§ 2.4. Силы взаимодействия молекул

Определения и обозначения

Сила межмолекулярного взаимодействия — сила, действующая между молекулами и имеющая электрическую природу. Её обозначают обычно буквой F и рассматривают как результат действия сил притяжения и отталкивания. Это понятие нужно, чтобы объяснять, почему частицы вещества не движутся независимо друг от друга.

Сила притяжения — составляющая межмолекулярного взаимодействия, направленная на сближение молекул. Она особенно заметна, когда молекулы находятся на расстоянии немного больше равновесного. Благодаря ей частицы удерживаются рядом и могут возвращаться к обычному расстоянию.

Сила отталкивания — составляющая межмолекулярного взаимодействия, направленная на удаление молекул друг от друга. При тесном сближении она возрастает очень быстро и не позволяет молекулам бесконечно приближаться. Это понятие помогает понять сопротивление вещества сжатию.

Равновесное расстояние — расстояние между молекулами, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Его обозначают r₀; при r = r₀ результирующая сила равна нулю. Это не означает отсутствия взаимодействия: обе составляющие существуют, но компенсируют друг друга.

Как это устроено

Молекулы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Поэтому взаимодействие молекул имеет электрическую природу: их заряженные части и электронные оболочки создают электрические поля. Поля разных частей соседних молекул складываются, и в зависимости от расстояния получается притяжение или отталкивание.

На сравнительно больших расстояниях молекулы обычно притягиваются. Электрические поля их частей взаимодействуют так, что состояние с меньшим расстоянием оказывается более выгодным по энергии. Поэтому возникает сила, направленная навстречу друг другу, хотя молекулы в целом электрически нейтральны.

При тесном сближении электронные оболочки начинают перекрываться. Электроны соседних молекул препятствуют попаданию друг в друга, а положительные ядра также испытывают отталкивание. Поэтому при дальнейшем уменьшении расстояния сила отталкивания растёт особенно резко.

Результирующая сила зависит от того, какая составляющая больше. Если r меньше r₀, отталкивание превышает притяжение и сила направлена на раздвижение молекул; если r больше r₀, преобладает притяжение и сила направлена на их сближение. При r = r₀ направления противоположных сил компенсируются.

С увеличением расстояния электрические поля молекул становятся слабее, а взаимное влияние их частей уменьшается. Когда расстояние значительно превышает размеры молекул, притяжение и отталкивание практически исчезают. Поэтому межмолекулярное взаимодействие существенно только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул.

Зависимость межмолекулярных сил от расстояния

Сначала найдите в таблице положение расстояния относительно r₀, а затем сравните две составляющие силы. Последний столбец показывает не отдельную силу, а их общий результат и его направление. При чтении графика положительные значения можно связывать с отталкиванием, а отрицательные — с притяжением.

Разбор задач

Задача 1

Две молекулы находятся на расстоянии меньше равновесного. Нужно определить направление результирующей силы и характер их движения при отсутствии других воздействий. Рассмотрим не мгновенную скорость, а ускорение, которое создаёт сила.

1. При r < r₀ сила отталкивания больше силы притяжения.
2. Результирующая сила направлена от одной молекулы к другой наружу, то есть молекулы должны раздвигаться.
3. По второму закону Ньютона ускорение каждой молекулы направлено так же, как действующая на неё результирующая сила.

Ответ: молекулы отталкиваются и начинают удаляться друг от друга, если их начальные скорости не мешают этому движению. При ненулевой начальной скорости направление движения в первый момент может отличаться от направления силы.

Задача 2

По графику зависимости результирующей силы от расстояния нужно определить равновесное расстояние и участки притяжения и отталкивания. Будем считать, что выше оси расстояния отложено отталкивание, а ниже — притяжение.

1. Найдите точку пересечения графика с осью F = 0: в ней результирующая сила равна нулю.
2. Расстояние, соответствующее этой точке, есть равновесное расстояние r₀.
3. Слева от r₀ график находится в области положительных значений, значит, там преобладает отталкивание; справа отрицательные значения соответствуют притяжению.

Ответ: равновесное расстояние определяется нулём графика, участок до него соответствует отталкиванию, а участок после него — притяжению. При очень больших r график приближается к нулю, потому что взаимодействие ослабевает.

Задача 3

Нужно объяснить, почему твёрдое тело сопротивляется и сжатию, и растяжению. В модели вещества частицы колеблются около равновесных положений, поэтому любое заметное изменение расстояния вызывает возвращающую силу.

1. При сжатии расстояние между соседними молекулами становится меньше r₀.
2. На таком участке преобладает отталкивание, направленное против сжатия.
3. При растяжении расстояние становится больше r₀, и преобладает притяжение, направленное против удаления частиц.

Ответ: сопротивление сжатию объясняется резким отталкиванием близко расположенных молекул, а сопротивление растяжению — их притяжением при увеличении расстояния. После прекращения внешнего воздействия эти силы стремятся вернуть частицы к равновесным положениям.

Типичные ошибки

Только притяжение. Ошибка возникает, если представить молекулы как маленькие магниты, которые всегда стремятся сблизиться. При очень малом расстоянии электронные оболочки перекрываются, и резко возрастает отталкивание. Проверка: всегда сравнивайте расстояние с r₀.

Сила равна движению. Ученик может считать, что тело мгновенно движется туда, куда направлена сила. На самом деле сила задаёт ускорение, а скорость зависит ещё и от начального движения. Проверка: отдельно укажите направление силы, ускорения и скорости.

На равновесии взаимодействия нет. Нулевой результат иногда путают с отсутствием отдельных сил. При r = r₀ притяжение и отталкивание существуют, но равны по модулю и противоположны. Проверка: записывайте Fрез = Fотт − Fприт и подставляйте равные значения.

Силы действуют на любых расстояниях одинаково. Это неверно, потому что электрические поля с удалением ослабевают. При расстоянии, намного превышающем размер молекулы, обе составляющие практически равны нулю. Проверка: оценивайте не только вид взаимодействия, но и его величину.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении молекулы, электрическом взаимодействии зарядов, векторе силы и условии равновесия. Эти знания позволяют понять происхождение сил и правильно определять их направление.

Соотношение межмолекулярных сил и теплового движения определяет свойства агрегатных состояний. В газе частицы далеко друг от друга, в жидкости сильнее удерживаются вместе, а в твёрдом теле колеблются около устойчивых положений.

Дальше эта модель помогает объяснить упругость, поверхностное натяжение, капиллярность, смачивание и образование капель. Во всех случаях важно, как меняется взаимодействие частиц при изменении расстояния.

Что запомнить

• Межмолекулярные силы имеют электрическую природу.
• При малых расстояниях между молекулами преобладает отталкивание.
• При расстояниях немного больше равновесного преобладает притяжение.
• На равновесном расстоянии результирующая сила равна нулю.
• Межмолекулярные силы быстро ослабевают при удалении молекул.
• Сопротивление тел сжатию связано с отталкиванием молекул, а сопротивление растяжению — с их притяжением.