Física. Moléculas. Disposición de las moléculas en distancia gaseosa, líquida y sólida.
Movimiento de moléculas en gases.
En los gases, la distancia entre las moléculas y los átomos suele ser mucho más tamaños moléculas y las fuerzas de atracción son muy pequeñas. Por lo tanto, los gases no tienen forma propia y volumen constante. Los gases se comprimen fácilmente porque las fuerzas repulsivas a grandes distancias también son pequeñas. Los gases tienen la propiedad de expandirse indefinidamente, llenando todo el volumen que se les proporciona. Las moléculas de gas se mueven a velocidades muy altas, chocan entre sí, rebotan entre sí en lados diferentes. Numerosos impactos de moléculas en las paredes del recipiente crean presión de gas.
Movimiento de moléculas en líquidos.
En los líquidos, las moléculas no solo oscilan alrededor de la posición de equilibrio, sino que también saltan de una posición de equilibrio a la siguiente. Estos saltos ocurren periódicamente. El intervalo de tiempo entre tales saltos se denomina tiempo promedio de vida sedentaria (o tiempo promedio de relajación) y se denota con la letra ?. En otras palabras, el tiempo de relajación es el tiempo de oscilación alrededor de una posición de equilibrio específica. En temperatura ambiente este tiempo es en promedio 10-11 s. El tiempo de una oscilación es 10-1210-13 s.
El tiempo de vida sedentaria disminuye con el aumento de la temperatura. Distancia entre moléculas líquidas tamaños más pequeños moléculas, las partículas están cerca unas de otras, y la atracción intermolecular es fuerte. Sin embargo, la disposición de las moléculas líquidas no está estrictamente ordenada en todo el volumen.
Los líquidos, al igual que los sólidos, conservan su volumen, pero no tienen forma propia. Por lo tanto, toman la forma del recipiente en el que se encuentran. Un líquido tiene la propiedad de fluidez. Debido a esta propiedad, el líquido no resiste el cambio de forma, se comprime poco y sus propiedades físicas son las mismas en todas las direcciones dentro del líquido (isotropía líquida). La naturaleza del movimiento molecular en líquidos fue establecida por primera vez por el físico soviético Yakov Ilyich Frenkel (1894-1952).
Movimiento de moléculas en sólidos.
Las moléculas y los átomos de un cuerpo sólido están dispuestos en cierto orden y forman una red cristalina. Tales sólidos se llaman cristalinos. Los átomos oscilan alrededor de la posición de equilibrio y la atracción entre ellos es muy fuerte. Por tanto, los cuerpos sólidos en condiciones normales conservan su volumen y tienen su propia forma.
Esta distancia se puede estimar conociendo la densidad de la sustancia y la masa molar. Concentración - el número de partículas por unidad de volumen está relacionado con la densidad, la masa molar y el número de Avogadro por la relación:
donde es la densidad de la sustancia.
El recíproco de la concentración, - - es el volumen por uno partícula, y la distancia entre partículas, por lo tanto, la distancia entre partículas:
Para líquidos y sólidos, la densidad depende débilmente de la temperatura y la presión, por lo tanto, es prácticamente un valor constante y es aproximadamente igual, es decir la distancia entre las moléculas es del orden del tamaño de las moléculas mismas.
La densidad de un gas depende en gran medida de la presión y la temperatura. En condiciones normales (presión, temperatura 273 K), la densidad del aire es de aproximadamente 1 kg/m 3, la masa molar del aire es de 0,029 kg/mol, luego la estimación mediante la fórmula (5.6) da un valor. Así, en los gases, la distancia entre las moléculas es mucho mayor que el tamaño de las moléculas mismas.
Fin del trabajo -
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Texto de la conferencia
Compilado por: GumarovaSonia Faritovna El libro se publica en la edición del autor Firmado. para imprimir 00.00.00. formato 60x84 1/16. Auge. O
Los sólidos son aquellas sustancias que son capaces de formar cuerpos y tener volumen. Se diferencian de los líquidos y gases en su forma. Los sólidos conservan la forma del cuerpo debido al hecho de que sus partículas no pueden moverse libremente. Se diferencian en su densidad, plasticidad, conductividad eléctrica y color. También tienen otras propiedades. Entonces, por ejemplo, la mayoría de estas sustancias se derriten durante el calentamiento, adquiriendo un estado líquido de agregación. Algunos de ellos, cuando se calientan, se convierten inmediatamente en gas (se subliman). Pero también los hay que se descomponen en otras sustancias.
Todos los sólidos se dividen en dos grupos.
Sólido sustancias cristalinas prevalecen sobre los amorfos en cuanto a su abundancia.
En estado sólido, casi todas las sustancias tienen estructura cristalina. Se distinguen por su entramado que en sus nodos contienen diferentes partículas y elementos químicos. Es de acuerdo con ellos que obtuvieron sus nombres. Cada tipo tiene sus propias propiedades características:
Sólidos y sustancias son prácticamente lo mismo. Estos términos se refieren a uno de los 4 estados de agregación. Los cuerpos sólidos tienen forma estable y carácter moción termalátomos Además, estos últimos realizan pequeñas oscilaciones cerca de las posiciones de equilibrio. La rama de la ciencia que se ocupa del estudio de la composición y la estructura interna se denomina física del estado sólido. Hay otras áreas importantes de conocimiento que se ocupan de tales sustancias. El cambio de forma bajo influencias externas y movimiento se llama la mecánica de un cuerpo deformable.
Debido a las diferentes propiedades de los sólidos, han encontrado aplicación en diversos dispositivos técnicos creados por el hombre. Muy a menudo, su uso se basaba en propiedades tales como dureza, volumen, masa, elasticidad, plasticidad, fragilidad. La ciencia moderna permite el uso de otras cualidades de sólidos que solo se pueden encontrar en el laboratorio.
Los cristales son cuerpos solidos con partículas dispuestas en un cierto orden. Cada uno tiene su propia estructura. Sus átomos forman un arreglo periódico tridimensional llamado red cristalina. Los sólidos tienen diferentes simetrías estructurales. El estado cristalino de un sólido se considera estable porque tiene una cantidad mínima de energía potencial.
La gran mayoría de los sólidos consisten en una gran cantidad de granos individuales (cristalitos) orientados aleatoriamente. Tales sustancias se llaman policristalinas. Estos incluyen aleaciones técnicas y metales, así como muchos rocas. Monocristalino se refiere a cristales naturales o sintéticos individuales.
Muy a menudo, estos sólidos se forman a partir del estado de la fase líquida, representada por una masa fundida o una solución. A veces se obtienen del estado gaseoso. Este proceso se llama cristalización. Gracias al progreso científico y tecnológico, el procedimiento de cultivo (síntesis) varias sustancias recibió una escala industrial. La mayoría de los cristales tienen forma natural en la forma de Sus tamaños son muy diferentes. Entonces, el cuarzo natural (cristal de roca) puede pesar hasta cientos de kilogramos y los diamantes, hasta varios gramos.
En los sólidos amorfos, los átomos están en constante oscilación alrededor de puntos ubicados al azar. Conservan cierto orden de corto alcance, pero no hay orden de largo alcance. Esto se debe a que sus moléculas se encuentran a una distancia comparable con su tamaño. El ejemplo más común de tal sólido en nuestra vida es el estado vítreo. a menudo considerado como un líquido con una viscosidad infinitamente alta. El tiempo de su cristalización es a veces tan largo que no aparece en absoluto.
Son las propiedades anteriores de estas sustancias las que las hacen únicas. Los sólidos amorfos se consideran inestables porque pueden volverse cristalinos con el tiempo.
Las moléculas y los átomos que forman un sólido están empaquetados a una alta densidad. Prácticamente conservan su posición mutua en relación con otras partículas y se mantienen juntas debido a la interacción intermolecular. La distancia entre las moléculas de un sólido en diferentes direcciones se denomina parámetro de red. La estructura de la materia y su simetría determinan muchas propiedades, como la banda de electrones, la división y la óptica. Cuando se expone a un sólido, suficiente gran fuerza estas cualidades pueden ser violadas en un grado u otro. En este caso, el cuerpo sólido está sujeto a una deformación permanente.
Los átomos de los sólidos realizan movimientos oscilatorios, que determinan su posesión de energía térmica. Dado que son insignificantes, solo pueden observarse en condiciones de laboratorio. la materia sólida afecta en gran medida a sus propiedades.
Las características, propiedades de estas sustancias, sus cualidades y el movimiento de las partículas son estudiados por varias subsecciones de la física del estado sólido.
Para la investigación, se utilizan radioespectroscopia, análisis estructural mediante rayos X y otros métodos. Así se estudian las propiedades mecánicas, físicas y térmicas de los sólidos. La ciencia de los materiales estudia la dureza, la resistencia a la carga, la resistencia a la tracción y las transformaciones de fase. Se hace eco en gran medida de la física del estado sólido. Hay otro importante ciencia moderna. El estudio de las sustancias existentes y la síntesis de nuevas se llevan a cabo mediante la química del estado sólido.
La naturaleza del movimiento de los electrones exteriores de los átomos de un sólido determina muchas de sus propiedades, por ejemplo, las eléctricas. Hay 5 clases de tales cuerpos. Se establecen según el tipo de enlace atómico:
¿Qué sabemos hoy? Los científicos han estudiado durante mucho tiempo las propiedades del estado sólido de la materia. Cuando se expone a la temperatura, también cambia. La transición de tal cuerpo a líquido se llama fusión. La transformación de un estado sólido a gaseoso se llama sublimación. Cuando se baja la temperatura, se produce la cristalización del sólido. Algunas sustancias bajo la influencia del frío pasan a la fase amorfa. Los científicos llaman a este proceso vitrificación.
En , la estructura interna de los sólidos cambia. Adquiere el mayor orden al disminuir la temperatura. A presión atmosférica y temperatura T > 0 K, cualquier sustancia que existe en la naturaleza se solidifica. Solo el helio, que requiere una presión de 24 atm para cristalizar, es una excepción a esta regla.
El estado sólido de una sustancia le confiere varias propiedades físicas. Caracterizan el comportamiento específico de los cuerpos bajo la influencia de ciertos campos y fuerzas. Estas propiedades se dividen en grupos. Existen 3 formas de exposición, correspondientes a 3 tipos de energía (mecánica, térmica, electromagnética). Por lo tanto, hay 3 grupos propiedades físicas sólidos:
Los sólidos también se clasifican según la denominada estructura de bandas. Entonces, entre ellos se distinguen:
Los movimientos moleculares en los sólidos determinan sus propiedades electromagnéticas.
Los sólidos también se subdividen según sus propiedades magnéticas. Hay tres grupos:
¿Qué son? La densidad de los sólidos determina en gran medida su dureza. Detrás últimos años Los científicos han descubierto varios materiales que afirman ser el "cuerpo más duradero". La sustancia más dura es la fullerita (un cristal con moléculas de fullereno), que es aproximadamente 1,5 veces más dura que el diamante. Desafortunadamente, actualmente solo está disponible en cantidades extremadamente pequeñas.
Hasta la fecha, la sustancia más dura que puede utilizarse en el futuro en la industria es la lonsdaleita (diamante hexagonal). Es un 58% más duro que el diamante. Lonsdaleita - modificación alotrópica carbón. Su red cristalina es muy similar al diamante. Una celda de lonsdaleita contiene 4 átomos y un diamante, 8. De los cristales ampliamente utilizados, el diamante sigue siendo el más duro en la actualidad.
¿Cuál es la distancia promedio entre las moléculas de vapor de agua saturada a 100°C?
Tarea No. 4.1.65 de la "Colección de tareas para preparar los exámenes de ingreso en física en la USPTU"
\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)
Considere el vapor de agua en alguna cantidad arbitraria igual a \(\nu\) mol. Para determinar el volumen \ (V \) ocupado por una cantidad dada de vapor de agua, debe usar la ecuación de Clapeyron-Mendeleev:
En esta fórmula, \(R\) es la constante universal de los gases, igual a 8,31 J/(mol·K). La presión del vapor de agua saturado \(p\) a una temperatura de 100 °C es de 100 kPa, esto es un hecho conocido y todo estudiante debe saberlo.
Para determinar el número de moléculas de vapor de agua \(N\), usamos la siguiente fórmula:
Aquí \(N_A\) es el número de Avogadro, igual a 6.023 10 23 1/mol.
Entonces para cada molécula hay un cubo de volumen \(V_0\), obviamente determinado por la fórmula:
\[(V_0) = \frac(V)(N)\]
\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]
Ahora mira el diagrama del problema. Cada molécula se ubica convencionalmente en su propio cubo, la distancia entre dos moléculas puede variar de 0 a \(2d\), donde \(d\) es la longitud de la arista del cubo. La distancia media \(l\) será igual a la longitud de la arista del cubo \(d\):
La longitud del borde \(d\) se puede encontrar así:
Como resultado, obtenemos la siguiente fórmula:
Convirtamos la temperatura a la escala Kelvin y calculemos la respuesta:
Si no entiende la solución y tiene alguna pregunta o encuentra un error, no dude en dejar un comentario a continuación.
Consideremos cómo la proyección de la fuerza de interacción resultante entre ellos en la línea recta que conecta los centros de las moléculas cambia según la distancia entre las moléculas. Si las moléculas están ubicadas a distancias que exceden su tamaño varias veces, entonces las fuerzas de interacción entre ellas prácticamente no afectan. Las fuerzas de interacción entre las moléculas son de corto alcance.
A distancias superiores a 2-3 diámetros moleculares, la fuerza de repulsión es prácticamente nula. Solo se nota la fuerza de atracción. A medida que la distancia disminuye, la fuerza de atracción aumenta y al mismo tiempo comienza a afectar la fuerza de repulsión. Esta fuerza aumenta muy rápidamente cuando las capas de electrones de las moléculas comienzan a superponerse.
La Figura 2.10 muestra gráficamente la dependencia de la proyección F r fuerzas de interacción de las moléculas sobre la distancia entre sus centros. a distancia r 0, sobre igual a la suma radios moleculares, F r = 0 , ya que la fuerza de atracción es igual en valor absoluto a la fuerza de repulsión. En r > r 0 existe una fuerza de atracción entre las moléculas. La proyección de la fuerza que actúa sobre la molécula derecha es negativa. En r < r 0 hay una fuerza repulsiva con un valor de proyección positivo F r .
La dependencia de las fuerzas de interacción de las moléculas con la distancia entre ellas explica la aparición de una fuerza elástica durante la compresión y tensión de los cuerpos. Si intenta acercar las moléculas a una distancia menor que r0, entonces comienza a actuar una fuerza que impide el acercamiento. Por el contrario, cuando las moléculas se alejan unas de otras, actúa una fuerza de atracción, devolviendo las moléculas a sus posiciones originales después del cese de la influencia externa.
Con un pequeño desplazamiento de las moléculas de las posiciones de equilibrio, las fuerzas de atracción o repulsión crecen linealmente con el aumento del desplazamiento. En una sección pequeña, la curva puede considerarse un segmento de línea recta (la sección engrosada de la curva en la Fig. 2.10). Por eso, a pequeñas deformaciones, resulta válida la ley de Hooke, según la cual la fuerza elástica es proporcional a la deformación. Con grandes desplazamientos de moléculas, la ley de Hooke ya no es válida.
Dado que las distancias entre todas las moléculas cambian cuando el cuerpo se deforma, las capas vecinas de moléculas representan una parte insignificante de la deformación total. Por lo tanto, la ley de Hooke se cumple en deformaciones que son millones de veces mayores que el tamaño de las moléculas.
El dispositivo del microscopio de fuerza atómica (AFM) se basa en la acción de fuerzas repulsivas entre átomos y moléculas a pequeñas distancias. Este microscopio, a diferencia del microscopio de túnel, permite obtener imágenes de superficies no conductoras. En lugar de una punta de tungsteno, AFM usa una pequeña pieza de diamante afilada a dimensiones atómicas. Este fragmento se fija en un soporte de metal delgado. Cuando la punta se acerca a la superficie bajo estudio, las nubes de electrones de los átomos de diamante y la superficie comienzan a superponerse y surgen fuerzas de repulsión. Estas fuerzas desvían la punta de la punta de diamante. La desviación se registra por medio de un rayo láser reflejado en un espejo fijado en un soporte. El haz reflejado impulsa un brazo piezoeléctrico similar al de un microscopio de efecto túnel. El mecanismo de retroalimentación asegura que la altura de la aguja de diamante sobre la superficie sea tal que la curvatura de la placa de soporte permanezca sin cambios.
En la Figura 2.11 se ve una imagen AFM de las cadenas poliméricas del aminoácido alanina. Cada tubérculo representa una molécula de aminoácido.
En la actualidad se han diseñado microscopios atómicos cuyo dispositivo se basa en la acción de fuerzas moleculares de atracción a distancias varias veces mayores que el tamaño de un átomo. Estas fuerzas son aproximadamente 1000 veces más pequeñas que las fuerzas de repulsión en el AFM. Por lo tanto, se utiliza un sistema sensible más complejo para registrar fuerzas.
Los átomos y las moléculas están formados por partículas cargadas eléctricamente. Debido a la acción de las fuerzas eléctricas a distancias cortas, las moléculas se atraen, pero comienzan a repelerse cuando las capas de electrones de los átomos se superponen.
