§ 2.4. СИЛИ ВЗАЄМОДІЇ МОЛЕКУЛ
Спробуйте зламати товсту палицю! Адже вона складається з молекул. Існування сил тяжіння між атомами може довести такий наочний досвід. Треба взяти два свинцеві бруски і гострим ножем зрізати тонкі шари з їхніх торців. При достатньому навичці зрізи виходять гладкими і чистими, вільними від оксидів свинцю. Якщо щільно притиснути бруски один до одного свіжими зрізами, вони злипнуться. Після цього можна один із брусків навантажити гирей у кілька кілограмів, але розриву брусків не станеться. Сили тяжіння між атомами виявляються достатніми, щоб запобігти розриву. Якби між молекулами не існувало сил тяжіння, то речовина за будь-яких умов перебувала б у газоподібному стані. Тільки завдяки силам тяжіння молекули можуть утримуватися близько один одного і утворювати рідкі та тверді тіла. Але крім сил тяжіння між молекулами повинні діяти сили відштовхування. У тому, що між атомами або молекулами при їх безпосередньому зближенні з'являються сили відштовхування, переконатися дуже просто. Якби таких сил не існувало, то ви могли б вільно проткнути пальцем товсту сталеву плиту. Понад те, без появи сил відштовхування дуже малих відстанях між молекулами речовина було б існувати. Молекули проникли один у одного, і весь шматок речовини стиснувся до обсягу однієї молекулы. Уявлення про істотну роль міжмолекулярних сил для опису властивостей газів вперше запровадив нідерландський фізик Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1837—1923). Він не намагався встановити точну залежність сил від відстані. Ван-дер-Ва-альс вважав, що на малих відстанях між молекулами діють сили відштовхування, які зі збільшенням відстані змінюються силами тяжіння, порівняно повільно спадають при подальшому збільшеннівідстані. Сили міжмолекулярної взаємодії часто називають вандер-ваальсовими силами. Електромагнітна природа молекулярних сил Приступити до теоретичного дослідження молекулярних сил до початку XX ст. було майже неможливо. Прості і добре вивчені гравітаційні сили при взаємодії таких малих тіл, як молекули, явно не могли відігравати помітної ролі. Залишалося припустити, що молекулярні сили мають електромагнітну природу. Будь-який атом і тим більше молекула — це складна система, що складається з великої кількості заряджених частинок: електронів і атомних ядер. Хоча загалом молекули електрично нейтральні, між ними діють значні електричні сили: відбувається взаємодія між електронами та ядрами сусідніх молекул. Опис руху частинок усередині атомів та молекул - дуже складне завдання. Її розглядають в атомній фізиці та вирішують за допомогою законів квантової механіки. Ми обмежимося якісним розглядом міжмолекулярних сил різних типів і потім наведемо кінцевий результат: зразкову залежність сил взаємодії двох молекул від відстані між ними. , що у середньому центри цих зарядів не збігаються. Таку молекулу приблизно можна розглядати як сукупність двох точкових зарядів +q і -q на невеликій відстані I один від одного (рис. 2.7). Ця система зарядів називається електричним диполем. Електричні властивості такої молекули характеризуються дипольним моментом p = ql, (2.4.1) де q-абсолютне значення заряду. +q -q
Повна сила взаємодії між неполярними молекулами є середній результат взаємодії різних «миттєвих» диполів. Розрахунок, виконаний у рамках квантовоїмеханіки, призводить до висновку, що сила взаємодії в цьому випадку пропорційна добутку поляризованих молекул OCj і а2 і обернено пропорційна сьомого ступеня відстані: (2.4.4) Ці сили називаються дисперсійними, тому що дисперсія світла (залежність показника заломлення світла 3-2915 від частоти) визначається тими самими властивостями молекул, що й розглянуті сили. постійні дипольні моменти чи ні. Зазвичай ці сили перевершують як орієнтаційні, і індукційні сили. Тільки при взаємодії молекул з великими дипольними моментами, наприклад, молекул води, орієнтаційна сила виявляється більш дисперсійною (для молекул води в 3 рази). При взаємодії таких полярних молекул, як СО, НС1, дисперсійні сили в десятки і сотні разів перевершують інші сили. Суттєво, що всі три типи сил тяжіння однаковим образом зменшуються з відстанню пропорційно 4=. Втім, г1 на відстанях, у кілька разів більших розмірів молекул, починає позначатися кінцівка швидкості поширення електромагнітних взаємодій. Через це на відстанях порядку Ю-5 см сили тяжіння починають зменшуватися вже ЇСЙ-1С Q • г8 Сили відштовхування Тепер звернемо увагу на сили відштовхування, що діють між молекулами на дуже малих відстанях . З одного боку, ситуація тут простіша, а з іншого — складніша. Простіше в тому сенсі, що ці сили дуже швидко зростають при зближенні молекул, і тому та чи інша швидкість зміни сили з відстанню не надає помітного впливу протягом будь-яких процесів. чим сили тяжіння залежать відособливості молекул. Знаючи, як молекула А відштовхує молекули Б і С, ми ще не в змозі судити, які сили відштовхування будуть діяти між молекулами В і С. При безпосередньому зближенні молекул їх електронні оболонки починають перекриватися і особливість будови молекул позначається більшою мірою, ніж при великих відстанях між ними. До досить хороших результатів призводить припущення, що сили відштовхування зростають при зближенні молекул за законом (2.4.5) З огляду на те, що сили тяжіння зі зменшенням відстоя- 1 ня збільшуються пропорційно , а сили відштовхування- г' 1 ня - пропорційно -jg , можна зразкову залежність сил від відстані зобразити графічно. Графік залежності молекулярних сил від відстані між Розглянемо, як змінюється в залежності від відстані між молекулами проекція результуючої сили взаємодії між ними на пряму, що з'єднує центри молекул. Якщо молекули перебувають у відстанях, перевищують їх розміри у кілька разів, то сили взаємодії з-поміж них мало позначаються. Сили взаємодії між молекулами короткодіючі. На відстані, що перевищують 2—3 діаметри молекул, сила відштовхування практично дорівнює нулю. Помітна лише сила тяжіння. У міру зменшення відстані сила тяжіння зростає і одночасно починає позначатися сила відштовхування. Ця сила дуже швидко збільшується, коли електронні оболонки молекул починають перекриватися.
з-центрами. На відстані г0, приблизно дорівнює сумі радіусів молекул, Fr = 0, оскільки сила тяжіння дорівнює модулю силі відштовхування. При г > г0 між молекулами діє сила тяжіння.Проекція сили, що діє праву молекулу, негативна. При г