Wie groß ist der Abstand zwischen den Molekülen eines Festkörpers? Struktur von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. Merkmale der Lösungsstruktur. Das Konzept eines „reaktiven Feldes“

Zunächst sei noch einmal betont, dass Gas, Flüssigkeit und Feststoff Aggregatzustände der Materie sind und in diesem Sinne kein unüberwindbarer Unterschied zwischen ihnen besteht: Jeder Stoff kann sich je nach Temperatur und Druck in jedem der Aggregatzustände befinden . Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede zwischen gasförmigen, flüssigen und festen Körpern. Da Feststoffe und Flüssigkeiten viele gemeinsame Eigenschaften haben, ist es sinnvoll, diese beiden Aggregatzustände in unserem Kurs gemeinsam zu betrachten.

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Gas einerseits und festen und flüssigen Körpern andererseits besteht darin, dass ein Gas das gesamte Volumen des ihm zur Verfügung gestellten Gefäßes einnimmt, während eine Flüssigkeit oder ein Feststoff in einem Gefäß nur ein bestimmtes Volumen darin einnimmt. Dies ist auf die unterschiedliche Art der thermischen Bewegung in Gasen sowie in festen und flüssigen Körpern zurückzuführen.

Gasmoleküle sind praktisch nicht durch intermolekulare Kräfte miteinander verbunden (siehe §35). In jedem Fall ist die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung von Gasmolekülen viel größer als die durchschnittliche potentielle Energie, die durch die Kohäsionskräfte zwischen ihnen verursacht wird. Daher bilden Gasmoleküle relativ große freie Wege und „streuen“ voneinander so weit Größe des Behälters zulässt und sein gesamtes Volumen einnimmt. Dementsprechend verläuft die Diffusion in Gasen recht schnell.

In Festkörpern und Flüssigkeiten spielen bereits die Kohäsionskräfte zwischen Molekülen (Atome, Ionen) eine erhebliche Rolle, die sie in bestimmten Abständen voneinander halten (siehe § 35, Abb. 67, a). In diesen Körpern ist die durchschnittliche potentielle Energie aufgrund der Kohäsionskräfte zwischen Molekülen größer als die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung der Moleküle. Mit anderen Worten, die kinetische Energie der Moleküle reicht im Durchschnitt nicht aus, um die Anziehungskräfte zwischen ihnen zu überwinden ihnen.

Dank der dichten „Packung“ der Moleküle in einer Flüssigkeit laufen diese nicht mehr frei, sondern „schieben“ sich scheinbar an ihren Platz (oszillieren um eine bestimmte Gleichgewichtslage). Nur von Zeit zu Zeit kann sich ein Molekül aufgrund einer günstigen Kombination von Kollisionen an einen neuen Ort in einer Entfernung bewegen, die mit der Größe des Moleküls selbst vergleichbar ist. Naturgemäß verläuft die Diffusion in Flüssigkeiten viel langsamer als in Gasen.

In einem Festkörper sind Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen) in einer geometrisch streng definierten Reihenfolge angeordnet und bilden ein sogenanntes Kristallgitter. Teilchen führen oszillierende Bewegungen um ihre Gleichgewichtspositionen aus. Übergänge von Teilchen von Ort zu Ort in einem Festkörper sind möglich, aber sehr selten. Obwohl es also auch in Festkörpern eine Diffusion gibt, verläuft sie hier noch langsamer als in Flüssigkeiten.

Das physikalische Wesen des Unterschieds zwischen den festen, flüssigen und gasförmigen Materiezuständen lässt sich noch deutlicher anhand der Potentialkurve der Wechselwirkung von Molekülen erklären, die wir bereits in § 35 kennengelernt haben (siehe Abb. 67, b). Lassen Sie uns diese Kurve mit einigen Ergänzungen reproduzieren (Abb. 93).

Die Ordinate zeigt die potentielle Energie der Wechselwirkung zwischen Molekülen und die Abszisse zeigt den Abstand zwischen Molekülen. Zur Vereinfachung des Vergleichs werden die Werte der durchschnittlichen kinetischen Energie der thermischen Bewegung von Molekülen ausgehend vom Niveau des Bodens B des Potentialtopfs aufgetragen.

Wenn die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung von Molekülen deutlich geringer ist als die Tiefe des Potentialtopfs, unterliegen die Moleküle kleinen Schwingungen und bleiben im unteren Teil des Potentialtopfs (unterhalb des Niveaus). des Stoffes.

Wenn die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung von Molekülen etwas geringer ist als die Tiefe des Potentialtopfs, dann unterliegen die Moleküle erheblichen Schwingungsbewegungen, bleiben aber alle innerhalb des Potentialtopfs. Dieser Fall entspricht dem flüssigen Zustand des Stoffes.

Wenn die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung von Molekülen deutlich größer ist als die Tiefe des Potentialtopfs, dann brechen die Moleküle aus diesem aus und bewegen sich, nachdem sie ihre Verbindung verloren haben, frei (machen freie Läufe). Dieser Fall entspricht dem gasförmigen Zustand des Stoffes.

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Gas einerseits und festen und flüssigen Körpern andererseits beruht also auf der Tatsache, dass bei Gasmolekülen der Wert der durchschnittlichen kinetischen Energie der thermischen Bewegung größer ist als die Tiefe des Potentialtopfs. und für Moleküle fester und flüssiger Körper ist sie geringer als die Tiefe des Potentialtopfs.

Aufgrund der Tatsache, dass die Moleküle eines Feststoffs enger miteinander verbunden sind als die Moleküle einer Flüssigkeit, zeichnet sich ein Feststoff im Gegensatz zu einer Flüssigkeit durch Konstanz nicht nur des Volumens, sondern auch der Form aus. Betrachten wir die Frage nach der kristallinen Struktur eines Festkörpers etwas genauer.

Ein charakteristisches äußeres Merkmal eines Kristalls ist seine geometrisch regelmäßige Form (Abb. 94). So hat beispielsweise ein Speisesalzkristall die Form eines Würfels (a), ein Eiskristall die Form eines sechseckigen Prismas, ein Diamantkristall die Form eines Oktaeders (Oktaeder, c) usw. Für jeden kristalline Substanz, der Winkel zwischen den sie begrenzenden Flächen (Flächen) ist streng

einen bestimmten Wert (für Speisesalz - 90°, für Eis - 120° usw.). Kristalle brechen leicht entlang bestimmter Ebenen, die Spaltungsebenen genannt werden. Dadurch entstehen Kristalle kleinerer Größe, aber gleicher Form. Wenn also ein Speisesalzkristall zerkleinert wird, entstehen kleine Würfel und rechteckige Parallelepipede.

Die festgestellten Tatsachen führten einst zu der Idee, dass der kristalline Körper aus Elementarzellen (Würfeln oder sechseckigen Prismen oder Oktaedern usw.) aufgebaut ist, die fest miteinander verbunden sind. Und das bedeutet, dass es im kristallinen Körper Partikel gibt ( Moleküle oder Atome oder Ionen) sind in einer streng symmetrischen Reihenfolge zueinander angeordnet und bilden ein räumliches oder kristallines Gitter. Die Orte der Teilchen werden Gitterknoten genannt.

Diese Hypothese wurde 1848 vom französischen Kristallographen Bravais aufgestellt.

Ein Beispiel für das einfachste räumliche Gitter ist das Kristallgitter von Speisesalz (Abb. 95, a). Seine Elementarzelle mit der Kante a (in der Abbildung durch fette Linien hervorgehoben) wird durch positive Natriumionen und negative Chlorionen gebildet, die sich an den Ecken des Würfels befinden.

Die Formen räumlicher Gitter können variiert werden, aber nicht beliebig: Es ist notwendig, dass die Elementarzellen, aus denen das Gitter besteht, eng und lückenlos nebeneinander liegen, was der minimalen potentiellen Energie des Gitters entspricht. In der erforderlichen Weise ist es beispielsweise möglich, kubische Zellen und Zellen in Form von sechseckigen Prismen zu verlegen (Abb. 95, b und c), es ist jedoch unmöglich, Zellen in Form von pentaedrischen Prismen zu verlegen (Abb. 95, d).

Im Jahr 1890 berechnete E. S. Fedorov theoretisch alle möglichen Formen von Kristallgittern, deren Zellen eine dichte Packung ermöglichen, und stellte fest, dass in der Natur nur 230 verschiedene Arten von Kristallgittern existieren können, die 32 Symmetrieklassen bilden. Untersuchungen an Kristallen unter Verwendung von Röntgenstrahlen, die im laufenden Jahrhundert durchgeführt wurden (siehe § 125), haben bestätigt, dass Kristalle aus symmetrisch angeordneten Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) bestehen, die ein Kristallgitter bilden. Darüber hinaus wurden durch Röntgenbeugungsanalyse einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Kristalle nur 230 verschiedene Arten von Kristallgittern entdeckt – völlig im Einklang mit den theoretischen Berechnungen von E. S. Fedorov.

Die Symmetrie der Anordnung der Teilchen im Kristallgitter beruht auf der Tatsache, dass in diesem Fall die Wechselwirkungskräfte (Anziehung und Abstoßung) zwischen den Teilchen ausgeglichen sind (siehe § 35). In diesem Fall ist die potentielle Energie der Teilchen minimal.

Die Abstände zwischen den Teilchen in einem Kristall sind klein – in der Größenordnung der Größe der Teilchen selbst. Der Abstand zwischen Molekülen in einer Flüssigkeit liegt in der gleichen Größenordnung, da bekanntlich beim Schmelzen eines Kristalls sein Volumen nicht wesentlich zunimmt.

Ein bemerkenswertes Merkmal des Kristalls ist seine Anisotropie; In verschiedenen Richtungen hat der Kristall unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Beispielsweise zeichnen sich ausnahmslos alle Kristalle durch eine Anisotropie der Festigkeit aus; Die überwiegende Mehrheit der Kristalle ist anisotrop in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Brechung usw. Die Anisotropie von Kristallen erklärt sich hauptsächlich dadurch, dass sich im Raumgitter die Anzahl der Teilchen pro Segment gleicher Länge, aber unterschiedlicher Richtung dreht unterschiedlich sein, wie in Abb. 96 (es gibt 8 Partikel auf einem horizontalen Abschnitt des Gitters, 6 Partikel auf einem geneigten Abschnitt, 3 Partikel auf einem anderen geneigten Abschnitt). Es ist klar, dass der Unterschied in der Dichte der Kristallgitterpartikel in verschiedenen Richtungen zu Unterschieden in vielen anderen Eigenschaften in diesen Richtungen des Kristalls führen sollte.

Der kristalline Zustand kommt in der Natur sehr häufig vor: Die meisten Feststoffe (Mineralien, Metalle, Pflanzenfasern, Proteine, Ruß, Gummi usw.) sind Kristalle. Allerdings haben nicht alle dieser Körper die gleichen klar ausgeprägten kristallinen Eigenschaften, die zuvor diskutiert wurden. Dabei werden Körper in zwei Gruppen eingeteilt: Einkristalle und Polykristalle. Ein Einkristall ist ein Körper, in dem alle Teilchen in ein gemeinsames räumliches Gitter passen. Der Einkristall ist anisotrop. Einkristalle

ist der Großteil der Mineralien. Ein Polykristall ist ein Körper, der aus vielen kleinen Einkristallen besteht, die zufällig relativ zueinander angeordnet sind. Daher sind Polykristalle isotrop, das heißt, sie haben in allen Richtungen die gleichen physikalischen Eigenschaften. Metalle sind Beispiele für Polykristalle. Ein Metall kann jedoch auch in Form eines Einkristalls erhalten werden, wenn die Schmelze langsam abgekühlt wird, indem zunächst ein Kristall dieses Metalls (der sogenannte Keim) hineingegeben wird. Um diesen Embryo herum wächst ein metallischer Einkristall.

Abhängig davon, aus welchen Partikeln das Kristallgitter besteht, gibt es vier Hauptgruppen von Gittern: ionische, atomare, molekulare und metallische.

Das Ionengitter wird durch entgegengesetzt geladene Ionen gebildet, die durch elektrische Kräfte an Gitterplätzen gehalten werden. Die überwiegende Mehrheit der Kristalle hat ein Ionengitter.

Das Atomgitter besteht aus neutralen Atomen, die durch chemische (Valenz-)Bindungen an Gitterplätzen gehalten werden: Nachbaratome teilen sich externe (Valenz-)Elektronen. Graphit hat beispielsweise ein Atomgitter.

Das Molekülgitter wird durch polare (Dipol-)Moleküle gebildet (siehe § 81), die ebenfalls durch elektrische Kräfte an Gitterknoten gehalten werden. Bei polaren Molekülen ist die Wirkung dieser Kräfte jedoch schwächer als bei Ionen. Daher verformen sich Stoffe mit einem Molekülgitter relativ leicht. Die meisten organischen Verbindungen (Zellulose, Gummi, Paraffin usw.) haben ein molekulares Kristallgitter.

Das Metallgitter besteht aus positiven Metallionen, die von freien Elektronen umgeben sind. Diese Elektronen binden die Ionen des Metallgitters zusammen. Dieses Gitter ist charakteristisch für Metalle.

Die moderne Physik betrachtet kristalline Körper als feste Körper. Flüssigkeiten zeichnen sich, wie bereits erwähnt, durch eine zufällige Anordnung der Partikel aus, daher sind Flüssigkeiten isotrop. Manche Flüssigkeiten können stark unterkühlt werden, ohne fest (kristallin) zu werden. Allerdings ist die Viskosität solcher Flüssigkeiten so enorm, dass sie praktisch ihre Fließfähigkeit verlieren und wie Feststoffe ihre Form behalten. Solche Körper werden als amorph bezeichnet. Daher betrachtet die moderne Physik amorphe Körper als unterkühlte Flüssigkeiten mit enormer Viskosität. Zu den amorphen Körpern gehören beispielsweise Var, Glas, Harz-Kolophonium usw. Es ist klar, dass amorphe Körper isotrop sind. Es ist jedoch zu bedenken, dass amorphe Körper über einen längeren Zeitraum in einen kristallinen Zustand übergehen können. Im Glas beispielsweise bilden sich mit der Zeit Kristalle: Es beginnt zu trüben und verwandelt sich in einen polykristallinen Körper.

Neuerdings organische amorphe Stoffe, deren einzelne Moleküle

Durch chemische (Valenz-)Bindungen verbinden (polymerisieren) sie sich zu langen Ketten, die teilweise aus vielen tausend Einzelmolekülen bestehen. Solche Stoffe nennt man Polymere. Typische Vertreter von Polymeren sind Kunststoffe. Eine sehr wertvolle Eigenschaft von Polymeren ist ihre hohe Elastizität und Festigkeit. Einige Polymere können beispielsweise einer elastischen Dehnung um das 2- bis 5-fache ihrer ursprünglichen Länge standhalten. Diese Eigenschaften des Polymers werden durch die Tatsache erklärt, dass sich lange Molekülketten bei Verformung zu dichten Kugeln zusammenrollen oder sich umgekehrt zu geraden Linien ausdehnen können. Derzeit werden aus natürlichen und künstlichen organischen Verbindungen Polymere mit unterschiedlichsten vorgegebenen Eigenschaften hergestellt.

Alle unbelebte Materie besteht aus Teilchen, die sich unterschiedlich verhalten können. Die Struktur gasförmiger, flüssiger und fester Körper weist ihre eigenen Merkmale auf. Die Partikel in Festkörpern werden dadurch zusammengehalten, dass sie sehr nahe beieinander liegen, was sie sehr stark macht. Darüber hinaus können sie eine bestimmte Form beibehalten, da sich ihre kleinsten Partikel praktisch nicht bewegen, sondern nur vibrieren. Moleküle in Flüssigkeiten liegen recht nahe beieinander, können sich aber frei bewegen, haben also keine eigene Form. Partikel in Gasen bewegen sich sehr schnell und haben in der Regel viel Platz um sie herum, sodass sie sich leicht komprimieren lassen.

Eigenschaften und Struktur von Festkörpern

Welche Struktur und strukturellen Merkmale haben Festkörper? Sie bestehen aus Partikeln, die sehr nahe beieinander liegen. Sie können sich nicht bewegen und bleiben daher in ihrer Form fixiert. Welche Eigenschaften hat ein Festkörper? Es komprimiert sich nicht, aber wenn es erhitzt wird, vergrößert sich sein Volumen mit steigender Temperatur. Dies geschieht, weil die Partikel zu vibrieren und sich zu bewegen beginnen, wodurch die Dichte abnimmt.

Festkörper zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine konstante Form haben. Wenn sich ein Festkörper erwärmt, nimmt die Bewegung der Teilchen zu. Sich schneller bewegende Teilchen kollidieren heftiger, wodurch jedes Teilchen seine Nachbarn anstößt. Daher führt eine Temperaturerhöhung in der Regel zu einer Steigerung der Körperkraft.

Kristallstruktur von Festkörpern

Die intermolekularen Wechselwirkungskräfte zwischen benachbarten Molekülen eines Festkörpers sind stark genug, um sie in einer festen Position zu halten. Liegen diese kleinsten Teilchen in einer hochgeordneten Konfiguration vor, werden solche Strukturen üblicherweise als kristallin bezeichnet. Fragen der inneren Ordnung der Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) eines Elements oder einer Verbindung werden von einer besonderen Wissenschaft behandelt – der Kristallographie.

Von besonderem Interesse sind auch Feststoffe. Durch die Untersuchung des Verhaltens von Partikeln und ihrer Struktur können Chemiker erklären und vorhersagen, wie sich bestimmte Arten von Materialien unter bestimmten Bedingungen verhalten. Die kleinsten Teilchen eines Festkörpers sind in einem Gitter angeordnet. Hierbei handelt es sich um die sogenannte regelmäßige Anordnung von Partikeln, bei der verschiedene chemische Bindungen zwischen ihnen eine wichtige Rolle spielen.

Die Bandentheorie der Struktur eines Festkörpers betrachtet ihn als eine Ansammlung von Atomen, die wiederum aus einem Kern und Elektronen bestehen. In der kristallinen Struktur befinden sich die Atomkerne in den Knotenpunkten des Kristallgitters, das durch eine gewisse räumliche Periodizität gekennzeichnet ist.

Wie ist die Struktur einer Flüssigkeit?

Die Struktur von Feststoffen und Flüssigkeiten ist insofern ähnlich, als sich die Partikel, aus denen sie bestehen, in unmittelbarer Nähe befinden. Der Unterschied besteht darin, dass sich die Moleküle frei bewegen, da die Anziehungskraft zwischen ihnen viel schwächer ist als in einem festen Körper.

Welche Eigenschaften hat die Flüssigkeit? Das erste ist die Fließfähigkeit, und das zweite ist, dass die Flüssigkeit die Form des Behälters annimmt, in den sie gegeben wird. Wenn Sie es erhitzen, erhöht sich die Lautstärke. Aufgrund der Nähe der Partikel zueinander kann die Flüssigkeit nicht komprimiert werden.

Wie ist der Aufbau und die Struktur gasförmiger Körper?

Die Gasteilchen sind zufällig angeordnet, sie sind so weit voneinander entfernt, dass zwischen ihnen keine Anziehungskraft entstehen kann. Welche Eigenschaften hat Gas und wie sind gasförmige Körper aufgebaut? In der Regel füllt das Gas den gesamten Raum, in dem es platziert wurde, gleichmäßig aus. Es lässt sich leicht komprimieren. Die Geschwindigkeit der Teilchen eines gasförmigen Körpers nimmt mit steigender Temperatur zu. Gleichzeitig steigt auch der Druck.

Der Aufbau gasförmiger, flüssiger und fester Körper ist durch unterschiedliche Abstände zwischen den kleinsten Partikeln dieser Stoffe gekennzeichnet. Gaspartikel sind viel weiter voneinander entfernt als feste oder flüssige Partikel. In Luft beispielsweise beträgt der durchschnittliche Abstand zwischen den Partikeln etwa das Zehnfache des Durchmessers jedes einzelnen Partikels. Somit nimmt das Volumen der Moleküle nur etwa 0,1 % des Gesamtvolumens ein. Die restlichen 99,9 % sind leerer Raum. Im Gegensatz dazu füllen Flüssigkeitspartikel etwa 70 % des gesamten Flüssigkeitsvolumens.

Jedes Gasteilchen bewegt sich frei auf einer geraden Bahn, bis es mit einem anderen Teilchen (Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) kollidiert. Normalerweise bewegen sich die Teilchen recht schnell, und nachdem zwei von ihnen zusammengestoßen sind, prallen sie voneinander ab und setzen ihren Weg alleine fort. Diese Kollisionen ändern Richtung und Geschwindigkeit. Diese Eigenschaften von Gaspartikeln ermöglichen es Gasen, sich auszudehnen und jede Form und jedes Volumen auszufüllen.

Zustandswechsel

Die Struktur gasförmiger, flüssiger und fester Körper kann sich verändern, wenn sie einem bestimmten äußeren Einfluss ausgesetzt werden. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise beim Erhitzen oder Abkühlen, können sie sogar in den Zustand des anderen übergehen.

• Verdunstung. Die Struktur und Eigenschaften flüssiger Körper ermöglichen es ihnen, unter bestimmten Bedingungen in einen völlig anderen Aggregatzustand überzugehen. Wenn Sie beispielsweise beim Tanken Ihres Autos versehentlich Benzin verschütten, können Sie schnell den stechenden Geruch bemerken. Wie kommt es dazu? Partikel bewegen sich durch die Flüssigkeit und erreichen schließlich die Oberfläche. Ihre gerichtete Bewegung kann diese Moleküle über die Oberfläche hinaus in den Raum über der Flüssigkeit befördern, aber die Schwerkraft zieht sie zurück. Wenn sich ein Teilchen hingegen sehr schnell bewegt, kann es von anderen Teilchen weit entfernt werden. Bei einer Erhöhung der Partikelgeschwindigkeit, die üblicherweise beim Erhitzen auftritt, kommt es also zum Verdampfungsprozess, also zur Umwandlung von Flüssigkeit in Gas.

Verhalten von Körpern in verschiedenen physikalischen Zuständen

Die Struktur von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern beruht hauptsächlich darauf, dass alle diese Stoffe aus Atomen, Molekülen oder Ionen bestehen, das Verhalten dieser Teilchen jedoch völlig unterschiedlich sein kann. Gasteilchen sind zufällig voneinander beabstandet, Flüssigkeitsmoleküle liegen nahe beieinander, sind aber nicht so starr strukturiert wie in einem Festkörper. Gaspartikel vibrieren und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit. Die Atome und Moleküle einer Flüssigkeit vibrieren, bewegen sich und gleiten aneinander vorbei. Auch Teilchen eines Festkörpers können vibrieren, Bewegung als solche ist für sie jedoch nicht charakteristisch.

Merkmale der internen Struktur

Um das Verhalten der Materie zu verstehen, müssen Sie zunächst die Merkmale ihrer inneren Struktur untersuchen. Was sind die inneren Unterschiede zwischen Granit, Olivenöl und Helium in einem Ballon? Ein einfaches Modell der Struktur der Materie hilft bei der Beantwortung dieser Frage.

Ein Modell ist eine vereinfachte Version eines realen Objekts oder einer realen Substanz. Bevor beispielsweise mit dem eigentlichen Bau begonnen wird, erstellen Architekten zunächst ein Modell des Bauvorhabens. Ein solches vereinfachtes Modell impliziert nicht unbedingt eine genaue Beschreibung, kann aber gleichzeitig eine ungefähre Vorstellung davon geben, wie eine bestimmte Struktur aussehen wird.

Vereinfachte Modelle

In der Wissenschaft sind Modelle jedoch nicht immer physische Körper. Im letzten Jahrhundert hat das menschliche Verständnis der physischen Welt erheblich zugenommen. Ein Großteil des gesammelten Wissens und der Erfahrung basiert jedoch auf äußerst komplexen Konzepten, wie beispielsweise mathematischen, chemischen und physikalischen Formeln.

Um dies alles zu verstehen, müssen Sie sich mit diesen exakten und komplexen Wissenschaften einigermaßen auskennen. Wissenschaftler haben vereinfachte Modelle entwickelt, um physikalische Phänomene zu visualisieren, zu erklären und vorherzusagen. All dies vereinfacht das Verständnis erheblich, warum manche Körper bei einer bestimmten Temperatur eine konstante Form und ein konstantes Volumen haben, während andere diese ändern können und so weiter.

Alle Materie besteht aus winzigen Teilchen. Diese Teilchen sind in ständiger Bewegung. Das Ausmaß der Bewegung hängt von der Temperatur ab. Eine erhöhte Temperatur weist auf eine Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit hin. Der Aufbau gasförmiger, flüssiger und fester Körper zeichnet sich durch die Bewegungsfreiheit ihrer Teilchen sowie durch die Stärke der gegenseitigen Anziehung der Teilchen aus. Die körperliche Verfassung hängt von seiner körperlichen Verfassung ab. Wasserdampf, flüssiges Wasser und Eis haben die gleichen chemischen Eigenschaften, ihre physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich jedoch deutlich.

Was sind die Merkmale der molekularen Struktur von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen? DRINGEND!!!

Antworten:

Die Anziehungskraft zwischen Molekülen derselben Substanz ist unterschiedlich. Beispielsweise hat Wasser drei Aggregatzustände: flüssig, fest und gasförmig. Die Moleküle einer Flüssigkeit verteilen sich nicht über große Entfernungen und die Flüssigkeit behält unter normalen Bedingungen ihr Volumen, aber nicht ihre Form. Die Moleküle einer Flüssigkeit liegen nahe beieinander. Die Abstände zwischen jeweils zwei Molekülen sind kleiner als die Größe der Moleküle, sodass die Anziehung zwischen ihnen erheblich wird. In Festkörpern ist die Anziehung zwischen Molekülen (Atomen) noch größer als in Flüssigkeiten. Daher behalten Feststoffe unter normalen Bedingungen ihre Form und ihr Volumen. In Festkörpern sind Moleküle (Atome) in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet. Dies sind Eis, Salz, Metalle usw. Solche Körper werden Kristalle genannt. Moleküle oder Atome von Festkörpern schwingen um einen bestimmten Punkt und können sich nicht weit von diesem entfernen. Ein fester Körper behält daher nicht nur sein Volumen, sondern auch seine Form. In Gasen ist der Abstand zwischen den Molekülen viel größer als die Größe der Moleküle selbst. Da die Abstände zwischen Molekülen im Durchschnitt zehnmal größer sind als die Größe der Moleküle, werden sie nur schwach voneinander angezogen. Gase haben keine eigene Form und kein konstantes Volumen.

Alle Gegenstände und Dinge, die uns täglich umgeben, bestehen aus verschiedenen Substanzen. Gleichzeitig sind wir es gewohnt, als Gegenstände und Dinge nur etwas Festes zu betrachten – zum Beispiel einen Tisch, einen Stuhl, eine Tasse, einen Stift, ein Buch usw.

Drei Zustände der Materie

Aber Wasser aus dem Wasserhahn oder Dampf aus heißem Tee betrachten wir nicht als Gegenstände und Dinge. Aber auch das alles gehört zur physikalischen Welt, nur sind Flüssigkeiten und Gase in einem anderen Aggregatzustand. Also, Es gibt drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Und jede Substanz kann sich nacheinander in jedem dieser Zustände befinden. Wenn wir einen Eiswürfel aus dem Gefrierschrank nehmen und ihn erhitzen, schmilzt er und verwandelt sich in Wasser. Wenn wir den Brenner eingeschaltet lassen, erhitzt sich das Wasser auf 100 Grad Celsius und verwandelt sich bald in Dampf. Wir beobachteten also den gleichen Stoff, also den gleichen Satz von Molekülen, wiederum in unterschiedlichen Aggregatzuständen. Aber wenn die Moleküle gleich bleiben, was ändert sich dann? Warum ist Eis hart und behält seine Form, Wasser nimmt leicht die Form einer Tasse an und Dampf verteilt sich vollständig in verschiedene Richtungen? Es geht um die molekulare Struktur.

Molekulare Struktur von Festkörpern ist so, dass die Moleküle sehr nahe beieinander liegen (der Abstand zwischen den Molekülen ist viel kleiner als die Größe der Moleküle selbst), und es ist sehr schwierig, die Moleküle in dieser Anordnung zu bewegen. Daher behalten Feststoffe ihr Volumen und ihre Form. Molekulare Struktur einer Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Molekülen ungefähr der Größe der Moleküle selbst entspricht, das heißt, die Moleküle sind nicht mehr so ​​nah beieinander wie in Festkörpern. Das bedeutet, dass sie sich relativ zueinander leichter bewegen lassen (weshalb Flüssigkeiten so leicht unterschiedliche Formen annehmen), die Anziehungskraft der Moleküle jedoch immer noch ausreicht, um ein Auseinanderfliegen der Moleküle zu verhindern und ihr Volumen beizubehalten. Und hier molekulare Struktur von Gas Im Gegensatz dazu ermöglicht es dem Gas weder, sein Volumen noch seine Form beizubehalten. Der Grund dafür ist, dass der Abstand zwischen Gasmolekülen viel größer ist als die Größe der Moleküle selbst und selbst die geringste Krafteinwirkung dieses wackelige System zerstören kann.

Der Grund für den Übergang eines Stoffes in einen anderen Zustand

Lassen Sie uns nun herausfinden, was der Grund für den Übergang einer Substanz von einem Zustand in einen anderen ist. Warum wird beispielsweise Eis beim Erhitzen zu Wasser? Die Antwort ist einfach: Die thermische Energie des Brenners wird in die innere Energie der Eismoleküle umgewandelt. Nachdem sie diese Energie erhalten haben, beginnen die Eismoleküle immer schneller zu vibrieren und geraten schließlich außer Kontrolle gegenüber benachbarten Molekülen. Wenn wir das Heizgerät ausschalten, bleibt das Wasser Wasser, wenn wir es jedoch eingeschaltet lassen, verwandelt sich das Wasser aus einem dort bereits bekannten Grund in Dampf.

Da Feststoffe Volumen und Form behalten, assoziieren wir sie mit der Welt um uns herum. Aber wenn wir genau hinschauen, werden wir feststellen, dass Gase und Flüssigkeiten auch einen wichtigen Teil der physischen Welt einnehmen. Beispielsweise besteht die Luft um uns herum aus einem Gasgemisch, dessen Hauptbestandteil Stickstoff auch eine Flüssigkeit sein kann – dafür muss er jedoch auf eine Temperatur von fast minus 200 Grad Celsius abgekühlt werden. Aber das Hauptelement einer gewöhnlichen Pfote – ein Wolframfaden – kann erst bei einer Temperatur von 3422 Grad Celsius geschmolzen, also flüssig werden.

Die Flüssigkeit nimmt in ihren Eigenschaften und ihrer Struktur eine Zwischenstellung zwischen Gasen und festen kristallinen Stoffen ein. Daher besitzt es sowohl die Eigenschaften gasförmiger als auch fester Stoffe. In der molekularkinetischen Theorie werden unterschiedliche Aggregatzustände einer Substanz mit unterschiedlichen Graden der molekularen Ordnung in Verbindung gebracht. Für Feststoffe gilt das sogenannte Langstreckenauftrag in der Anordnung der Teilchen, d.h. ihre geordnete Anordnung, die sich über große Entfernungen wiederholt. Bei Flüssigkeiten gibt es ein sogenanntes Ordnung schließen in der Anordnung der Teilchen, d.h. Ihre geordnete Anordnung, die sich über Entfernungen wiederholt, ist mit interatomaren vergleichbar. Bei Temperaturen nahe der Kristallisationstemperatur ähnelt die Struktur der Flüssigkeit einem Feststoff. Bei hohen Temperaturen nahe dem Siedepunkt entspricht die Struktur der Flüssigkeit dem gasförmigen Zustand – fast alle Moleküle nehmen an chaotischen thermischen Bewegungen teil.

Flüssigkeiten haben wie Feststoffe ein bestimmtes Volumen und nehmen wie Gase die Form des Behälters an, in dem sie sich befinden. Gasmoleküle sind praktisch nicht durch die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung miteinander verbunden, und in diesem Fall ist die durchschnittliche Energie der thermischen Bewegung von Gasmolekülen viel größer als die durchschnittliche potentielle Energie, die durch die Anziehungskräfte zwischen ihnen, also dem Gas, verursacht wird Moleküle fliegen in verschiedene Richtungen auseinander und das Gas nimmt das ihm zur Verfügung gestellte Volumen ein. In Festkörpern und Flüssigkeiten sind die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen bereits erheblich und halten die Moleküle in einem gewissen Abstand voneinander. In diesem Fall ist die durchschnittliche Energie der thermischen Bewegung von Molekülen aufgrund der Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung geringer als die durchschnittliche potentielle Energie und reicht nicht aus, um die Anziehungskräfte zwischen Molekülen zu überwinden, daher haben Feststoffe und Flüssigkeiten ein bestimmtes Volumen.

Der Druck in Flüssigkeiten steigt mit zunehmender Temperatur und abnehmendem Volumen sehr stark an. Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten ist viel geringer als die von Dämpfen und Gasen, da die Kräfte, die die Moleküle in der Flüssigkeit verbinden, größer sind; Die gleiche Bemerkung gilt für die Wärmeausdehnung.

Die Wärmekapazitäten von Flüssigkeiten nehmen normalerweise mit der Temperatur zu (wenn auch nur geringfügig). Das Verhältnis Ср/СV ist praktisch gleich eins.

Die Theorie der Flüssigkeiten ist noch nicht vollständig entwickelt. Die Entwicklung einer Reihe von Problemen bei der Untersuchung komplexer Eigenschaften von Flüssigkeiten gehört zu Ya.I. Frenkel (1894–1952). Er erklärte die thermische Bewegung in einer Flüssigkeit damit, dass jedes Molekül einige Zeit um eine bestimmte Gleichgewichtsposition oszilliert und sich danach abrupt in eine neue Position bewegt, die von der ursprünglichen in einem Abstand in der Größenordnung von interatomaren Abständen getrennt ist. Somit bewegen sich die Moleküle der Flüssigkeit relativ langsam durch die gesamte Flüssigkeitsmasse. Mit zunehmender Temperatur der Flüssigkeit nimmt die Frequenz der Schwingungsbewegung stark zu und die Beweglichkeit der Moleküle nimmt zu.

Basierend auf dem Frenkel-Modell ist es möglich, einiges zu erklären Unterscheidungsmerkmale Eigenschaften der Flüssigkeit. Daher haben Flüssigkeiten selbst in der Nähe der kritischen Temperatur eine viel größere Temperatur Viskosität als Gase, und die Viskosität nimmt mit steigender Temperatur ab (und steigt nicht wie bei Gasen). Dies erklärt sich aus der unterschiedlichen Natur des Impulsübertragungsprozesses: Er wird durch Moleküle übertragen, die von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen springen, und diese Sprünge werden mit zunehmender Temperatur deutlich häufiger. Diffusion in Flüssigkeiten geschieht dies nur durch Molekülsprünge, und zwar viel langsamer als in Gasen. Wärmeleitfähigkeit Flüssigkeiten entstehen durch den Austausch kinetischer Energie zwischen Teilchen, die mit unterschiedlichen Amplituden um ihre Gleichgewichtspositionen schwingen; Plötzliche Molekülsprünge spielen keine nennenswerte Rolle. Der Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit ähnelt dem Mechanismus in Gasen. Ein charakteristisches Merkmal einer Flüssigkeit ist ihre Fähigkeit Freie Oberfläche(nicht durch feste Wände begrenzt).

Für die molekulare Struktur von Flüssigkeiten wurden mehrere Theorien vorgeschlagen.

1. Zonenmodell. Man kann davon ausgehen, dass eine Flüssigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt aus Bereichen besteht, in denen die Moleküle in der richtigen Reihenfolge angeordnet sind und eine Art Mikrokristall (Zone) bilden. Diese Bereiche scheinen durch eine Substanz im gasförmigen Zustand getrennt zu sein. Im Laufe der Zeit bilden sich diese Bereiche an anderen Orten usw.

2. Theorie der quasikristallinen Struktur. Betrachten wir einen Kristall, der sich bei der absoluten Nulltemperatur befindet (siehe Abb. 9.9.)

Wählen wir darin eine beliebige Richtung aus und erstellen wir einen Graphen der Wahrscheinlichkeit P, ein Gasmolekül in einem bestimmten Abstand von einem anderen Molekül am Koordinatenursprung zu finden (Abb. 9.9). A), während sich die Moleküle an den Knotenpunkten des Kristallgitters befinden. Bei höheren Temperaturen (Abb.9.9, B) Moleküle schwingen um feste Gleichgewichtspositionen, in deren Nähe sie die meiste Zeit verbringen. Die strenge Periodizität der Wiederholung von Wahrscheinlichkeitsmaxima in einem idealen Kristall erstreckt sich beliebig weit vom ausgewählten Teilchen entfernt; Daher ist es üblich zu sagen, dass es in einem Festkörper eine „Fernordnung“ gibt.

Bei Flüssigkeit (Abb.9.9, V) In der Nähe jedes Moleküls sind seine Nachbarn mehr oder weniger regelmäßig angeordnet, in einiger Entfernung ist diese Ordnung jedoch verletzt (Nahbereichsordnung). In der Grafik werden Abstände in Bruchteilen des Molekülradius (r/r 0) gemessen.

3. Thermodynamisches Modell. In dieser Theorie wird die Menge eingeführt - radiale Verteilungsfunktion- stellt die Wahrscheinlichkeit dar, ein bestimmtes Atompaar in einem Abstand von R bis R+dR zu entdecken

wobei als eine bestimmte „lokale Konzentration von Molekülen in einem Abstand r von der „ausgewählten“ betrachtet werden kann: Daher ist die radiale Verteilungsfunktion f(R) gleich dem Verhältnis der Konzentrationen: „lokale“ Flüssigkeit.