§23. Взаимодействие молекул и атомов

Определения и обозначения

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между молекулами и атомами, обусловленное электрическими силами между их частицами. Иными словами, поведение целых молекул связано с действием сил между электронами и ядрами. Понятие нужно, чтобы объяснять, почему частицы вещества влияют друг на друга, даже если не соприкасаются.

Силы притяжения — составляющая взаимодействия, которая стремится сблизить молекулы или атомы. Если такая сила преобладает, расстояние между частицами уменьшается. Её выделяют отдельно, чтобы описывать, почему частицы могут удерживаться рядом и образовывать вещество.

Силы отталкивания — составляющая взаимодействия, которая препятствует чрезмерному сближению молекул или атомов. При малом расстоянии её действие становится особенно существенным. Это понятие помогает понять, почему частицы не сливаются в одну точку и почему вещество сопротивляется сжатию.

Равновесное расстояние — расстояние между центрами частиц, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Результирующая сила в таком положении равна нулю, хотя обе силы продолжают действовать. Понятие нужно, чтобы описывать устойчивое взаимное расположение соседних частиц и их реакцию на смещение.

Как это устроено

Атомы и молекулы не являются неделимыми нейтральными точками: внутри них есть ядра и электроны, несущие электрические заряды. Поэтому соседние частицы взаимодействуют через электрические силы между этими составляющими. Хотя атом или молекула в целом обычно нейтральны, распределение зарядов внутри них определяет, притягиваются они или отталкиваются на данном расстоянии.

Соотношение притяжения и отталкивания меняется, если изменить расстояние между частицами. Причина в том, что взаимодействие отдельных зарядов зависит от их взаимного расположения, а при движении частиц меняется расположение их электронов и ядер. Следовательно, нельзя описать действие соседней молекулы одной неизменной силой, не учитывая расстояние.

Когда частицы находятся далеко, их электрическое влияние друг на друга становится очень слабым. По мере сближения взаимодействие заметно усиливается, и на подходящих расстояниях проявляется результирующее притяжение. Именно поэтому далёкие соседи в газе могут почти не влиять на движение выбранной молекулы, а близкие частицы взаимодействуют ощутимее.

Если продолжать сближение, электронные оболочки соседних атомов начинают сильно перекрываться. Такое сближение энергетически невыгодно, и взаимодействие электронов приводит к резкому росту отталкивания. В результате частицы не могут беспрепятственно занять одно и то же место, а вещество сопротивляется сильному сжатию.

На некотором расстоянии притяжение и отталкивание равны по модулю и направлены противоположно, поэтому их результирующая равна нулю. Если расстояние немного увеличить, сильнее проявляется притяжение: оно направлено обратно, к исходному положению. Если расстояние уменьшить, преобладает отталкивание, направленное на увеличение расстояния; так система стремится вернуться к равновесию.

Силы взаимодействия молекул и атомов

Сравнивайте силы в одной и той же ситуации: при одинаковом расстоянии они являются составляющими общего взаимодействия. Таблица показывает, какая сила стремится сблизить частицы, а какая — раздвинуть их. Особенно внимательно проследите строки о сближении: смена преобладающей силы объясняет появление равновесного расстояния.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему молекулы газа, находящиеся далеко друг от друга, почти не влияют на движение соседних молекул. Нужно связать характер движения не с отсутствием взаимодействия вообще, а с его величиной на большом расстоянии. Для этого сопоставим расстояние между частицами с тем, как меняются межмолекулярные силы.

1. Молекулы газа находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. Поэтому электрическое влияние одной молекулы на другую оказывается слабым.
2. Слабая сила лишь немного меняет движение соседней молекулы за рассматриваемое время. Значит, в простом описании можно пренебречь этим влиянием.

Ответ: далёкие молекулы почти не влияют друг на друга, потому что сила взаимодействия быстро ослабевает с увеличением расстояния.

Задача 2. Сравнить действие сил при сближении молекул сначала с большого расстояния, а затем при очень малом расстоянии. Здесь важно проследить не за одной силой, а за тем, какая из двух составляющих преобладает. Сближение проходит через области с разным соотношением притяжения и отталкивания.

1. С большого расстояния молекулы взаимодействуют слабо. При сближении становится заметнее притяжение, которое направлено на дальнейшее уменьшение расстояния.
2. При очень малом расстоянии резко усиливается отталкивание. Оно начинает преобладать и мешает молекулам сближаться дальше.
3. Следовательно, действие сил при сближении меняется: сначала частицы притягиваются, а при чрезмерно малом расстоянии сильнее отталкиваются.

Ответ: при сближении сначала заметнее становится притяжение, но на очень малом расстоянии резко возрастает отталкивание.

Задача 3. Частицы находятся на равновесном расстоянии. Определить направление результирующей силы, если расстояние немного уменьшить или увеличить. В исходном положении силы притяжения и отталкивания уравновешены, поэтому результирующая сила равна нулю. После смещения нужно выяснить, какая составляющая начинает преобладать.

1. Если расстояние уменьшить, частицы окажутся ближе равновесного положения. На таком малом расстоянии сильнее проявляется отталкивание, направленное в сторону увеличения расстояния.
2. Если расстояние увеличить, частицы окажутся дальше равновесного положения. Тогда преобладает притяжение, направленное на сближение частиц.
3. В обоих случаях результирующая сила направлена к равновесному положению. Значит, отклонение вызывает действие, которое стремится его уменьшить.

Ответ: при уменьшении расстояния результирующая сила направлена на раздвижение частиц, при увеличении — на их сближение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что между частицами действуют только силы притяжения. Так думают, потому что притяжение объясняет, почему молекулы удерживаются рядом. Но при сильном сближении существенно возрастает отталкивание; проверка простая: спросите, почему вещество не сжимается до бесконечно малого объёма.

Ошибка: путать равновесное расстояние с отсутствием взаимодействия. Нулевая результирующая сила может показаться признаком того, что частицы перестали действовать друг на друга. На самом деле две силы остаются, но компенсируются; проверьте себя, разделив понятия «отдельные силы» и «их сумма».

Ошибка: считать взаимодействие одинаково сильным на любых расстояниях. Её допускают, если представляют молекулы как частицы, всегда одинаково влияющие друг на друга. В действительности взаимодействие ослабевает с расстоянием; для проверки сравните близкие и далёкие молекулы газа.

Ошибка: объяснять отталкивание тем, что частицы имеют одинаковый заряд. Такая идея возникает из правила об отталкивании одноимённых зарядов, но молекулы и атомы в целом нейтральны. При малом расстоянии отталкивание связано с взаимодействием электронных оболочек; проверьте объяснение, различая заряд частицы целиком и заряды внутри неё.

Связь с другими темами

Чтобы понять происхождение взаимодействия, нужно знать состав атома и молекулы, а также основы электрического взаимодействия зарядов. Рассмотрение сил помогает объяснить свойства твёрдых тел, жидкостей и газов, в том числе сопротивление сжатию и сохранение объёма. Представление о взаимодействии частиц понадобится при изучении теплового движения, агрегатных состояний вещества и молекулярной физики.

Что запомнить

• Молекулы и атомы взаимодействуют благодаря электрическим силам.
• Взаимодействие частиц зависит от расстояния между ними.
• На сравнительно больших расстояниях заметнее притяжение.
• При очень малом расстоянии резко усиливается отталкивание.
• На равновесном расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются.
• При смещении от равновесного положения возникает результирующая сила.