§11 Взаимное притяжение и отталкивание молекул

Определения и обозначения

Межмолекулярное взаимодействие — взаимное действие молекул друг на друга, проявляющееся в силах притяжения и отталкивания. Это понятие нужно, чтобы объяснить свойства вещества не только его составом, но и поведением частиц.

Силы притяжения — силы, сближающие молекулы и удерживающие частицы вещества около друг друга. Благодаря им вещество не распадается на отдельные независимые молекулы, а частицы могут образовывать тело или каплю.

Силы отталкивания — силы, препятствующие чрезмерному сближению молекул. Они становятся особенно заметными, когда частицы почти соприкасаются, поэтому помогают веществу сохранять объём и не сжиматься без предела.

Сцепление — притяжение молекул одного и того же вещества, благодаря которому частицы удерживаются вместе. Это слово помогает описать, почему части твёрдого тела можно соединить при плотном контакте, а жидкость собирается в капли.

Как это устроено

Межмолекулярные силы действуют только на очень малых расстояниях, потому что действие молекул быстро ослабевает при удалении. Молекула влияет прежде всего на ближайших соседей, а далёкие частицы почти не ощущают её воздействия. Поэтому обычные предметы не притягиваются друг к другу заметно на расстоянии, хотя внутри каждого предмета молекулы взаимодействуют.

Если расстояние между молекулами сравнительно велико, но всё ещё достаточно мало для взаимодействия, притяжение преобладает. Причина в том, что частицы находятся не слишком близко и отталкивающая часть взаимодействия ещё слаба. Притяжение стремится уменьшить расстояние и удержать молекулы рядом.

При чрезмерном сближении молекул возникает сильное отталкивание. Области, занятые электронными оболочками частиц, начинают перекрываться, поэтому молекулы как бы не допускают проникновения друг в друга. Именно поэтому сжать вещество в очень маленький объём трудно.

Между притяжением и отталкиванием устанавливается равновесное расстояние. На нём силы направлены противоположно и по величине равны, поэтому суммарное действие на молекулу равно нулю. Если расстояние немного увеличить, притяжение возвращает частицы ближе, а если уменьшить — отталкивание раздвигает их.

Притяжение объясняет сцепление частей твёрдого тела, образование капель и прилипание близко соприкасающихся поверхностей. При разломе тела поверхности обычно имеют неровности и не всюду подходят достаточно близко, но при тщательном прижатии контакт улучшается. В упругом теле отталкивание молекул сопротивляется сжатию, а после прекращения действия силы помогает вернуть прежние расстояния и форму.

Взаимодействие молекул в зависимости от расстояния между ними

Сначала определите, каково расстояние между молекулами по сравнению с их размерами и равновесным расстоянием. Затем сравните силы притяжения и отталкивания. Последний столбец показывает, какое наблюдаемое свойство получается из такого соотношения сил.

Разбор задач

Две тщательно вымытые и прижатые друг к другу стеклянные пластинки трудно разъединить. Объясните почему.

Нужно связать наблюдаемое сцепление с расстоянием между молекулами. Вымытые поверхности не разделены пылью и жиром, а прижатие уменьшает промежутки между ними. Поэтому молекулы стекла на соприкасающихся участках могут заметно притягиваться.

1. После очистки между пластинками остаётся меньше посторонних частиц и воздушных промежутков.
2. При нажатии неровности частично сближаются, и площадь тесного контакта увеличивается.
3. На близких участках начинают действовать силы притяжения молекул стекла.

Ответ: пластинки трудно разъединить из-за притяжения близко расположенных молекул соприкасающихся поверхностей.

Почему твёрдое тело сохраняет объём и сопротивляется сжатию?

Объём тела связан со средними расстояниями между его молекулами. При попытке сжать тело частицы приходится приблизить друг к другу, но это изменяет соотношение сил. Быстрое усиление отталкивания создаёт сопротивление внешнему сжатию.

1. Внешняя сила стремится уменьшить расстояния между молекулами.
2. Молекулы подходят ближе равновесного расстояния.
3. Силы отталкивания резко возрастают и направлены против сжатия.
4. Чтобы заметно уменьшить объём, нужно приложить значительно большую силу.

Ответ: твёрдое тело трудно сжать, потому что при сближении молекул резко усиливается их отталкивание.

Сравните расположение и взаимодействие молекул в твёрдом теле, жидкости и газе. Почему эти вещества по-разному сохраняют форму и объём?

Состояние вещества определяется не только расстояниями между частицами, но и свободой их движения. Во всех состояниях молекулы движутся, однако силы взаимодействия и средние расстояния различны. Сравним эти особенности по шагам.

1. В твёрдом теле молекулы расположены близко, притяжение удерживает их около определённых мест, и они в основном колеблются.
2. В жидкости молекулы тоже находятся близко, поэтому жидкость сохраняет объём, но могут перемещаться друг относительно друга и не сохраняют форму.
3. В газе расстояния между молекулами велики, взаимодействие почти не удерживает частицы вместе, поэтому газ не сохраняет ни форму, ни собственный объём.

Ответ: твёрдое тело сохраняет форму и объём, жидкость — главным образом объём, а газ заполняет весь доступный сосуд из-за различий в расстояниях и подвижности молекул.

Типичные ошибки

Только притяжение. Ошибка состоит в том, что забывают об отталкивании при почти полном сближении частиц. Так думают, потому что притяжение проще заметить по сцеплению тел; проверить себя можно вопросом: что мешает молекулам слиться в одну точку?

Притяжение на любых расстояниях. Межмолекулярное взаимодействие заметно лишь вблизи, а далеко расположенные молекулы почти не действуют друг на друга. Если объяснение говорит о сильном притяжении между удалёнными предметами без оговорки о расстоянии, оно неверно.

Отталкивание означает неподвижность. Вещество может сохранять форму, хотя его молекулы продолжают двигаться и колебаться. Проверка простая: разделяйте движение частиц и действие сил, не подменяйте одно другим.

Сцепление объясняется только шероховатостью. Неровности иногда мешают разъединению, но основное молекулярное объяснение связано с притяжением близких поверхностей. Нужно учитывать оба обстоятельства, особенно если поверхности тщательно очищены и прижаты.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о молекулярном строении вещества, движении молекул и промежутках между ними. Межмолекулярные силы помогают объяснить свойства твёрдых тел, жидкостей и газов. Позже эти знания пригодятся при изучении упругости, поверхностного натяжения, смачивания и давления газов.

Что запомнить

• Молекулы взаимодействуют друг с другом.
• Межмолекулярное взаимодействие проявляется как притяжение и отталкивание.
• Силы взаимодействия заметны только на очень малых расстояниях.
• При обычных расстояниях притяжение удерживает молекулы вместе.
• При чрезмерном сближении резко возрастает отталкивание.
• Сочетание притяжения и отталкивания определяет свойства веществ.
• Сцепление тел объясняется притяжением близко расположенных молекул.