktuur ja selle omadused (tahked, vedelad ja gaasilised kehad) molekulide interaktsiooni minimaalse potentsiaalse energia ja molekulide soojusliikumise kineetilise energia suhtega.

Tahkete, vedelate ja gaasiliste kehade ehitus ja omadused

Kehade ehitust seletatakse kehaosakeste vastasmõju ja nende soojusliikumise olemusega.

Tahke

Tahked ained on püsiva kuju ja mahuga ning praktiliselt kokkusurumatud. Molekulide interaktsiooni minimaalne potentsiaalne energia on suurem kui molekulide kineetiline energia. Osakeste tugev interaktsioon. Molekulide soojusliikumine tahkes aines väljendub ainult osakeste (aatomite, molekulide) võnkumises stabiilse tasakaalu asendi ümber.

Suurte külgetõmbejõudude tõttu ei saa molekulid praktiliselt muuta oma asukohta aines, mis seletab tahkete ainete mahu ja kuju muutumatust. Enamikul tahketel ainetel on ruumiliselt järjestatud osakeste paigutus, mis moodustavad korrapärase kristallvõre. Aine osakesed (aatomid, molekulid, ioonid) paiknevad tippudes – kristallvõre sõlmedes. Kristallvõre sõlmed langevad kokku osakeste stabiilse tasakaalu positsiooniga. Selliseid tahkeid aineid nimetatakse kristalseks.

Vedelik

Vedelikel on teatud maht, kuid neil pole oma kuju, nad võtavad selle anuma kuju, milles nad asuvad. Molekulide interaktsiooni minimaalne potentsiaalne energia on võrreldav molekulide kineetilise energiaga. Nõrk osakeste interaktsioon. Molekulide soojusliikumist vedelikus väljendatakse võnkumistena stabiilse tasakaalu asendi ümber ruumala piires, mille molekulile annavad selle naabrid. Molekulid ei saa vabalt liikuda kogu aine mahu ulatuses, kuid molekulide üleminekud naaberkohtadesse on võimalikud. See seletab vedeliku voolavust, võimet muuta selle kuju.

Vedelikes on molekulid üksteisega üsna tugevalt seotud tõmbejõududega, mis seletab vedeliku ruumala muutumatust. Vedelikus on molekulide vaheline kaugus ligikaudu võrdne molekuli läbimõõduga. Molekulide vahelise kauguse vähenemisega (vedeliku kokkusurumisel) suurenevad tõukejõud järsult, mistõttu vedelikud on kokkusurumatud. Oma struktuuri ja soojusliikumise olemuse poolest on vedelikud tahkete ainete ja gaaside vahel. Kuigi vedeliku ja gaasi erinevus on palju suurem kui vedeliku ja tahke aine vahel. Näiteks sulamise või kristalliseerumise käigus muutub keha maht kordades vähem kui aurustumisel või kondenseerumisel.

Gaasidel ei ole konstantset mahtu ja need hõivavad kogu anuma mahu, milles nad asuvad. Molekulide interaktsiooni minimaalne potentsiaalne energia on väiksem kui molekulide kineetiline energia. Aineosakesed praktiliselt ei interakteeru. Gaase iseloomustab täielik häire molekulide paigutuses ja liikumises.

Gaasi molekulide vaheline kaugus on mitu korda suurem kui molekulide suurus. Väikesed tõmbejõud ei suuda molekule üksteise lähedal hoida, seega võivad gaasid lõpmatuseni paisuda. Gaasid surutakse kergesti kokku välise rõhu toimel, kuna. molekulide vahelised kaugused on suured ja vastasmõju jõud on tühine. Gaasi rõhk anuma seintele tekib liikuvate gaasimolekulide mõjul.

Esiteks tuleb veel kord rõhutada, et gaas, vedel ja tahke aine on aine agregeeritud olekud ja selles mõttes pole nende vahel ületamatut erinevust: iga aine võib olenevalt temperatuurist ja rõhust olla mis tahes agregeeritud olekus. . Siiski on gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade vahel olulisi erinevusi. Kuna tahketel ja vedelikel on palju ühiseid omadusi, on otstarbekas käsitleda neid kahte agregatsiooni olekut meie kursuses koos.

Peamine erinevus ühelt poolt gaasi ning teiselt poolt tahkete ja vedelate kehade vahel seisneb selles, et gaas hõivab kogu talle antud anuma mahu, samas kui anumasse asetatud vedelik või tahke aine võtab enda alla ainult ühe väga kindel maht selles. Selle põhjuseks on gaaside ning tahkete ja vedelate kehade soojusliikumise olemuse erinevus.

Gaasi molekulid ei ole praktiliselt omavahel seotud molekulidevaheliste jõududega (vt §35). Igal juhul on gaasimolekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia nendevaheliste adhesioonijõudude tõttu palju suurem keskmisest potentsiaalsest energiast Seetõttu teevad gaasimolekulid suhteliselt suuri vabu teid, "hajudes" üksteisest nii kaugele. nii nagu anuma suurus lubab ja hõivab kogu selle mahu. Vastavalt sellele toimub difusioon gaasides üsna kiiresti.

Tahkes ja vedelas kehas mängivad juba olulist rolli molekulide (aatomite, ioonide) vahelised sidusjõud, mis hoiavad neid üksteisest teatud kaugusel (vt § 35, joon. 67, a). Nendes kehades on molekulidevahelisest adhesioonijõududest tulenev keskmine potentsiaalne energia suurem kui molekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia ehk keskmiselt ei piisa molekulide kineetilisest energiast tõmbejõudude ületamiseks. nende vahel.

Molekulide tiheda “pakkimise” tõttu vedelikku ei tee need enam vabu radu, vaid pigem “tõukuvad” paigale (võnguvad teatud tasakaaluasendi ümber). Ainult aeg-ajalt saab molekul tänu kokkupõrgete soodsale kombinatsioonile liikuda uude kohta molekuli enda suurusega võrreldavale kaugusele. Loomulikult toimub difusioon vedelikes palju aeglasemalt kui gaasides.

Tahkes kehas paiknevad osakesed (molekulid, aatomid, ioonid) geomeetriliselt rangelt määratletud järjekorras, moodustades nn kristallvõre. Osakesed võnguvad oma tasakaaluasendi ümber. Tahkes aines on osakeste üleminekud ühest kohast teise võimalikud, kuid väga harvad. Seetõttu, kuigi difusioon eksisteerib ka tahketes ainetes, kulgeb see siin veelgi aeglasemalt kui vedelikes.

Aine tahke, vedela ja gaasilise oleku erinevuse füüsikalist olemust saab veelgi selgemalt selgitada molekulide vastastikmõju potentsiaalse kõvera abil, mida kohtasime juba §-s 35 (vt. joon. 67, b). . Reprodutseerime selle kõvera mõningate täiendustega (joonis 93).

Molekulide interaktsiooni potentsiaalse energia väärtused kantakse piki ordinaattelge ja molekulide vahelised kaugused piki abstsisstellge. Molekulide soojusliikumise keskmise kineetilise energia väärtused lükatakse võrdluse hõlbustamiseks potentsiaalikaevu põhja B tasemelt edasi.

Kui molekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia on palju väiksem kui potentsiaalikaevu sügavus, siis molekulid teevad väikseid võnkumisi, jäädes potentsiaalikaevu alumisse ossa (tasemest allapoole) See juhtum vastab tahkele. aine olek.

Kui molekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia on veidi väiksem kui potentsiaalikaevu sügavus, siis molekulid teevad olulisi võnkuvaid liikumisi, kuid kõik jäävad potentsiaalikaevu piiresse. See juhtum vastab aine vedelale olekule.

Kui molekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia on palju suurem kui potentsiaalikaevu sügavus, siis molekulid murduvad sellest välja ja suhte kaotanuna liiguvad vabalt (teeb vabajooksu). See juhtum vastab aine gaasilisele olekule.

Seega on oluline erinevus ühelt poolt gaasi ning teiselt poolt tahkete ja vedelate kehade vahel tingitud asjaolust, et gaasimolekulide puhul on soojusliikumise keskmise kineetilise energia väärtus suurem kui selle sügavus. potentsiaalikaevu ning tahkete ja vedelate kehade molekulide puhul on see väiksem kui potentsiaalikaevu sügavus.

Kuna tahke aine molekulid on üksteisega tugevamalt seotud kui vedeliku molekulid, iseloomustab tahket ainet erinevalt vedelikust mitte ainult mahu, vaid ka kuju püsivus. Vaatleme üksikasjalikumalt tahke aine kristallstruktuuri küsimust.

Kristalli iseloomulikuks väliseks tunnuseks on geomeetriliselt korrapärane kuju (joon. 94). Nii on näiteks soolakristallil kuubiku kuju (a), jääkristallil kuusnurkse prisma kuju, teemantkristallil oktaeedri kuju (oktaeedri, c) jne. Iga kristalse aine kohta , on selle piirnevate pindade (pindade) vaheline nurk rangelt

teatud väärtus (lauasoola puhul - 90 °, jää puhul - 120 ° jne). Kristallid lõhustuvad kergesti mööda teatud tasapindu, mida nimetatakse lõhustamistasanditeks. Selle tulemuseks on väiksemad kristallid, kuid sama kuju. Niisiis tekivad lauasoola kristalli purustamisel väikesed kuubikud ja ristkülikukujulised rööptahukad.

Märgitud faktid viisid kunagi mõttele, et kristallkeha on üles ehitatud elementaarrakkudest (kuubikud ehk kuusnurksed prismad või oktaeedrid jne, mis on üksteisega tihedalt seotud. Ja see tähendab, et kristallilises kehas olevad osakesed (molekulid või aatomid, või ioonid) paiknevad üksteise suhtes rangelt sümmeetrilises järjekorras, moodustades ruumilise ehk kristallilise võre; osakeste asukohti nimetatakse võresõlmedeks.

Selle hüpoteesi esitas 1848. aastal prantsuse kristallograaf Bravais.

Lihtsaima ruumilise võre näide on naatriumkloriidi kristallvõre (joon. 95, a). Selle ühikrakk servaga a (joonisel rasvaste joontega esile tõstetud) on moodustatud kuubi tippudes paiknevatest positiivsetest naatriumioonidest ja negatiivsetest kloriidioonidest.

Ruumivõrede vorme saab varieerida, kuid mitte ükskõik millist: on vaja, et võre moodustavad elementaarrakud oleksid üksteisele tihedalt ilma tühikuteta rakendatud, mis vastab võre minimaalsele potentsiaalsele energiale. Vajalikul viisil on võimalik paigutada näiteks kuupelemente ja rakke kuusnurksete prismade kujul (joon. 95, b ja c), kuid lahtreid on võimatu paigutada viietahuliste prismade kujul ( joonis 95, d).

1890. aastal arvutas E. S. Fedorov teoreetiliselt kõik võimalikud kristallvõrede vormid, mille rakud võimaldavad tihedat pakkimist, ja leidis, et looduses võib eksisteerida vaid 230 erinevat tüüpi kristallvõre, mis moodustavad 32 sümmeetriaklassi. Käesoleval sajandil läbi viidud kristallide röntgenuuringud (vt § 125) on kinnitanud, et kristallid koosnevad sümmeetriliselt paiknevatest osakestest (aatomitest või molekulidest või ioonidest), mis moodustavad kristallvõre. Veelgi enam, suure hulga looduslike ja tehiskristallide röntgendifraktsioonianalüüs näitas ainult 230 erinevat tüüpi kristallvõre - see on täielik vastavus E. S. Fedorovi teoreetiliste arvutustega.

Osakeste paigutuse sümmeetria kristallvõres on tingitud sellest, et sel juhul on osakeste vastasmõju (tõmbe- ja tõukejõud) tasakaalus (vt § 35). Sel juhul on osakeste potentsiaalne energia minimaalne.

Kristalli osakeste vahelised kaugused on väikesed, osakeste endi suuruse järgi. Vedeliku molekulide vaheline kaugus on samas suurusjärgus, kuna teadupärast ei suurene kristalli sulamise ajal selle maht oluliselt.

Kristalli tähelepanuväärne omadus on selle anisotroopsus; erinevates suundades on kristallil erinevad füüsikalised omadused. Nii näiteks on eranditult kõigil kristallidel tugevusanisotroopia; valdav enamus kristalle on soojusjuhtivuse, elektrijuhtivuse, murdumise jms osas anisotroopsed. Kristallide anisotroopsust seletatakse peamiselt asjaoluga, et ruumivõres on samade segmentidele langevate osakeste arv erinev. pikkus, kuid erinev suund, nagu on näidatud joonisel fig. 96 (resti horisontaalsel segmendil on 8 osakest, kaldus 6 osakest ja teisel kaldus 3 osakest). On selge, et kristallvõre osakeste eri suundades paiknemise tiheduse erinevus peaks kaasa tooma ka paljude muude omaduste erinevuse kristalli nendes suundades.

Kristalne olek on looduses väga levinud: enamik tahkeid aineid (mineraalid, metallid, taimsed kiud, valgud, tahm, kumm jne) on kristallid. Siiski ei ole kõigil neil kehadel samad selgelt väljendatud kristalsed omadused, mida käsitleti varem. Sellega seoses jagunevad kehad kahte rühma: monokristallid ja polükristallid. Monokristall – keha, mille kõik osakesed mahuvad ühte ühisesse ruumivõre. Üksikkristall on anisotroopne. üksikud kristallid

on suurem osa mineraalidest. Polükristall - keha, mis koosneb paljudest väikestest üksikkristallidest, mis on üksteise suhtes juhuslikult paigutatud. Seetõttu on polükristallid isotroopsed, see tähendab, et neil on igas suunas samad füüsikalised omadused. Metallid on polükristallide näited. Kuid metalli võib saada ka üksikkristallina, kui sulat aeglaselt jahutada, viies sellesse esmalt selle metalli ühe kristalli (nn. tuum). Selle tuuma ümber kasvab metallist monokristall.

Sõltuvalt sellest, millistest osakestest kristallvõre moodustub, on võre neli põhirühma: ioonsed, aatom-, molekulaarsed ja metallilised.

Ioonvõre moodustavad vastupidiselt laetud ioonid, mida elektrijõud hoiavad võre sõlmedes. Enamikul kristallidest on ioonvõre.

Aatomvõre moodustavad neutraalsed aatomid, mida hoiavad võrekohtades keemilised (valents)sidemed: naaberaatomitel on ühised välised (valents)elektronid. Grafiidil on näiteks aatomvõre.

Molekulaarvõre moodustavad polaarsed (dipool) molekulid (vt § 81), mida samuti hoiavad võrekohtades elektrijõud. Polaarsete molekulide puhul on nende jõudude mõju aga nõrgem kui ioonidel. Seetõttu deformeeruvad molekulaarvõrega ained suhteliselt kergesti. Enamikul orgaanilistel ühenditel (tselluloos, kumm, parafiin jne) on molekulaarne kristallvõre.

Metallvõre moodustavad positiivsed metalliioonid, mida ümbritsevad vabad elektronid. Need elektronid seovad omavahel metallvõre ioone. Selline võre on iseloomulik metallidele.

Kaasaegne füüsika peab kristallilisi kehasid tahketeks kehadeks. Nagu juba märgitud, iseloomustab vedelikke osakeste juhuslik paigutus, seetõttu on vedelikud isotroopsed. Mõned vedelikud võivad olla tugevalt ülejahutatud, ilma et need muutuksid tahkeks (kristalseks) olekuks. Selliste vedelike viskoossus on aga nii tohutu, et nad kaotavad praktiliselt oma voolavuse, säilitades sarnaselt tahketele ainetele oma kuju. Selliseid kehasid nimetatakse amorfseteks. Seega käsitleb kaasaegne füüsika amorfseid kehasid tohutu viskoossusega ülejahutatud vedelikena. Amorfsete kehade hulka kuuluvad näiteks pigi, klaas, vaik-kampol jne. On selge, et amorfsed kehad on isotroopsed. Siiski tuleb meeles pidada, et amorfsed kehad võivad aja jooksul (pika aja jooksul) minna kristallilisse olekusse. Näiteks klaasis tekivad aja jooksul kristallid: see hakkab hägunema, muutudes polükristalliliseks kehaks.

Viimasel ajal on tehnoloogias laialt levinud orgaanilised amorfsed ained, mille üksikud molekulid

keemiliste (valents)sidemete tõttu ühinevad nad omavahel (polümeriseeruvad) pikkadeks ahelateks, mis koosnevad mõnel juhul paljudest tuhandetest üksikutest molekulidest. Selliseid aineid nimetatakse polümeerideks.Tüüpilised polümeeri esindajad on plastid. Polümeeride väga väärtuslik omadus on nende kõrge elastsus ja tugevus. Näiteks mõned polümeerid taluvad oma esialgsest pikkusest 2–5 korda suuremat elastset venitust. Need polümeeri omadused on seletatavad asjaoluga, et pikki molekulaarseid ahelaid saab deformatsiooni käigus voltida tihedateks pallideks või vastupidi, venitada sirgjoonteks. Praegu kasutatakse looduslikke ja tehislikke orgaanilisi ühendeid mitmesuguste etteantud omadustega polümeeride loomiseks.

Kogu elutu aine koosneb osakestest, mille käitumine võib erineda. Gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade struktuuril on oma omadused. Tahkete ainete osakesi hoitakse koos, kuna need on üksteisele väga lähedal, mis muudab need väga tugevaks. Lisaks võivad nad säilitada teatud kuju, kuna nende väikseimad osakesed praktiliselt ei liigu, vaid ainult vibreerivad. Vedelikes olevad molekulid on üksteisele üsna lähedal, kuid võivad vabalt liikuda, mistõttu neil ei ole oma kuju. Gaaside osakesed liiguvad väga kiiresti ja nende ümber on tavaliselt palju ruumi, mis viitab sellele, et need on kergesti kokku surutavad.

Tahkete ainete omadused ja struktuur

Milline on tahkete ainete struktuur ja struktuuri tunnused? Need koosnevad osakestest, mis on üksteisele väga lähedal. Nad ei saa liikuda ja seetõttu jääb nende kuju fikseerituks. Millised on tahke keha omadused? See ei kahane, kuid kuumutamisel suureneb selle maht temperatuuri tõustes. Seda seetõttu, et osakesed hakkavad vibreerima ja liikuma, mis viib tiheduse vähenemiseni.

Tahkete ainete üks omadusi on see, et neil on kindel kuju. Tahke aine kuumutamisel suureneb osakeste liikumine. Kiiremini liikuvad osakesed põrkuvad ägedamalt, pannes iga osakese oma naabreid suruma. Seetõttu põhjustab temperatuuri tõus tavaliselt keha tugevuse suurenemist.

Tahkete ainete kristallstruktuur

Molekulidevahelised interaktsioonijõud tahke aine külgnevate molekulide vahel on piisavalt tugevad, et hoida neid fikseeritud asendis. Kui need väikseimad osakesed on väga järjestatud konfiguratsioonis, nimetatakse selliseid struktuure tavaliselt kristalseteks. Elemendi või ühendi osakeste (aatomite, ioonide, molekulide) sisemise järjestamisega tegeleb eriteadus - kristallograafia.

Erilist huvi pakub ka tahke olek. Uurides osakeste käitumist ja nende valmistamist, saavad keemikud selgitada ja ennustada, kuidas teatud tüüpi materjalid teatud tingimustes käituvad. Tahke keha väikseimad osakesed on paigutatud võre kujul. See on osakeste nn regulaarne paigutus, kus nendevahelised erinevad keemilised sidemed mängivad olulist rolli.

Tahke keha ehituse ribateooria käsitleb seda aatomite kogumina, millest igaüks omakorda koosneb tuumast ja elektronidest. Kristallstruktuuris paiknevad aatomite tuumad kristallvõre sõlmedes, mida iseloomustab teatud ruumiline perioodilisus.

Mis on vedeliku struktuur?

Tahkete ainete ja vedelike struktuur on sarnane selle poolest, et osakesed, millest need koosnevad, on üksteisest väga lähedal. Erinevus seisneb selles, et molekulid liiguvad vabalt, kuna nendevaheline tõmbejõud on palju nõrgem kui tahkis.

Millised on vedeliku omadused? Esiteks on see voolavus ja teiseks võtab vedelik selle anuma kuju, kuhu see asetatakse. Kui seda kuumutatakse, suureneb helitugevus. Osakeste läheduse tõttu üksteisele ei saa vedelikku kokku suruda.

Milline on gaasiliste kehade ehitus ja ehitus?

Gaasiosakesed asetsevad juhuslikult, nad on üksteisest nii kaugel, et nende vahel ei saa olla tõmbejõudu. Millised omadused on gaasil ja milline on gaasiliste kehade ehitus? Reeglina täidab gaas ühtlaselt kogu ruumi, kuhu see asetati. See surub kergesti kokku. Gaasilise keha osakeste kiirus suureneb temperatuuri tõustes. Samal ajal on ka rõhu tõus.

Gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade struktuuri iseloomustavad erinevad kaugused nende ainete väikseimate osakeste vahel. Gaasi osakesed on üksteisest palju kaugemal kui tahkes või vedelas olekus. Näiteks õhus on osakeste keskmine kaugus umbes kümme korda suurem iga osakese läbimõõdust. Seega moodustab molekulide maht ainult umbes 0,1% kogumahust. Ülejäänud 99,9% on tühi ruum. Seevastu vedelikuosakesed täidavad umbes 70% vedeliku kogumahust.

Iga gaasiosake liigub vabalt mööda sirget rada, kuni põrkub teise osakesega (gaas, vedel või tahke aine). Osakesed liiguvad tavaliselt piisavalt kiiresti, et pärast kahe kokkupõrget põrkuvad nad üksteiselt tagasi ja jätkavad oma teed üksi. Need kokkupõrked muudavad suunda ja kiirust. Need gaasiosakeste omadused võimaldavad gaasidel laieneda, et täita mis tahes kuju või mahtu.

Riigi muutus

Gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade struktuur võib muutuda, kui neile avaldatakse teatud välismõju. Need võivad teatud tingimustel, näiteks soojendamise või jahutamise ajal, isegi muutuda üksteise olekutesse.

• Aurustumine. Vedelate kehade struktuur ja omadused võimaldavad neil teatud tingimustel minna täiesti erinevasse füüsikalisse olekusse. Näiteks kui te autot tankides kogemata bensiini maha valate, tunnete kiiresti selle teravat lõhna. Kuidas see juhtub? Osakesed liiguvad kogu vedelikus, mille tulemusena jõuab teatud osa neist pinnale. Nende suunatud liikumine võib viia need molekulid pinnalt ja vedeliku kohal olevasse ruumi, kuid külgetõmme tõmbab need tagasi. Teisest küljest, kui osake liigub väga kiiresti, võib see teistest korraliku vahemaa võrra eemalduda. Seega toimub osakeste kiiruse suurenemisega, mis tavaliselt toimub kuumutamisel, aurustumisprotsess, st vedeliku muundumine gaasiks.

Kehade käitumine erinevates füüsikalistes olekutes

Gaaside, vedelike, tahkete ainete struktuur tuleneb peamiselt sellest, et kõik need ained koosnevad aatomitest, molekulidest või ioonidest, kuid nende osakeste käitumine võib olla täiesti erinev. Gaasiosakesed on üksteisest kaootiliselt kaugel, vedelad molekulid on üksteise lähedal, kuid need pole nii jäiga struktuuriga kui tahkes olekus. Gaasiosakesed vibreerivad ja liiguvad suurel kiirusel. Vedeliku aatomid ja molekulid vibreerivad, liiguvad ja libisevad üksteisest mööda. Ka tahke keha osakesed võivad vibreerida, kuid liikumine kui selline pole neile omane.

Sisemise struktuuri omadused

Aine käitumise mõistmiseks tuleb kõigepealt uurida selle sisemise struktuuri tunnuseid. Millised on sisemised erinevused graniidi, oliiviõli ja heeliumi vahel õhupallis? Sellele küsimusele aitab vastata lihtne aine struktuuri mudel.

Mudel on reaalse objekti või aine lihtsustatud versioon. Näiteks enne tegeliku ehituse algust koostavad arhitektid esmalt näidisehitusprojekti. Selline lihtsustatud mudel ei tähenda tingimata täpset kirjeldust, kuid samal ajal võib see anda ligikaudse ettekujutuse, milline see või teine ​​struktuur olema saab.

Lihtsustatud mudelid

Teaduses ei ole aga füüsilised kehad alati mudelid. Eelmisel sajandil on inimeste arusaam füüsilisest maailmast märgatavalt kasvanud. Suur osa kogutud teadmistest ja kogemustest põhineb aga äärmiselt keerukatel esitustel, näiteks matemaatiliste, keemiliste ja füüsikaliste valemite kujul.

Et seda kõike mõista, pead nendes täppis- ja keerulistes teadustes üsna hästi kursis olema. Teadlased on välja töötanud lihtsustatud mudelid füüsikaliste nähtuste visualiseerimiseks, selgitamiseks ja ennustamiseks. Kõik see lihtsustab oluliselt arusaamist, miks mõnel kehal on teatud temperatuuril konstantne kuju ja maht, teised aga võivad neid muuta jne.

Kogu aine koosneb pisikestest osakestest. Need osakesed on pidevas liikumises. Liikumise maht on seotud temperatuuriga. Temperatuuri tõus näitab liikumiskiiruse suurenemist. Gaasiliste, vedelate ja tahkete kehade ehitust eristab nende osakeste liikumisvabadus, samuti see, kui tugevalt osakesed üksteise külge tõmbavad. Füüsiline oleneb tema füüsilisest seisundist. Veeaurul, vedelal veel ja jääl on samad keemilised omadused, kuid nende füüsikalised omadused on tohutult erinevad.