§ 59. Силы взаимодействия молекул

Определения и обозначения

Силы взаимодействия молекул — силы, действующие между молекулами и зависящие от расстояния между ними. Чем меняется расстояние, тем иначе проявляется их совместное действие. Это понятие помогает понять, почему молекулы влияют друг на друга и почему свойства вещества связаны с их расположением.

Силы притяжения — составляющая взаимодействия молекул, стремящаяся сблизить их. Такое действие заметно на обычных межмолекулярных расстояниях. Оно помогает объяснить, почему молекулы вещества не разлетаются сразу друг от друга.

Силы отталкивания — составляющая взаимодействия молекул, препятствующая их чрезмерному сближению. При очень малом расстоянии отталкивание становится особенно сильным. Без него молекулы могли бы сближаться всё больше, поэтому эта сила объясняет устойчивость их взаимного расположения.

Равновесное расстояние — расстояние между молекулами, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Их модули равны, а направления противоположны, поэтому результирующая сила равна нулю. Это понятие позволяет определить положение, в котором молекулы не стремятся ни сблизиться, ни разойтись под действием этих сил.

Как это устроено

Взаимодействие молекул обусловлено электрическими силами между заряженными частицами, входящими в их состав. В каждой молекуле есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Электрические силы между этими частицами и создают притяжение и отталкивание между молекулами. Их общее действие зависит от того, как расположены частицы и насколько далеко молекулы находятся друг от друга.

При сравнительно больших расстояниях взаимодействие молекул очень слабое, а при сближении заметно усиливается. Причина в том, что электрическое влияние быстро ослабевает при удалении. Когда молекулы оказываются ближе, их заряженные частицы сильнее влияют друг на друга. Поэтому небольшое изменение расстояния может заметно изменить результирующую силу.

На обычных межмолекулярных расстояниях преобладает притяжение, но при сильном сближении резко возрастает отталкивание. Пока молекулы не подошли слишком близко, притягивающее действие позволяет им удерживаться рядом. При дальнейшем сближении электронные оболочки начинают сильно влиять друг на друга, и отталкивание растёт. Оно становится сильнее притяжения и препятствует ещё большему сближению молекул.

Равновесное расстояние устанавливается потому, что на нём силы притяжения и отталкивания равны по модулю и противоположны по направлению. Каждая сила при этом продолжает действовать, но их совместный эффект уравновешен. Если молекулы немного сблизить, сильнее проявится отталкивание, которое стремится вернуть их дальше друг от друга. Если их немного раздвинуть, притяжение будет стремиться снова сблизить их.

Молекулярные силы проявляются на малых расстояниях: именно поэтому действие одной молекулы на другую быстро ослабевает при удалении. При достаточно большом промежутке влияние заряженных частиц одной молекулы на другую становится очень слабым. Это объясняет, почему взаимодействие заметно при сближении, но не одинаково сильно на любом расстоянии. Следовательно, чтобы определить, как поведут себя молекулы, нужно учитывать не только наличие сил, но и расстояние между ними.

Взаимодействие молекул при разных расстояниях

Сначала сравните указанное расстояние с равновесным, а затем определите, какая составляющая взаимодействия преобладает. Для равновесного положения результирующее действие равно нулю, хотя обе силы сохраняются. В таблице «около равновесного» описывает область, а точная компенсация относится именно к равновесному расстоянию.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему две молекулы, находящиеся на обычном межмолекулярном расстоянии, притягиваются. Здесь не требуется вычислять силу: нужно выяснить, какая её составляющая преобладает. Рассмотрим расстояние, типичное для вещества, и сравним притяжение с отталкиванием.

1. Определяем, что молекулы находятся не на очень большом расстоянии и не чрезмерно близко. Значит, взаимодействие между ними заметно, но сильное отталкивание из-за тесного сближения ещё не преобладает.
2. На обычном расстоянии составляющая притяжения сильнее отталкивающей. Поэтому результирующее действие направлено на сближение молекул, а не на их удаление.

Ответ: молекулы притягиваются, потому что на обычном межмолекулярном расстоянии преобладает сила притяжения.

Задача 2. Расстояние между двумя молекулами стало меньше равновесного. Определите направление результирующей силы и объясните ответ. Чтобы решить задачу, сравним новое положение с тем, при котором силы точно компенсировались. При чрезмерном сближении взаимодействие уже не уравновешено.

1. На равновесном расстоянии притяжение и отталкивание равны по модулю, поэтому их результирующая равна нулю. Если молекулы сблизить ещё сильнее, равновесие нарушится.
2. При расстоянии меньше равновесного резко возрастает отталкивание. Оно сильнее притяжения и направлено так, чтобы увеличить расстояние между молекулами.

Ответ: результирующая сила направлена от одной молекулы к другой, то есть стремится раздвинуть их, потому что при чрезмерном сближении преобладает отталкивание.

Задача 3. Молекулы сначала находились на равновесном расстоянии, затем их раздвинули. Опишите, как меняется взаимодействие и почему молекулы стремятся вернуться. Важно отследить, в какую сторону изменилось расстояние относительно равновесного. Новое положение уже не соответствует компенсации сил.

1. В начальном положении силы притяжения и отталкивания уравновешивались. После раздвижения расстояние стало больше равновесного, поэтому равновесное соотношение сил нарушилось.
2. При таком увеличении расстояния притягивающее действие стремится сблизить молекулы. Оно направлено обратно к прежнему расстоянию, а при достаточно большом удалении само взаимодействие становится слабым.

Ответ: после раздвижения возникает результирующее притяжение, которое стремится вернуть молекулы к равновесному расстоянию. Чем дальше они удалены, тем слабее взаимодействие.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы только притягиваются. Такое представление возникает, если обращать внимание лишь на удержание молекул рядом. Но при чрезмерном сближении резко проявляется отталкивание. Проверьте себя: если расстояние меньше равновесного, результирующее действие должно препятствовать сближению.

Ошибка: полагать, что при равновесном расстоянии взаимодействия нет. Нулевой результат часто ошибочно принимают за отсутствие сил. На самом деле притяжение и отталкивание действуют одновременно, но компенсируют друг друга. Проверка простая: нулевой результирующей соответствует равенство двух ненулевых сил, а не их исчезновение.

Ошибка: путать равенство сил с отсутствием движения. Равенство противоположных сил означает нулевую результирующую, но не уничтожает сами силы и не доказывает, что молекула вообще не движется. Эту ошибку допускают, смешивая равновесие сил с полной неподвижностью. Проверяйте, о чём говорится: силы задают ускорение, а не сами по себе наличие или отсутствие движения.

Ошибка: считать, что молекулярные силы одинаково заметны на любых расстояниях. Можно перенести на молекулы представление о постоянном действии на любом удалении. Однако с увеличением расстояния их взаимодействие быстро ослабевает. Проверьте вывод, сравнив близкое расположение молекул с их значительным удалением: в последнем случае влияние очень слабое.

Связь с другими темами

Для понимания молекулярных сил нужно знать, что молекулы состоят из электрически заряженных частиц. Взаимодействие молекул помогает объяснить свойства твёрдых тел, жидкостей и газов: расстояния и характер движения их частиц различаются. Позднее эта идея пригодится при изучении поверхностного натяжения, упругости и давления газа. В этих темах поведение вещества также связывают с взаимодействием его частиц.

Что запомнить

• Молекулы взаимодействуют друг с другом.
• Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу.
• Силы взаимодействия зависят от расстояния между молекулами.
• При обычном сближении молекулы притягиваются.
• При чрезмерном сближении преобладает отталкивание.
• На равновесном расстоянии силы притяжения и отталкивания компенсируют друг друга.
• При значительном удалении взаимодействие молекул становится очень слабым.