Агрегатные состояния вещества

Молекулярное строение и свойства газообразных, жидких и твердых тел

Структура вещества и его физические свойства очень сильно зависят от характера межмолекулярного взаимодействия и теплового движения молекул. В зависимости от условий тела могут находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества.

Рис.1. Молекулярная структура вещества в газообразном (а), жидком (б) и твердом (в) состояниях.

Силы сцепления между частицами ничтожно малы, расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газ равномерно заполняет любой доступный объём. Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул (рис.1,а), молекулы газа практически не взаимодействуют. Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.

Расстояния между частицами очень близкие и равны приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы. В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости. Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями. Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму. В жидкостях наблюдается ближний порядок, т.е. наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул (рис.1,б). Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твёрдым состояниями. Современная наука имеет гораздо менее отчетливое представление о строении жидкости, чем о строении газов и твердых тел, что объясняется большой сложностью явлений, характеризующих жидкость. По сути дела, полная и строгая теория жидкого состояния еще не создана. Сложность решения этой задачи во многом определяется особенностями строения жидкости.

Силы сцепления между молекулами достаточно сильны; расстояния между частицами очень маленькие. Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел. В твёрдом состоянии во взаимном расположении атомов и молекул наблюдается упорядоченность на неограниченно больших расстояниях (так называемый дальний порядок) (рис.1,в). Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Среди твердых тел существует особый класс тел -аморфные тела, занимающие промежуточное положение между кристаллическими телами и жидкостями. Для них характерно долговременное сохранение формы, но при этом их атомы не образуют упорядоченную кристаллическую решетку.

Среди жидкостей так же выделяется особый класс -жидкие кристаллы, механические свойства которых близки к свойствам жидкости, но при этом для них, так же как и для твердых кристаллических тел, характерно наличие анизотропии свойств. Такое состояние возможно у веществ с большими протяжёнными молекулами, например у органических соединений. Молекулы жидких кристаллов могут достаточно легко совершать поступательные перемещения, сохраняя при этом свою ориентацию в пространстве. Анизотропия жидких кристаллов особенно проявляется в их оптических свойствах, что позволяет использовать их в устройствах формирования изображения.

Примеры решения задач