Жидкость представляет собой вещество, пребывающее в промежуточном между твердым и газообразным состоянии. Это такое агрегатное состояние вещества, в котором прослеживается взаимосвязь молекул и атомов между собой таким образом, что это дает ему возможность сохранения своего объема, но при это, не настолько сильно, чтобы добиться сохранения еще и формы.
Рисунок 1. Взаимодействие молекул жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Молекулярно-кинетическая теория направлена на исследование строения и свойств вещества на основе представлений о существовании атомов и молекул в качестве наименьших частиц химических веществ. В основу данной теории положены три основные положения:
- Все вещества (как жидкие, так и газообразные, и твердые) появились из мельчайших частиц (молекул, состоящих из атомов). Молекулы химического вещества существуют в виде простых и сложных (состоящих из одного либо нескольких атомов).
- Молекулы и атомы являются электрически нейтральными частицами. При определенных условиях они способны к приобретению дополнительного электрического заряда и превращаются в положительные (отрицательные) ионы.
- Атомы и молекулы пребывают в непрерывном хаотическом движении. Частицы между собой осуществляют взаимодействие за счет сил, обладающих электрической природой. При этом гравитационное взаимодействие между частицами оказывается пренебрежимо малым.
Свойства и строение жидкостей
Жидкости склонны к легкому изменению своей формы с сохранением объема. В стандартных условиях они привычно принимают форму емкости, в которой находятся. Поверхность жидкости, что не соприкасается со стенками сосуда, называется свободной. Ее образование происходит вследствие воздействия силы тяжести на молекулы жидкости.
Свойства жидкостей можно объяснить малыми промежутками между их молекулами малы. Так, молекулы упакованы настолько плотным образом, что расстояние между каждыми двумя из них оказывается меньше их размеров.
Объяснить поведение жидкостей на основании характера молекулярного движения, взялся советский ученый Я. И. Френкель. Согласно его исследованию, молекула жидкости будет колебаться около положения временного равновесия, при этом происходит ее столкновение с остальными молекулами из ближнего окружения. Периодически у нее получается совершить «прыжок», чтобы, покинув своих «соседей», продолжить совершать колебания уже в кругу новых.
По причине малых расстояний между молекулами жидкости, попытка уменьшения объема приводит к состоянию деформации молекул, так начинается их отталкивание друг от друга, чем можно объяснить малую сжимаемость жидкости. В то же время, ее текучесть объясняют тем фактом, что «прыжки» молекул из оседлого положения в иное осуществляются, согласно всем направлениям с равной частотой. Внешняя сила не изменяет существенно число «прыжков» за секунду, а только задает их преимущественное направление, поэтому жидкость и принимает форму сосуда, в котором пребывает.
Молекулярная теория воды
Существует ряд определенных гипотез, объясняющих строение льда, пара, воды. Все они в какой-то степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, чьи основы заложил М. Ломоносов.
Рисунок 2. Масса и размеры молекул. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данная теория исходит из принципов классической механики, что рассматривает молекулы (атомы) в формате шариков правильной формы, электрически нейтральных, идеально упругих. Такие молекулы склонны подвергаться исключительно механическим соударениям и не испытывать каких-либо электрических сил взаимодействия.
Водяной пар, согласно положениям молекулярно-кинетической теории, представляет собрание молекул, расстояние между ними многократно превышает размеры самих молекул. Молекулы газа, пребывающие в непрерывно-хаотическом движении, пробегают путь между стенками сосудов, где заключен газ и при этом происходит их столкновение между собой на данном пути.
При приближении температуры газа к температуре кипения (100°C) наступает уменьшение скорости молекул, и при соударении силы притяжения между ними возникает больше сил упругих отталкиваний в момент удара. По этой причине газ способен конденсироваться в жидкость.
Жидкость, в отличие от газа, является совокупностью близкорасположенных между собой молекул. Это расположение настолько близкое, что между ними начинается проявление сил взаимного притяжения. Это не позволяет молекулам жидкости разлетаться в разные стороны, подобно молекулам газа, а только колебаться около собственного равновесного положения.
Наряду с тем, из-за недостаточной плотности строения жидкости, в ней присутствуют свободные места, вследствие чего (исходя из теории Френкеля), обладающие большей энергией молекулы начинают вырываться из своего привычного окружения и скачкообразно перемещаться в соседнее отверстие на расстоянии, равном размерам самих молекул.
Таким образом, молекулы в жидкости относительно редко перемещаются в иные места, большую часть времени они пребывают в «оседлом» состоянии, подвергаясь только колебаниям. При температуре в 100°C (при нормальном атмосферном давлении) вода начнет распадаться на отдельные молекулы, скорость которых уже не способна к преодолению взаимного молекулярного притяжения, поэтому вода становится паром.
В случае охлаждения жидкости можно наблюдать обратный процесс. Начинается уменьшение скоростей колебательного движения молекул, становится более прочной структура жидкости, а сама она переходит в состояние льда (кристаллическое).
Структура воды в трех ее агрегатных состояниях
Проблема оценки структуры воды пока представляет для ученых определенные сложности. Наиболее популярной считается гипотеза, предложенная в 1883 году Уайтингом.
В ней утверждается, что:
- в качестве основной строительной единицы водяного пара выступает молекула гидроль (моногидроль);
- основной строительной единицей воды будет являться двойная молекула дигидроль;
- лед считается состоящим из тройных молекул тригидроль.
На данных представлениях основывается гидрольная теория структуры воды, согласно которой водяной пар считается состоящим из комплекса простейших молекул моногидроля, их ассоциаций и также из незначительного числа молекул дигидроля.
В жидком виде вода считается смесью молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение количества таких молекул в воде будет различным и зависимым от температуры. Поскольку молекула воды сама по себе несимметрична, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у нее не будут совпадать.
Рисунок 3. Полярные молекулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Молекулы обладают двумя полюсами – положительным и отрицательным, создающими, подобно магниту, силовые молекулярные поля. Такие молекулы называются полярными (диполями). Количественная характеристика полярности при этом определяется электрическим моментом диполя.
