§ 28. Взаимодействие молекул

Определения и обозначения

Межмолекулярное взаимодействие — взаимное действие молекул друг на друга. Оно проявляется на малых расстояниях и может как сближать частицы, так и мешать их сближению. Это понятие помогает объяснить, почему вещества сохраняют свои свойства, хотя состоят из отдельных движущихся молекул.

Сила притяжения — действие, с помощью которого молекулы стремятся сблизиться. Благодаря этой силе частицы удерживаются рядом, а растянутое тело может стремиться вернуться к прежней форме. Притяжение важно учитывать, когда мы объясняем связность твёрдых тел и жидкостей.

Сила отталкивания — действие, препятствующее чрезмерному сближению молекул. Когда расстояние между частицами становится очень маленьким, отталкивание резко усиливается. Именно оно помогает понять, почему вещество не сжимается до бесконечно малого объёма.

Равновесное расстояние — расстояние между молекулами, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. При таком расстоянии ни одна из двух сил не преобладает, хотя молекулы продолжают двигаться. Это понятие нужно, чтобы объяснить устойчивое расположение частиц в веществе.

Как это устроено

Молекулы взаимодействуют заметно только тогда, когда находятся достаточно близко. На большом расстоянии действие одной молекулы на другую становится настолько слабым, что им часто можно пренебречь. Поэтому далеко расположенные частицы почти не влияют друг на друга, хотя сами по себе силы взаимодействия никуда не исчезают.

Когда молекулы сближаются, они начинают притягиваться: притяжение стремится уменьшить расстояние между ними. Но при чрезмерном сближении резко возрастает отталкивание, и частицы уже не могут свободно занять одно и то же место. Значит, молекулы не слипаются в одну точку: притяжение сменяется преобладанием отталкивания, если расстояние становится слишком малым.

На некотором расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Если молекулы немного раздвинуть, притяжение стремится сблизить их; если слишком сблизить — усилившееся отталкивание стремится раздвинуть. Так возникает устойчивое среднее расстояние между частицами, но не их неподвижность: молекулы продолжают хаотически двигаться около своего положения.

У твёрдого тела при сжатии расстояния между молекулами уменьшаются, поэтому быстро усиливается отталкивание и тело сопротивляется сжатию. При растяжении молекулы удаляются дальше равновесного расстояния, а притяжение стремится вернуть их назад — так проявляется упругость. В жидкости частицы могут перемещаться, но притяжение между ними помогает жидкости сохранять объём, даже если она меняет форму под действием сосуда.

Смачивание зависит от того, насколько сильно молекулы жидкости притягиваются к молекулам поверхности по сравнению с притяжением друг к другу. Если притяжение к поверхности сильнее, жидкость растекается по ней; если сильнее притяжение между молекулами самой жидкости, она собирается в капли. Поэтому для объяснения смачивания нужно учитывать и жидкость, и материал поверхности.

Взаимодействие молекул при разных расстояниях

В таблице сопоставлены расстояние между частицами, преобладающая сила и результат её действия. Сравнивайте строки сверху вниз: при сближении характер взаимодействия меняется. Последняя строка показывает, где эти явления можно заметить в обычных веществах и устройствах.

Разбор задач

Задача 1. Почему два кусочка пластилина после соприкосновения можно соединить, а два отполированных металлических бруска при сильном прижатии могут сцепиться?

1. Сопоставим расстояние между частицами на соприкасающихся поверхностях: при хорошем контакте молекулы оказываются достаточно близко друг к другу.
2. На таких расстояниях заметны силы притяжения. Они действуют между молекулами двух кусочков, поэтому поверхности могут удерживаться вместе.
3. У пластилина контакт легко получить простым нажатием, а ровные отполированные металлические поверхности при сильном прижатии тоже сближаются очень близко. В обоих случаях причина сцепления одна — межмолекулярное притяжение.

Ответ: кусочки соединяются и металлические бруски сцепляются потому, что на малом расстоянии молекулы разных частей притягиваются друг к другу.

Задача 2. Почему твёрдое тело трудно сжать, но его можно растянуть, приложив силу?

1. При сжатии частицы тела подталкивают ближе друг к другу, чем их равновесное расстояние.
2. На таком расстоянии резко усиливается отталкивание. Оно мешает дальнейшему сближению молекул, и поэтому тело сопротивляется сжатию.
3. При растяжении расстояние между частицами увеличивается. Возникающее притяжение стремится вернуть молекулы ближе, поэтому для растяжения нужно приложить силу, а после снятия нагрузки тело может стремиться восстановить форму.

Ответ: сжатию препятствует усиливающееся отталкивание, а при растяжении притяжение стремится вернуть частицы к равновесному расстоянию.

Задача 3. Капля воды растекается по чистому стеклу, а капля ртути собирается в шарик. Объясните различие поведения жидкостей.

1. Сравним две силы: притяжение между молекулами самой жидкости и притяжение между молекулами жидкости и стекла.
2. У воды притяжение к чистому стеклу достаточно велико по сравнению с притяжением между молекулами воды. Поэтому вода стремится увеличить площадь контакта и растекается.
3. У ртути сильнее притяжение её молекул друг к другу, чем к стеклу. Молекулы ртути удерживаются вместе, поэтому капля собирается, а не растекается по поверхности.

Ответ: вода смачивает стекло, а ртуть образует каплю из-за различного соотношения сил притяжения жидкости к самой себе и к поверхности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что между молекулами действует только притяжение. Так думают, потому что именно притяжение часто объясняет сцепление частиц. Но без отталкивания молекулы могли бы сблизиться чрезмерно; проверьте себя, вспомнив, почему тело сопротивляется сжатию.

Ошибка: утверждать, что силы заметны на любых расстояниях. Легко представить взаимодействие постоянным, однако при удалении частиц его действие практически исчезает. Проверьте ответ вопросом: достаточно ли далеко расположенные молекулы влияют друг на друга заметным образом?

Ошибка: путать равновесие с неподвижностью молекул. Равновесие означает, что силы притяжения и отталкивания уравновешены на определённом расстоянии, а не что частицы замерли. Проверка простая: вспомните, что молекулы продолжают хаотически двигаться.

Ошибка: объяснять смачивание только свойствами жидкости. Такое объяснение не учитывает притяжение жидкости к поверхности и потому не объясняет разницу между водой и ртутью на стекле. Проверьте себя: сравнили ли вы притяжение молекул жидкости друг к другу с их притяжением к материалу?

Связь с другими темами

Для понимания взаимодействия молекул нужны основные положения молекулярно-кинетической теории и знания о различиях между твёрдыми телами, жидкостями и газами. Эта тема помогает объяснить упругость, прочность, текучесть, поверхностное натяжение и капиллярные явления. Позже она пригодится при изучении давления, агрегатных превращений и свойств веществ, потому что все эти явления связаны с движением и взаимодействием частиц.

Что запомнить

• Молекулы взаимодействуют друг с другом на малых расстояниях.
• При сближении молекул действуют одновременно силы притяжения и отталкивания.
• При чрезмерном сближении резко возрастает сила отталкивания.
• На некотором расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются.
• Взаимодействие молекул объясняет многие свойства твёрдых тел и жидкостей.
• Смачивание зависит от соотношения сил между молекулами жидкости и поверхности.