Физика для всех. Молекулы - Лев Ландау

Приведем несколько простых примеров.

Рис. 2.2

В молекуле С02 (углекислый газ) все три атома расположены в ряд - атом углерода посередине. Молекула воды Н20 имеет уголковую форму, вершиной угла (он равен 105°) является атом кислорода.

В молекуле аммиака NH3 атом азота находится в вершине трехгранной пирамиды; в молекуле метана СН4 атом углерода находится в центре четырехгранной фигуры с равными сторонами, которая называется тетраэдром.

Рис. 2.3

Атомы углерода бензола С6Н6 образуют правильный шестиугольник. Связи атомов углерода с водородом идут от всех вершин шестиугольника. Все атомы расположены в одной плоскости.

Схемы расположения центров атомов этих молекул показаны на рис. 2.2 и 2.3. Линии символизируют связи.

Прошла химическая реакция; были молекулы одного сорта, образовались другие. Одни связи порваны, другие созданы вновь. Для разрыва связей между атомами - вспомните рисунок - нужно затратить такую же работу, как при выкатывании шара из ямы. Напротив, при образовании новых связей энергия выделяется - шар скатывается в яму.

Что больше, работа разрыва или работа созидания? В природе мы сталкиваемся с реакциями обоих типов.

Излишек энергии называется тепловым эффектом или иначе - теплотой превращения (реакции). Тепловые эффекты реакций - это большей частью величины порядка десятков тысяч калорий при расчете на моль. Очень часто тепловой эффект включают в качестве слагаемого в формулу реакции.

Например, реакция сгорания углерода (в виде графита), т. е. соединения его с кислородом, пишется так:

Это значит, что при соединении углерода с кислородом выделяется энергия 94 250 калорий. Сумма внутренних энергий моля углерода и моля кислорода в графите равняется внутренней энергии моля углекислого газа плюс 94 250 калорий.

Таким образом, подобные записи имеют ясный смысл алгебраических равенств, записанных для величин внутренней энергии.

С помощью таких уравнений можно найти тепловые эффекты превращений, для которых не годятся по тем или иным причинам прямые способы измерения. Вот пример: если бы углерод (графит) соединить с водородом, то образовался бы газ ацетилен:

Реакция не идет таким путем. Тем не менее можно найти ее тепловой эффект. Запишем три известные реакции -

окисление углерода:

окисление водорода:

окисление ацетилена:

Все эти равенства можно рассматривать как уравнения для энергий связи молекул. Если так, то ими можно оперировать как алгебраическими равенствами. Вычитая из нижнего два верхних, получим

Значит, интересующее нас превращение сопровождается поглощением 56 000 калорий на один моль.

Физическая и химическая молекулы

До того как исследователи получили детальное представление о структуре вещества, такого различия не делалось. Молекула есть молекула, т. е. мельчайший представитель вещества. Казалось бы, этим все сказано. Однако дело обстоит не так.

Те молекулы, о которых мы сейчас рассказали, являются молекулами в обоих смыслах слова. Молекулы углекислого газа, аммиака, бензола, о которых мы говорили, и молекулы практически всех органических веществ (о которых мы не говорили) состоят из атомов, которые сильно связаны друг с другом. При растворении, плавлении, испарении эти связи не разрываются. Молекула продолжает себя вести как отдельная частичка, как маленькое физическое тело при любых физических воздействиях и изменениях состояния.

Но так обстоит дело далеко не всегда. Для большинства неорганических веществ о молекуле можно говорить лишь в химическом смысле этого слова. А вот мельчайшей частички таких общеизвестных неорганических веществ, как поваренная соль или кальцит, или сода, не существует. Мы не находим отдельных частичек в кристаллах (об этом будет рассказано через несколько страниц); при растворении молекулы распадаются на части.

Сахар - органическое вещество. Поэтому в воде сладкого чая "плавают" молекулы сахара. А вот в соленой воде никаких молекул поваренной соли (хлористого натрия) мы не найдем. Эти "молекулы" (приходится ставить кавычки) существуют в воде в виде атомов (а точнее, ионов - электрически заряженных атомов,- о них речь впереди).

Так же точно и в парах, и в расплавах части молекул живут самостоятельной жизнью.

Когда речь идет о силах, связывающих атомы в физическую молекулу, то такие силы называют валентными. Межмолекулярные силы являются невалентными. Однако тип кривой взаимодействия, который был показан на рис. 2.1, одинаков в обоих случаях. Различие лишь в глубине ямы. В случае валентных сил яма в сотни раз глубже.

Взаимодействие молекул

Молекулы взаимно притягиваются, в этом невозможно сомневаться. Если бы в какое-то мгновение они перестали притягиваться друг к другу, все жидкие и твердые тела распались бы на молекулы.

Молекулы взаимно отталкиваются, и это несомненно, так как иначе жидкости и твердые тела сжимались бы с необыкновенной легкостью.

Между молекулами действуют силы, во многом похожие на силы между атомами, о которых говорилось выше. Кривая потенциальной энергии, которую мы только что рисовали для атомов, правильно передает основные черты взаимодействия молекул. Однако между этими взаимодействиями имеются и существенные различия.

Сравним, например, равновесное расстояние между атомами кислорода, образующими молекулу, и атомами кислорода двух соседних молекул, притянувшихся в затвердевшем кислороде до равновесного положения. Различие будет очень заметным: атомы кислорода, образующие молекулу, устанавливаются на расстоянии 1,2 Å, атомы кислорода разных молекул подходят друг к другу на 2,9 Å.

Подобные результаты получаются и для других атомов. Атомы чужих молекул устанавливаются дальше один от другого, чем атомы одной молекулы. Поэтому молекулы легче оторвать одну от другой, чем атомы от молекулы, причем различия в энергиях много больше разницы в расстояниях. Если энергия, необходимая для разрыва связи между атомами кислорода, образующими молекулу, составляет около 100 ккал/моль, то энергия на растаскивание молекул кислорода меньше 2 ккал/моль.

Значит, на кривой потенциальной энергии молекул "яма" лежит дальше от вертикальной оси и, кроме того, "яма" гораздо менее глубока.

Однако этим не исчерпывается различие взаимодействия атомов, образующих молекулу, и взаимодействия молекул.

Химики показали, что атомы сцепляются в молекулу с вполне определенным числом других атомов. Если два атома водорода образовали молекулу, то третий атом уже не присоединится к ним. Атом кислорода в воде соединен с двумя атомами водорода и присоединить к ним еще один невозможно.

Ничего подобного мы не находим в межмолекулярном взаимодействии. Притянув к себе одного соседа, молекула ни в какой степени не теряет своей "притягательной силы". Подход соседей будет происходить до тех пор, пока хватит места.

Что значит "хватит места"? Разве молекулы - это что-то вроде яблок или яиц? Конечно, в некотором смысле такое сравнение оправдано: молекулы - физические тела, обладающие определенными "размерами" и "формой". Равновесное расстояние между молекулами и есть не что иное, как "размеры" молекул.

Как выглядит тепловое движение

Взаимодействие между молекулами может иметь большее или меньшее значение в "жизни" молекул.

Три состояния вещества - газообразное, жидкое и твердое - различаются одно от другого той ролью, которую в них играет взаимодействие молекул.

Слово "газ" придумано учеными. Оно произведено от греческого слова "хаос" - беспорядок.

И действительно, газообразное состояние вещества является примером существующего в природе полного, совершенного беспорядка во взаимном расположении и движении частиц. Нет такого микроскопа, который позволил бы увидеть движение газовых молекул, но, несмотря на это, физики могут достаточно детально описать жизнь этого невидимого мира.

В кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) находится огромное число молекул, примерно 2,5*1019 (т. е. 25 миллиардов миллиардов молекул). На каждую молекулу приходится объем 4*10-20 см3, т. е. кубик со стороной примерно 3,5*10-7 см = 35 Å. Однако молекулы очень малы. Например, молекулы кислорода и азота - основная часть воздуха - имеют средний размер около 4 Å.

Таким образом, среднее расстояние между молекулами в 10 раз больше размера молекулы. А это в свою очередь означает, что средний объем воздуха, на который приходится одна молекула, примерно в 1000 раз больше объема самой молекулы.

Представьте себе ровную площадку, на которой беспорядочно разбросаны монетки, причем на площадь в 1 м2 приходится в среднем сто монеток. Это значит одна-две монетки на страницу книги, которую вы читаете. Приблизительно так же редко расположены газовые молекулы.