כל החפצים והדברים שמקיפים אותנו כל יום מורכבים מחומרים שונים. יחד עם זאת, אנו רגילים להתייחס רק למשהו מוצק כחפצים ודברים – למשל שולחן, כיסא, כוס, עט, ספר וכדומה.

שלושה מצבי חומר

ומים מהברז או אדים המגיעים מתה חם, נראה שאיננו מתחשבים בחפצים ודברים. אבל אחרי הכל, כל זה גם חלק מהעולם הפיזי, רק נוזלים וגזים נמצאים במצב אחר של חומר. כך, ישנם שלושה מצבים של חומר:מוצק, נוזלי וגזי. וכל חומר יכול להיות בכל אחד מהמצבים הללו בתורו. אם נוציא קוביית קרח מהמקפיא ונחמם אותה היא תימס ותהפוך למים. אם נשאיר את המבער דולק, המים יתחממו ל-100 מעלות צלזיוס ובקרוב יהפכו לאדים. לפיכך, אותו חומר, כלומר, אותה קבוצה של מולקולות, צפינו בתורו במצבים שונים של חומר. אבל אם המולקולות נשארות אותו הדבר, אז מה משתנה? מדוע קרח מוצק ושומר על צורתו, מים מקבלים בקלות צורה של כוס, ואדים מתפזרים לחלוטין לכיוונים שונים? הכל עניין של מבנה מולקולרי.

מבנה מולקולרי של מוצקיםהוא כזה שהמולקולות ממוקמות קרוב מאוד זו לזו (המרחק בין המולקולות קטן בהרבה מגודל המולקולות עצמן), וקשה מאוד להזיז את המולקולות ממקומן בסידור זה. לכן, גופים מוצקים שומרים על נפח ומחזיקים את צורתם. מבנה מולקולרי של נוזלמאופיין בכך שהמרחק בין המולקולות שווה בקירוב לגודל המולקולות עצמן, כלומר, המולקולות כבר אינן קרובות כמו במוצקים. המשמעות היא שקל יותר להזיז אותן זו לזו (ולכן נוזלים מקבלים בקלות צורה אחרת), אבל כוח המשיכה של המולקולות עדיין מספיק כדי למנוע מהמולקולות להתעופף ולשמור על נפחן. אבל מבנה מולקולרי של גז, להיפך, אינו מאפשר לגז להחזיק נפח או צורה. הסיבה היא שהמרחק בין מולקולות הגז גדול בהרבה מגודל המולקולות עצמן, ואפילו הכוח הקטן ביותר מסוגל להרוס את המערכת הרועדת הזו.

הסיבה למעבר של חומר למצב אחר

עכשיו בואו נגלה מהי הסיבה למעבר החומר ממצב אחד לאחר. לדוגמה, מדוע קרח הופך למים בחימום. התשובה פשוטה:האנרגיה התרמית של המבער מומרת לאנרגיה הפנימית של מולקולות הקרח. לאחר שקיבלו את האנרגיה הזו, מולקולות הקרח מתחילות להתנודד מהר יותר ויותר ובסופו של דבר יוצאות מהכפיפות של מולקולות שכנות. אם נכבה את מכשיר החימום, אז המים יישארו מים, אבל אם נשאיר אותם דולקים, המים יהפכו לאדים מסיבה שכבר ידועה שם.

בשל העובדה שגופים מוצקים שומרים על נפח וצורה, הם אלו שאנו מקשרים עם העולם החיצון. אבל אם נסתכל מקרוב, נגלה שגם גזים ונוזלים תופסים חלק חשוב מהעולם הפיזי. למשל, האוויר שסביבנו מורכב מתערובת של גזים, שהעיקרי שבהם, חנקן, יכול להיות גם נוזל – אך לשם כך יש לקרר אותו לטמפרטורה של כמעט מינוס 200 מעלות צלזיוס. אבל את האלמנט העיקרי של מתוקה רגילה - חוט טונגסטן - ניתן להמיס, כלומר להפוך לנוזל, להיפך, רק בטמפרטורה של 3422 מעלות צלזיוס.

תכונות של המבנה המולקולרי של נוזלים

הנוזל תופס עמדת ביניים בתכונות ובמבנה בין גזים לחומרים גבישיים מוצקים. לכן, יש לו תכונות של חומרים גזים ומוצקים כאחד. בתיאוריה הקינטית המולקולרית, מצבי צבירה שונים של חומר קשורים לדרגות שונות של סדר מולקולרי. עבור מוצקים, מה שנקרא סדר לטווח ארוךבסידור החלקיקים, כלומר. הסידור המסודר שלהם, חוזר על פני מרחקים ארוכים. בנוזלים, מה שנקרא סדר טווח קצרבסידור החלקיקים, כלומר. הסידור המסודר שלהם, החוזר על עצמו למרחקים, דומה לאלו הבין-אטומיים. בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת ההתגבשות, מבנה הנוזל קרוב לזה של מוצק. בטמפרטורות גבוהות, קרוב לנקודת הרתיחה, מבנה הנוזל מתאים למצב הגזי - כמעט כל המולקולות משתתפות בתנועה תרמית כאוטית.

לנוזלים, כמו למוצקים, יש נפח מסוים, וכמו גזים הם מקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים. מולקולות גז למעשה אינן קשורות זו בזו על ידי כוחות האינטראקציה הבין-מולקולרית, ובמקרה זה האנרגיה הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות הגז גדולה בהרבה מהאנרגיה הפוטנציאלית הממוצעת בשל כוחות המשיכה ביניהן, ולכן מולקולות הגז מתפזרות פנימה. כיוונים שונים והגז תופס את הנפח המסופק לו. בגופים מוצקים ונוזליים, כוחות המשיכה בין מולקולות כבר משמעותיים ושומרים על המולקולות במרחק מסוים זו מזו. במקרה זה, האנרגיה הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות קטנה מהאנרגיה הפוטנציאלית הממוצעת עקב כוחות האינטראקציה הבין-מולקולרית, ואין זה מספיק כדי להתגבר על כוחות המשיכה בין מולקולות, ולכן למוצקים ולנוזלים יש נפח מסוים .

הלחץ בנוזלים עולה בחדות רבה עם עליית הטמפרטורה וירידה בנפח. ההתפשטות הנפחית של נוזלים קטנה בהרבה מזו של אדים וגזים, שכן הכוחות הקושרים מולקולות בנוזל משמעותיים יותר; אותה הערה חלה על התפשטות תרמית.

יכולות החום של נוזלים גדלות בדרך כלל עם הטמפרטורה (אם כי מעט). היחס C p/C V כמעט שווה לאחד.

תורת הנוזל לא פותחה עד היום במלואה. התפתחותן של מספר בעיות בחקר התכונות המורכבות של נוזל שייכת ל-Ya.I. פרנקל (1894–1952). הוא הסביר תנועה תרמית בנוזל בכך שכל מולקולה מתנדנדת במשך זמן מה סביב מיקום שיווי משקל מסוים, ולאחר מכן היא קופצת למיקום חדש, שנמצא במרחק בסדר גודל של המרחק הבין-אטומי מהראשוני. לפיכך, המולקולות של הנוזל נעות לאט למדי לאורך מסת הנוזל. עם עלייה בטמפרטורת הנוזל, תדירות התנועה התנודה עולה בחדות, וניידות המולקולות עולה.

בהתבסס על מודל פרנקל, אפשר להסביר כמה תכונות ייחודיותתכונות הנוזל. לפיכך, לנוזלים, אפילו ליד הטמפרטורה הקריטית, יש הרבה יותר צְמִיגוּתמאשר גזים, והצמיגות יורדת עם עליית הטמפרטורה (ולא עולה, כמו בגזים). זה מוסבר על ידי אופי שונה של תהליך העברת המומנטום: הוא מועבר על ידי מולקולות שקופצות ממצב שיווי משקל אחד למשנהו, והקפיצות הללו הופכות תכופות הרבה יותר עם עליית הטמפרטורה. ריכוךבנוזלים מתרחשת רק בגלל קפיצות מולקולריות, והיא מתרחשת הרבה יותר לאט מאשר בגזים. מוליכות תרמיתנוזלים נובעים מחילופי אנרגיה קינטית בין חלקיקים המתנודדים סביב עמדות שיווי המשקל שלהם עם אמפליטודות שונות; קפיצות חדות של מולקולות אינן ממלאות תפקיד בולט. מנגנון הולכת החום דומה למנגנון שלו בגזים. תכונה אופיינית של נוזל היא היכולת שלו לקבל משטח חופשי(לא מוגבל על ידי קירות מוצקים).

הוצעו מספר תיאוריות למבנה המולקולרי של נוזלים.

1. דגם אזור.ברגע נתון בזמן, נוזל יכול להיחשב כמורכב מאזורים שבהם המולקולות מסודרות בסדר הנכון, ויוצרות מעין מיקרו-גביש (אזור). אזורים אלה מופרדים, כביכול, על ידי חומר במצב גזי. עם הזמן, אזורים אלו נוצרים במקומות אחרים, וכן הלאה.

2. תורת המבנה הכמו-גבישי.שקול גביש בטמפרטורת אפס מוחלטת (ראה איור 9.9.)

אנו בוחרים בו כיוון שרירותי ומשרטטים את התלות של ההסתברות P למצוא מולקולת גז במרחק מסוים ממולקולה אחרת הממוקמת במקור (איור 9.9. א), בעוד המולקולות ממוקמות בצמתים של סריג הגביש. בטמפרטורה גבוהה יותר (איור 9.9, ב) מולקולות מתנדנדות סביב עמדות שיווי משקל קבועות, לידן הן שוהות את רוב זמנן. המחזוריות הקפדנית של החזרה על מקסימום הסתברות בגביש אידיאלי משתרעת באופן שרירותי רחוק מהחלקיק הנבחר; לכן, נהוג לומר ש"סדר ארוך טווח" קיים במוצק.

במקרה של נוזל (איור 9.9, ב) ליד כל מולקולה, השכנים שלה ממוקמים באופן קבוע פחות או יותר, אבל הרחק הסדר הזה מופר (סדר טווח קצר). בגרף, המרחקים נמדדים בשברים מרדיוס המולקולה (r/r 0).

מבנה הגזים, הנוזלים והמוצקים.

הוראות בסיסיות של תיאוריה קינטית מולקולרית:

כל החומרים מורכבים ממולקולות, והמולקולות מורכבות מאטומים.

אטומים ומולקולות נמצאים בתנועה מתמדת,

ישנם כוחות משיכה ודחייה בין מולקולות.

בְּ גזיםהמולקולות נעות באקראי, המרחקים בין המולקולות גדולים, הכוחות המולקולריים קטנים, הגז תופס את כל הנפח המסופק לו.

בְּ נוזליםמולקולות מסודרות רק במרחקים קטנים, ובמרחקים גדולים מופר הסדר (הסימטריה) של ההסדר - "סדר טווח קצר". כוחות המשיכה המולקולרית שומרים על מולקולות קרובות זו לזו. התנועה של מולקולות היא "קפיצות" ממצב יציב אחד למשנהו (בדרך כלל בתוך שכבה אחת. תנועה זו מסבירה את הנזילות של נוזל. לנוזל אין צורה, אבל יש לו נפח.

מוצקים - חומרים השומרים על צורתם, מחולקים לגבישים ולאמורפיים. מוצק גבישילגופים יש סריג גבישי, שבצמתים שלו יכולים להיות יונים, מולקולות או אטומים. הם מתנדנדים ביחס למיקומי שיווי משקל יציבים. סריג קריסטל הם בעלי מבנה קבוע בכל הנפח - "סדר ארוך טווח" של מיקום.

גופים אמורפייםשומרים על צורתם, אך אין להם סריג קריסטל וכתוצאה מכך אין להם נקודת התכה בולטת. הם נקראים נוזלים קפואים, שכן להם, כמו נוזלים, יש סדר "קרוב" של סידור מולקולרי.

כוחות אינטראקציה של מולקולות

כל המולקולות של החומר מקיימות אינטראקציה זו עם זו על ידי כוחות משיכה ודחייה. הוכחה לאינטראקציה של מולקולות: תופעת הרטבה, עמידות בפני דחיסה ומתיחה, דחיסה נמוכה של מוצקים וגזים וכו' הסיבה לאינטראקציה של מולקולות היא אינטראקציות אלקטרומגנטיות של חלקיקים טעונים בחומר. איך להסביר את זה? אטום מורכב מגרעין טעון חיובי ומקלפת אלקטרונים טעון שלילי. המטען של הגרעין שווה למטען הכולל של כל האלקטרונים, ולכן, ככלל, האטום הוא ניטרלי מבחינה חשמלית. מולקולה המורכבת מאטום אחד או יותר היא גם נייטרלית מבחינה חשמלית. שקול את האינטראקציה בין מולקולות באמצעות הדוגמה של שתי מולקולות בלתי תנועתיות. כוחות כבידה ואלקטרומגנטיים יכולים להתקיים בין גופים בטבע. מכיוון שמסות המולקולות קטנות ביותר, ניתן להתעלם מהכוחות הזניחים של אינטראקציה כבידה בין מולקולות. גם במרחקים גדולים מאוד אין אינטראקציה אלקטרומגנטית בין מולקולות. אבל, עם ירידה במרחק בין המולקולות, המולקולות מתחילות לכוון את עצמן כך שלצדדים שלהן הפונים זה לזה יהיו מטענים של סימנים שונים (באופן כללי, המולקולות נשארות ניטרליות), ובין המולקולות נוצרים כוחות משיכה. עם ירידה גדולה עוד יותר במרחק בין המולקולות, נוצרים כוחות דחייה כתוצאה מאינטראקציה של קליפות אלקטרונים טעונות שלילי של אטומי המולקולות. כתוצאה מכך, המולקולה מושפעת מסכום כוחות המשיכה והדחייה. במרחקים גדולים כוח המשיכה גובר (במרחק של 2-3 קטרים ​​מולקולריים המשיכה מקסימלית), במרחקים קצרים כוח הדחייה. יש מרחק כזה בין מולקולות שבו כוחות המשיכה משתווים לכוחות הדחייה. מיקום זה של המולקולות נקרא מיקום שיווי משקל יציב. למולקולות הממוקמות במרחק זו מזו ומחוברים בכוחות אלקטרומגנטיים יש אנרגיה פוטנציאלית. במצב של שיווי משקל יציב, האנרגיה הפוטנציאלית של מולקולות היא מינימלית. בחומר, כל מולקולה מקיימת אינטראקציה בו-זמנית עם מולקולות שכנות רבות, מה שמשפיע גם על ערכה של האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של מולקולות. בנוסף, כל המולקולות של חומר נמצאות בתנועה מתמשכת, כלומר. בעלי אנרגיה קינטית. לפיכך, מבנה החומר ותכונותיו (גופים מוצקים, נוזליים וגזים) נקבעים על ידי היחס בין האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של אינטראקציה של מולקולות לבין האנרגיה הקינטית של התנועה התרמית של מולקולות.

המבנה והתכונות של גופים מוצקים, נוזליים וגזים

מבנה הגופים מוסבר על ידי האינטראקציה של חלקיקי הגוף ואופי התנועה התרמית שלהם.

מוצק

למוצקים יש צורה ונפח קבועים, והם כמעט בלתי ניתנים לדחיסה. האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של אינטראקציה של מולקולות גדולה מהאנרגיה הקינטית של מולקולות. אינטראקציה חזקה של חלקיקים. התנועה התרמית של מולקולות במוצק מתבטאת רק על ידי תנודות של חלקיקים (אטומים, מולקולות) סביב המיקום של שיווי משקל יציב.

בשל כוחות המשיכה הגדולים, מולקולות למעשה אינן יכולות לשנות את מיקומן בחומר, מה שמסביר את השונות של נפח וצורה של מוצקים. לרוב המוצקים יש סידור מרחבי של חלקיקים היוצרים סריג גביש רגיל. חלקיקי חומר (אטומים, מולקולות, יונים) ממוקמים בקודקודים - הצמתים של סריג הגביש. הצמתים של סריג הגביש עולים בקנה אחד עם המיקום של שיווי משקל יציב של החלקיקים. מוצקים כאלה נקראים גבישיים.

נוזל

לנוזלים יש נפח מסוים, אבל אין להם צורה משלהם, הם מקבלים את הצורה של הכלי שבו הם נמצאים. האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של אינטראקציה של מולקולות דומה לאנרגיה הקינטית של מולקולות. אינטראקציה חלשה של חלקיקים. התנועה התרמית של מולקולות בנוזל מתבטאת בתנודות סביב המיקום של שיווי משקל יציב בתוך הנפח שסופק למולקולה על ידי שכנותיה. מולקולות אינן יכולות לנוע בחופשיות לאורך כל נפח החומר, אך מעברים של מולקולות למקומות שכנים אפשריים. זה מסביר את הנזילות של הנוזל, את היכולת לשנות את צורתו.

בנוזלים, המולקולות קשורות זו לזו בצורה די חזקה על ידי כוחות משיכה, מה שמסביר את השונות של נפח הנוזל. בנוזל, המרחק בין מולקולות שווה בערך לקוטר המולקולה. עם ירידה במרחק בין מולקולות (דחיסה של נוזל), כוחות הדחייה גדלים בחדות, ולכן הנוזלים אינם ניתנים לדחיסה. מבחינת המבנה ואופי התנועה התרמית שלהם, נוזלים תופסים עמדת ביניים בין מוצקים וגזים. למרות שההבדל בין נוזל לגז גדול בהרבה מאשר בין נוזל למוצק. לדוגמה, במהלך התכה או התגבשות, נפח הגוף משתנה פי כמה פחות מאשר במהלך אידוי או עיבוי.

לגזים אין נפח קבוע והם תופסים את כל נפח הכלי בו הם נמצאים. האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של אינטראקציה של מולקולות קטנה מהאנרגיה הקינטית של מולקולות. חלקיקי חומר כמעט אינם מקיימים אינטראקציה. גזים מאופיינים בהפרעה מוחלטת בסידור ובתנועה של מולקולות.

המרחק בין מולקולות הגז גדול פי כמה מגודל המולקולות. כוחות משיכה קטנים אינם יכולים לשמור מולקולות זו ליד זו, ולכן גזים יכולים להתרחב ללא הגבלת זמן. גזים נדחסים בקלות תחת פעולת לחץ חיצוני, כי. המרחקים בין מולקולות גדולים, וכוחות האינטראקציה זניחים. לחץ הגז על דפנות הכלי נוצר מהשפעות של מולקולות גז נעות.

קודם כל, יש להדגיש שוב שגז, נוזל ומוצק הם מצבים מצטברים של חומר ובמובן זה אין הבדל בלתי עביר ביניהם: כל חומר, בהתאם לטמפרטורה וללחץ, יכול להיות בכל אחד מהמצבים המצטברים. . עם זאת, ישנם הבדלים משמעותיים בין גופים גזים, נוזליים ומוצקים. מכיוון שלמוצקים ולנוזלים יש תכונות משותפות רבות, הגיוני לשקול את שני מצבי הצבירה הללו יחד במהלך שלנו.

ההבדל המהותי בין גז, מחד גיסא, לגופים מוצקים ונוזליים, מאידך גיסא, הוא שגז תופס את כל נפח הכלי המסופק לו, בעוד נוזל או מוצק המונחים בכלי תופסים רק נפח. נפח מאוד מוגדר בו. זה נובע מההבדל באופי התנועה התרמית בגזים ובגופים מוצקים ונוזליים.

המולקולות של גז כמעט אינן מחוברות זו לזו על ידי כוחות בין מולקולריים (ראה §35). בכל מקרה, האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות הגז גדולה בהרבה מהאנרגיה הפוטנציאלית הממוצעת עקב כוחות ההיצמדות ביניהן.לכן מולקולות הגז עושות נתיבים חופשיים גדולים יחסית, "מתפזרים" זו מזו עד למרחקים. כגודל הכלי מאפשר, ותופס את כל נפחו. בהתאם לכך, הדיפוזיה בגזים מתקדמת די מהר.

בגופים מוצקים ונוזליים, הכוחות המלוכדים בין מולקולות (אטומים, יונים) כבר ממלאים תפקיד חיוני, השומרים אותם במרחקים מסוימים זה מזה (ראה § 35, איור 67, א). בגופים אלו, האנרגיה הפוטנציאלית הממוצעת הנובעת מכוחות ההיצמדות בין מולקולות גדולה מהאנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות. במילים אחרות, בממוצע, האנרגיה הקינטית של מולקולות אינה מספיקה כדי להתגבר על כוחות המשיכה. ביניהם.

בשל ה"אריזה" הצפופה של מולקולות בנוזל, הן כבר לא עושות נתיבים חופשיים, אלא "דוחפים" למקומן (מתנדנדים סביב מיקום שיווי משקל מסוים). רק מעת לעת, עקב שילוב נוח של התנגשויות, יכולה מולקולה לעבור למקום חדש במרחק השווה לגודל המולקולה עצמה. באופן טבעי, הדיפוזיה בנוזלים מתרחשת הרבה יותר לאט מאשר בגזים.

בגוף מוצק, חלקיקים (מולקולות, אטומים, יונים) מסודרים בסדר מוגדר גיאומטרי בקפדנות, ויוצרים את מה שנקרא סריג הגביש. החלקיקים נעים סביב עמדות שיווי המשקל שלהם. מעברים של חלקיקים ממקום למקום במוצק אפשריים, אך נדירים מאוד. לכן, למרות שדיפוזיה קיימת גם במוצקים, היא מתקדמת כאן אפילו לאט יותר מאשר בנוזל.

המהות הפיזיקלית של ההבדל בין המצבים המוצקים, הנוזליים והגזיים של חומר ניתנת להסבר ברור עוד יותר בעזרת עקומת האינטראקציה הפוטנציאלית של מולקולות, שכבר פגשנו בסעיף 35 (ראה איור 67, ב). . הבה נשחזר עקומה זו עם כמה תוספות (איור 93).

ערכי האנרגיה הפוטנציאלית של אינטראקציה של מולקולות משורטטים לאורך ציר הקודקוד, והמרחקים בין מולקולות משורטטים לאורך ציר האבססיס. ערכי האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות, לשם נוחות ההשוואה, יידחו מרמת ה-B התחתון של הבאר הפוטנציאלית.

אם האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות קטנה בהרבה מעומק הבאר הפוטנציאלית, אז המולקולות עושות תנודות קטנות, ונשארות בחלק התחתון של הבאר הפוטנציאלית (מתחת לרמה). מקרה זה מתאים למוצק מצב צבירה.

אם האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות קטנה מעט מעומק הבאר הפוטנציאלית, אזי המולקולות עושות תנועות תנודות משמעותיות, אך כולן נשארות בתוך הבאר הפוטנציאלית. מקרה זה מתאים למצב הנוזלי של החומר.

אם האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות גדולה בהרבה מעומק הבאר הפוטנציאלית, אזי המולקולות יפרצו ממנה ולאחר שאיבדו את מערכת היחסים ביניהן, ינועו בחופשיות (יעשו ריצות חופשיות). מקרה זה מתאים למצב הגז של החומר.

לפיכך, הבדל משמעותי בין גז, מחד גיסא, לגופים מוצקים ונוזליים, מאידך גיסא, נובע מכך שעבור מולקולות גז, ערך האנרגיה הקינטית הממוצעת של תנועה תרמית גדול מעומק הבאר הפוטנציאלית, ועבור מולקולות של גופים מוצקים ונוזליים, הוא קטן מעומק הבאר הפוטנציאלית.

בשל העובדה שהמולקולות של מוצק קשורות זו לזו בצורה חזקה יותר מאשר מולקולות של נוזל, מוצק, בניגוד לנוזל, מאופיין בקביעות של לא רק נפח, אלא גם צורה. הבה נבחן ביתר פירוט את שאלת מבנה הגביש של מוצק.

תכונה חיצונית אופיינית של גביש היא צורתו הסדירה מבחינה גיאומטרית (איור 94). כך, למשל, לגביש מלח יש צורה של קובייה (א), גביש קרח יש צורה של פריזמה משושה, גביש יהלום יש צורה של אוקטהדרון (אוקטהדרון, ג) וכו'. לכל חומר גבישי , לזווית בין המשטחים התוחמים שלה (הפנים) יש בהחלט

ערך מסוים (עבור מלח שולחן - 90 מעלות, עבור קרח - 120 מעלות וכו '). גבישים מתפצלים בקלות לאורך מישורים מסוימים הנקראים מישורי מחשוף. כתוצאה מכך נוצרים גבישים קטנים יותר, אך אותה צורה. אז, כאשר כותשים גביש של מלח שולחן, נוצרות קוביות קטנות ומלבנים מקבילים.

העובדות המצוינות הובילו פעם לרעיון שהגוף הגבישי בנוי מתאי יסוד (קוביות, או מנסרות משושה, או אוקטהדרונים וכו', המחוברים בחוזקה זה לזה. וזה אומר שבגוף הגבישי חלקיקים (מולקולות או אטומים, או יונים) מסודרים בסדר סימטרי בהחלט ביחס זה לזה, ויוצרים סריג מרחבי, או גבישי; מיקומי החלקיקים נקראים צמתים סריג.

השערה זו הועלתה בשנת 1848 על ידי הקריסטלוגרף הצרפתי Bravais.

דוגמה לסריג המרחבי הפשוט ביותר הוא סריג הגביש של נתרן כלורי (איור 95, א). תא היחידה שלו עם קצה a (מודגש באיור בקווים מודגשים) נוצר על ידי יוני נתרן חיוביים ויוני כלוריד שליליים הממוקמים בקודקודי הקובייה.

ניתן לגוון את הצורות של הסורגים המרחביים, אך לא כל אחת: יש צורך שהתאים היסודיים המרכיבים את הסורג יופעלו הדוק זה על זה ללא פערים, התואם את האנרגיה הפוטנציאלית המינימלית של הסורג. בדרך הנדרשת אפשר, למשל, להניח תאים ותאים מעוקבים בצורת מנסרות משושה (איור 95, b ו-c), אך אי אפשר להניח תאים בצורה של מנסרות חמש צדדיות ( איור 95, ד).

בשנת 1890, E.S. Fedorov חישב תיאורטית את כל הצורות האפשריות של סריג קריסטל, שתאים מאפשרים אריזה קרובה, ומצא שרק 230 סוגים שונים של סריג קריסטל יכולים להתקיים בטבע, ויצרו 32 כיתות סימטריה. מחקרי רנטגן של גבישים שבוצעו במאה הנוכחית (ראה סעיף 125) אישרו שגבישים מורכבים מחלקיקים מסודרים באופן סימטרי (אטומים, או מולקולות, או יונים) היוצרים סריג גביש. יתרה מכך, ניתוח עקיפות קרני רנטגן של מספר רב של גבישים טבעיים ומלאכותיים גילה רק 230 סוגים שונים של סריג קריסטל - התאמה מלאה לחישובים התיאורטיים של E.S. Fedorov.

הסימטריה של סידור החלקיקים בסריג הגביש נובעת מכך שבמקרה זה כוחות האינטראקציה (משיכה ודחייה) בין החלקיקים מאוזנים (ראה סעיף 35). במקרה זה, האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיקים היא מינימלית.

המרחקים בין חלקיקים בגביש קטנים, בסדר גודל של החלקיקים עצמם. המרחק בין מולקולות בנוזל הוא באותו סדר, שכן, כידוע, במהלך ההתכה של גביש אין עלייה משמעותית בנפחו.

תכונה יוצאת דופן של גביש היא האניזוטרופיה שלו; בכיוונים שונים, לגביש יש תכונות פיזיקליות שונות. אז, למשל, לכל הגבישים ללא יוצא מן הכלל יש אניזוטרופיה של חוזק; הרוב המכריע של הגבישים הם אניזוטרופיים ביחס למוליכות תרמית, מוליכות חשמלית, שבירה וכו'. האניזוטרופיה של גבישים מוסברת בעיקר על ידי העובדה שבסריג המרחבי יש הבדל במספר החלקיקים הנופלים על מקטעים של אותו אורך, אך שונה בכיוון, כפי שמוצג באיור. 96 (יש 8 חלקיקים על הקטע האופקי של הסורג, 6 חלקיקים על המשופע, ו-3 חלקיקים על השני המשופע). ברור שההבדל בצפיפות סידור החלקיקים של סריג הגביש בכיוונים שונים אמור להוביל גם להבדל במאפיינים רבים אחרים לאורך כיוונים אלו של הגביש.

המצב הגבישי נפוץ מאוד בטבע: רוב המוצקים (מינרלים, מתכות, סיבים צמחיים, חלבונים, פיח, גומי וכו') הם גבישים. עם זאת, לא לכל הגופים הללו יש את אותן תכונות גבישיות המבוטאות בבירור שנחשבו קודם לכן. בהקשר זה, הגופים מחולקים לשתי קבוצות: גבישים בודדים ופולי-גבישים. מונוקריסטל - גוף שכל חלקיקיו מתאימים לסריג מרחבי משותף אחד. הגביש היחיד הוא אניזוטרופי. קריסטלים בודדים

הוא רוב המינרלים. Polycrystal - גוף המורכב מהרבה גבישים בודדים קטנים המסודרים באופן אקראי זה ביחס לזה. לכן, polycrystals הם איזוטריים, כלומר, יש להם את אותן תכונות פיזיקליות בכל הכיוונים. מתכות הן דוגמאות לפולי-גבישים. עם זאת, ניתן להשיג את המתכת גם בצורת גביש בודד, אם ההתכה מתקררת באיטיות על ידי הכנסת תחילה לתוכה גביש אחד של מתכת זו (מה שנקרא גרעין). סביב הגרעין הזה יצמח גביש יחיד ממתכת.

תלוי מאילו חלקיקים נוצר סריג הגביש, ישנן ארבע קבוצות עיקריות של סריג: יוני, אטומי, מולקולרי ומתכתי.

הסריג היוני נוצר על ידי יונים בעלי מטען הפוך המוחזקים בצמתי הסריג על ידי כוחות חשמליים. לרוב המכריע של הגבישים יש סריג יוני.

הסריג האטומי נוצר על ידי אטומים ניטרליים המוחזקים באתרי הסריג על ידי קשרים כימיים (ערכיות): לאטומים שכנים יש אלקטרונים חיצוניים (ערכיות). לגרפיט, למשל, יש סריג אטומי.

הסריג המולקולרי נוצר על ידי מולקולות קוטביות (דיפולריות) (ראה § 81), המוחזקות גם באתרי הסריג על ידי כוחות חשמליים. עם זאת, עבור מולקולות קוטביות, השפעת הכוחות הללו חלשה יותר מאשר עבור יונים. לכן, חומרים בעלי סריג מולקולרי מעוותים בקלות יחסית. לרוב התרכובות האורגניות (צלולוזה, גומי, פרפין וכו') יש סריג גבישי מולקולרי.

סריג המתכת נוצר על ידי יוני מתכת חיוביים המוקפים באלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלה קושרים יחד את היונים של סריג המתכת. סריג כזה אופייני למתכות.

הפיזיקה המודרנית רואה בגופים גבישיים גופים מוצקים. נוזלים, כפי שכבר צוין, מאופיינים בסידור אקראי של חלקיקים, ולכן נוזלים הם איזוטריים. חלק מהנוזלים ניתנים לקירור-על מאוד מבלי להפוך למצב מוצק (גבישי). עם זאת, הצמיגות של נוזלים כאלה היא כה עצומה שהם כמעט מאבדים מהנזילות שלהם, ושומרים, כמו מוצקים, על צורתם. גופים כאלה נקראים אמורפיים. לפיכך, הפיזיקה המודרנית רואה בגופים אמורפיים נוזלים מקוררים-על עם צמיגות עצומה. גופים אמורפיים כוללים, למשל, זפת, זכוכית, שרף-רוזין וכו'. ברור שגופים אמורפיים הם איזוטריים. עם זאת, יש לזכור כי גופים אמורפיים יכולים, לאורך זמן (ארוך), לעבור למצב גבישי. בזכוכית, למשל, מופיעים עם הזמן גבישים: הוא מתחיל להיות מעונן, הופך לגוף רב גבישי.

לאחרונה, חומרים אמורפיים אורגניים הפכו נפוצים בטכנולוגיה, מולקולות בודדות מהם

עקב קשרים כימיים (ערכיות), הם מתחברים זה עם זה (פולימרים) לשרשראות ארוכות, המורכבות במקרים מסוימים מאלפים רבים של מולקולות בודדות. חומרים כאלה נקראים פולימרים.נציג טיפוסי של הפולימר הוא פלסטיק. תכונה חשובה מאוד של פולימרים היא הגמישות והחוזק הגבוהים שלהם. פולימרים מסוימים, למשל, עומדים במתיחה אלסטית של פי 2-5 מאורכם המקורי. תכונות אלה של הפולימר מוסברות על ידי העובדה שניתן לקפל שרשראות מולקולריות ארוכות לכדורים צפופים במהלך דפורמציה או, להיפך, למתוח לקווים ישרים. כיום, תרכובות אורגניות טבעיות ומלאכותיות משמשות ליצירת פולימרים בעלי מגוון רחב של תכונות קבועות מראש.

כל החומר שאינו חי מורכב מחלקיקים, שהתנהגותם עשויה להיות שונה. למבנה של גופים גזים, נוזליים ומוצקים יש מאפיינים משלו. חלקיקים במוצקים מוחזקים יחד כי הם קרובים מאוד זה לזה, מה שהופך אותם לחזקים מאוד. בנוסף, הם יכולים לשמור על צורה מסוימת, מכיוון שהחלקיקים הקטנים ביותר שלהם כמעט אינם זזים, אלא רק רוטטים. מולקולות בנוזלים די קרובות זו לזו, אבל הן יכולות לנוע בחופשיות, ולכן אין להן צורה משלהן. חלקיקים בגזים נעים מהר מאוד, ובדרך כלל יש הרבה מקום סביבם, מה שמרמז שהם נדחסים בקלות.

תכונות ומבנה של מוצקים

מה המבנה והתכונות של מבנה המוצקים? הם מורכבים מחלקיקים הקרובים מאוד זה לזה. הם לא יכולים לזוז ולכן צורתם נשארת קבועה. מהן התכונות של גוף מוצק? הוא אינו מתכווץ, אך אם הוא מחומם, נפחו יגדל עם עליית הטמפרטורה. הסיבה לכך היא שהחלקיקים מתחילים לרטוט ולנוע, מה שמוביל לירידה בצפיפות.

אחת התכונות של מוצקים היא שיש להם צורה קבועה. כאשר מוצק מחומם, תנועת החלקיקים גוברת. חלקיקים נעים מהר יותר מתנגשים באלימות רבה יותר, וגורמים לכל חלקיק לדחוף את שכניו. לכן, עלייה בטמפרטורה מובילה בדרך כלל לעלייה בחוזק הגוף.

מבנה גבישי של מוצקים

כוחות בין-מולקולריים של אינטראקציה בין מולקולות סמוכות של מוצק חזקים מספיק כדי לשמור אותם במצב קבוע. אם החלקיקים הקטנים ביותר הללו נמצאים בתצורה מסודרת ביותר, אז מבנים כאלה נקראים בדרך כלל גבישיים. הסדר הפנימי של חלקיקים (אטומים, יונים, מולקולות) של יסוד או תרכובת מטופל על ידי מדע מיוחד - קריסטלוגרפיה.

המצב המוצק הוא גם בעל עניין מיוחד. על ידי לימוד התנהגותם של חלקיקים, כיצד הם עשויים, כימאים יכולים להסביר ולחזות כיצד סוגים מסוימים של חומרים יתנהגו בתנאים מסוימים. החלקיקים הקטנים ביותר של גוף מוצק מסודרים בצורה של סריג. זהו מה שנקרא סידור רגיל של חלקיקים, שבו קשרים כימיים שונים ביניהם ממלאים תפקיד חשוב.

תורת הלהקה של מבנה גוף מוצק רואה בו קבוצה של אטומים, שכל אחד מהם, בתורו, מורכב מגרעין ואלקטרונים. במבנה הגבישי, גרעיני האטומים ממוקמים בצמתים של סריג הגביש, המתאפיין במחזוריות מרחבית מסוימת.

מהו המבנה של נוזל?

מבנה המוצקים והנוזלים דומה בכך שהחלקיקים מהם הם מורכבים נמצאים במרחק קרוב. ההבדל הוא שהמולקולות נעות בחופשיות, שכן כוח המשיכה ביניהן חלש הרבה יותר מאשר במוצק.

מהן התכונות של נוזל? ראשית, זו נזילות, ושנית, הנוזל יקבל את הצורה של המיכל שבו הוא ממוקם. אם הוא מחומם, הנפח יגדל. בשל קרבתם של החלקיקים זה לזה, לא ניתן לדחוס את הנוזל.

מה המבנה והמבנה של גופים גזים?

חלקיקי הגז מסודרים באופן אקראי, הם כל כך רחוקים זה מזה עד שלא יכול להיות כוח משיכה ביניהם. אילו תכונות יש לגז ומה המבנה של גופים גזיים? ככלל, הגז ממלא באופן אחיד את כל החלל בו הונח. זה נדחס בקלות. מהירות החלקיקים של גוף גזי עולה עם עליית הטמפרטורה. במקביל, יש גם עלייה בלחץ.

המבנה של גופים גזים, נוזליים ומוצקים מאופיין במרחקים שונים בין החלקיקים הקטנים ביותר של חומרים אלה. חלקיקי הגז רחוקים הרבה יותר מאשר במצב מוצק או נוזלי. באוויר, למשל, המרחק הממוצע בין חלקיקים הוא בערך פי עשרה מקוטר כל חלקיק. לפיכך, נפח המולקולות תופס רק כ-0.1% מהנפח הכולל. 99.9% הנותרים הם שטח ריק. לעומת זאת, חלקיקי נוזל ממלאים כ-70% מנפח הנוזל הכולל.

כל חלקיק גז נע בחופשיות לאורך נתיב ישר עד שהוא מתנגש בחלקיק אחר (גז, נוזל או מוצק). החלקיקים בדרך כלל נעים מהר מספיק, כך שלאחר שניים מהם מתנגשים, הם קופצים זה מזה וממשיכים בדרכם לבד. התנגשויות אלו משנות כיוון ומהירות. תכונות אלו של חלקיקי גז מאפשרות לגזים להתרחב כדי למלא כל צורה או נפח.

שינוי מדינה

המבנה של גופים גזים, נוזליים ומוצקים יכול להשתנות אם מופעלת עליהם השפעה חיצונית מסוימת. הם יכולים אפילו להשתנות זה לזה בתנאים מסוימים, כגון במהלך חימום או קירור.

• אידוי. המבנה והתכונות של גופים נוזליים מאפשרים להם, בתנאים מסוימים, לעבור למצב פיזי אחר לגמרי. למשל, אם נשפכת בטעות בנזין בזמן תדלוק מכונית, תוכל להריח במהירות את ריחו החריף. איך זה קורה? חלקיקים נעים בכל הנוזל, כתוצאה מכך חלק מסוים מהם מגיע לפני השטח. התנועה הכיוונית שלהם יכולה לשאת את המולקולות האלה מהשטח ולתוך החלל שמעל לנוזל, אבל המשיכה תמשוך אותן אחורה. מצד שני, אם חלקיק נע מהר מאוד, הוא יכול להתנתק מאחרים במרחק הגון. לפיכך, עם עלייה במהירות של חלקיקים, אשר מתרחשת בדרך כלל בחימום, מתרחש תהליך האידוי, כלומר, הפיכת הנוזל לגז.

התנהגות של גופים במצבים פיזיים שונים

המבנה של גזים, נוזלים, מוצקים נובע בעיקר מכך שכל החומרים הללו מורכבים מאטומים, מולקולות או יונים, אך התנהגותם של חלקיקים אלו יכולה להיות שונה לחלוטין. חלקיקי גז מרוחקים זה מזה באופן כאוטי, מולקולות נוזלים קרובות זו לזו, אך הן אינן בנויות בצורה נוקשה כמו במוצק. חלקיקי גז רוטטים ונעים במהירויות גבוהות. האטומים והמולקולות של נוזל רוטטים, נעים וגולשים זה על פני זה. גם חלקיקים של גוף מוצק יכולים לרטוט, אך תנועה ככזו אינה אופיינית להם.

תכונות של המבנה הפנימי

על מנת להבין את התנהגות החומר, יש ללמוד תחילה את תכונות המבנה הפנימי שלו. מה ההבדלים הפנימיים בין גרניט, שמן זית והליום בבלון? מודל פשוט של מבנה החומר יעזור לענות על שאלה זו.

מודל הוא גרסה פשוטה של ​​חפץ או חומר אמיתי. לדוגמה, לפני תחילת הבנייה בפועל, אדריכלים בונים תחילה פרויקט בנייה לדוגמה. מודל פשוט כזה אינו מרמז בהכרח על תיאור מדויק, אך יחד עם זאת הוא יכול לתת מושג גס כיצד ייראה מבנה זה או אחר.

מודלים פשוטים

במדע, לעומת זאת, גופים פיזיים אינם תמיד מודלים. המאה האחרונה ראתה עלייה משמעותית בהבנה האנושית לגבי העולם הפיזי. עם זאת, חלק ניכר מהידע והניסיון המצטברים מבוססים על ייצוגים מורכבים ביותר, למשל בצורה של נוסחאות מתמטיות, כימיות ופיזיות.

כדי להבין את כל זה, אתה צריך להיות בקיא למדי במדעים המדויקים והמורכבים הללו. מדענים פיתחו מודלים פשוטים כדי להמחיש, להסביר ולחזות תופעות פיזיקליות. כל זה מפשט מאוד את ההבנה מדוע לגופים מסוימים יש צורה ונפח קבועים בטמפרטורה מסוימת, בעוד שאחרים יכולים לשנות אותם, וכן הלאה.

כל החומר מורכב מחלקיקים זעירים. חלקיקים אלה נמצאים בתנועה מתמדת. נפח התנועה קשור לטמפרטורה. טמפרטורה מוגברת מצביעה על עלייה במהירות התנועה. המבנה של גופים גזים, נוזליים ומוצקים נבדל בחופש התנועה של החלקיקים שלהם, כמו גם בעוצמת המשיכה של החלקיקים זה לזה. פיזית תלויה במצבו הפיזי. לאדי מים, מים נוזליים וקרח יש אותן תכונות כימיות, אך התכונות הפיזיקליות שלהם שונות בתכלית.