Современная интерпретация молекулярно-кинетической теории вещества
Из практики известно, что всякое жидкое тело, находясь в состоянии невесомости
(практика чего, правда, даётся человеку только с выходом в космос. А именно явная практика, от которой уже никуда не деться)
приобретает форму шара. (Притом это не зависит от того, какова масса этого тела.)
Какие же силы удерживают в форме шара любую порцию жидкости
(или газа? Нет, газ не имеет пов.натяжения.(ПН)
(т.к. занимает весь предоставленный ему объём. Чего не скажешь о жидкости. И именно наличие у жидкого тела … нет, не собственной формы .. а собственного объёма – это и есть завязка разговора о силах ПН)
Но имеет трансадгезию с другими материалами. Что и позволяет говорить о поверхностом натяжении для газов.)
Понятно, что это не только силы ПН
(которые в той точке жидкого тела, где кривизна его поверхности велика (относительно свободной кривизны, то есть когда тело имеет форму шара) пытаются его сжать), а еще и какие-то другие силы (которым пока нет названия), которые в той точке жидкого тела, где кривизна его поверхности мала (относительно свободной кривизны) пытаются его растянуть.
Но, если природа 1-ых сил – это притяжение молекул жидкости друг к другу (и не только на поверхности, но и внутри тела), то какова же природа сил 2-ых, противодействующих им?
Да что тут долго думать? Это отталкивание молекул друг от друга.
Вот в итоге достижения равновесия между оными силами тело и приобретает форму сферы.
Но почему это характерно только для жидких тел? Ведь названные выше силы взаимодействия между молекулами присущи любым агрегатным состояниям. Но в итоге газы (-газовые тела) не имеют не только собственной формы, но и собственного объёма.
(И это так потому, видимо, что расстояние между молекулами газа настолько велико, что силы притяжения между молекулами в нём уже практически отсутствуют. Не говоря уже о силах отталкивания, которые сходят на нет на меньших расстояниях между молекулами, чем силы притяжения.
Но в жидкостях силы отталкивания всё же остаются
(поэтому они и сопротивляются всестороннему сжатию.
(Кстати, жидкости совершенно не умеют сопротивляться всестороннему растяжению (кавитация) и это говорит о том, что силы притяжения в них тоже слабы, как и в газах. По сравнению с твёрдостями.)
Впрочем, как и газы. Но природа сопротивления газов этому совершенно другая, а именно удары молекул о стенки сосуда вследствие их, молекул, постоянного движения),
причём в примерно равной степени, как и силы притяжения. (что и даёт явление поверхностного натяжения)
Но что же тогда изменяется в твёрдостях? Коли они начинают сопротивляться уже и изменению формы. Что никак не объяснишь силами притяжения и отталкивания между молекулами.
(поскольку действие этих сил сферично, то одинаково во всех направлениях)
А для сохранение формы требуется несферическая диаграмма направленности сил взаимодействия между молекулами.
(что и создаёт основу кристаллообразования. А именно это (кристалличность) и позволяет твёрдостям сохранять форму.)
)
А твёрдые тела, в дополнение к собственому объёму, имеют еще и собственную форму. А её как объяснить, с позиций МКТВ?
Да никак, тут нужно применить еще и кристаллохимию.
(чтобы объяснить конкретную структуру кристаллов. Но объяснить собственно кристалличность просто: здесь силы притяжения и отталкивания (расклад их по расстояниям) таковы; что позволяют молекулам (или иным узлам к-решётки) лишь только колебаться незначительно относительно своего равновесного состояния.
Что зависит, видимо, от (среднего) расстояния между молекулами.
В газовых же телах расстояния между молекулами настолько велики, что силы притяжения перестают (фактически) играть роль.
В твёрдых же телах силы отталкивания (которые начинают преобладать при уменьшении расстояний между молекулами) настолько велики, что делают недопустимым (точнее, сопротивляются) уже линейное сжатие тела.(чем обеспечивается уже (конечно, приблизительно) сохранение формы тела.) (тогда как в жидкостях недопустимо только объёмное сжатие тела. Ибо силы отталкивания в них, видимо, находятся в равновесии с силами притяжения.
Стоп, а разве в твёрдостях это не так?
Так-так, но вот в чём вся штука: для жидкостей не характерно сопротивление деформации … нет, не сжатия-растяжения (ибо оно очень даже характерно для них. Нет, только сжатию. И притом всестороннему, то есть объёмному) … а сдвигу.(а также кручению) Ибо именно эти деформации и меняет форму тела.
Но как такое получается (сопротивления сдвигу и кручению) в твердых телах – этого-то МКТВ и не объясняет.
Итак, каким же образом в твердостях образуется кристаллическая решётка, то есть регулярное расположение молекул
(или более мелких единиц материи, для тех случаев твёрдостей, для которых понятие молекулы теряет смысл. Например, для атомной, металлической или ионной кристаллических решёток. Но эти случаи пока разбирать не будем.)
Возьмём для ответа на этот вопрос простейший случай, когда тело состоит всего из 2-х молекул.
Для такой системы молекул при расстоянии между молекулами, при которых силы притяжения и силы отталкивания сравниваются между собой
(напомню, что силы отталкивания становятся существенными только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, силы притяжения действуют уже на больших расстояниях. Да, и оба этих вида сил убывают с расстоянием между молекулами. Поэтому на еще больших (как в газах) и силы притяжения сходят на нет. Благодаря чему газы и занимают весь предоставленный им объём.)
будет сохраняться конфигурация из молекул, которые находятся на определённом расстоянии. (это и есть прообраз кристаллической решетки, одного её звена)
Что же изменится, если мы сообщим такой системе энергию? А именно, приведём её в соприкосновение с другой такой же системой, но имеющей температуру больше. Если молекулы таких систем не движутся, то ничего. Но из практики мы знаем, что если более нагретое тело А (и в том числе твёрдое) привести в контакт с более холодным телом Б, то произойдёт тепловое взаимодействие, в результате которого установится тепловое равновесие, то есть тело А охладится (то есть потеряет энергию), а тело Б – нагреется (получит энергию) Как это может произойти? Только вследствие того, что в теле А (как, впрочем, и в теле Б), хоть и твёрдом, молекулы всё же движутся, колеблясь (причём хаотично) относительно своего равновесного состояния. Поэтому, после приведения тела А в контакт с телом Б молекулы А передают свои импульсы (и кинетические энергии) молекулам тела Б (вследствие их соударений. Хотя на самом деле реальных соударений быть не может, т.к. при малых расстояниях между молекулами существенно возврастют силы отталкивания между молекулами. Но, те не менее, механическое взаимодействие (а значит, и передача энергии) имеет место), то есть еще больше раскачивают их.
Отсюда понятно, что такое температура для твёрдых тел. Это амплитуда колебаний (причём, повторюсь, хаотических, а не регулярных) их молекул относительно положения равновесия. Другой вариант – амплитуда их скорости, т.к она пропорциональна амплитуде колебаний.
Перейдем теперь к более сложной системе – из 3-х молекул. Поскольку существует правильный 3х-вершинник, и это правильный (то есть равносторонний) 3х-угольник, то мы получаем еще одну плоскую равновесную систему из молекул.
Но стоит нам количество молекул увеличить до 4-х, то мы выходим за пределы плоскости, т.к. правильный 4х-вершинник – уже не правильный 4х-угольник, а тетраэдр. А поэтому мы получаем тетраэдрическую (равновесную) систему.
Геометрия говорит нам о том, что не существует правильных 5-вершинников (и именно объёмных, т.к. перейдя число 3, мы вышли уже из плоскости, раз и навсегда), поэтому в реальности будут образовываться несколько (условно) равновесных (объёмных) конфигураций, переходящих одна в другую. Математика лего позволит нам найти все эти конфигурации, но отложим эту задачу на потом.
С 6 молекулами уже проще, т.к. существует правильный 6-вершинник, и это октаэдр.
То же самое и с 8 молекулами. В такой системе молекулы расположаться в виде куба. Хотя в реальности, так же как и в случае с октаэдром, тут тоже будут существовать несколько (условно) равновесных конфигураций, переходящих одна в другую. Причина в том, что действительно равновесная система – это такая, в которой расстояния между любой парой молекул одинаковы. Чего нет уже в октаэдре, а также и в кубе. (последняя объёмная реально равновесная система – это тетраэдр.) Поэтому в реальности такая система будет произвольно переходить (-хаотично) из одного условно равновесного кубического (или октаэдрического) состояния к другому.
Таким образом доказано, что имея только центрально симметричные силы притяжения и отталкивания, можно получать объёмные регулярные структуры, правда, с некоторой долей нерегулярности. (в которую входят как хаотические колебания молекул, так и хаотические переходы между разными квазиравновесными структурами из них.
Чтобы лучше понять, что это такое, вспомните строение молекулы бензола. Так называемая ароматическая связь – на самом деле – хаотические переходы между двумя квазиравновесными состояниями.)
Понятно также, что из 12 и 20 молекул-частиц получатся соответственно икосаэдрическая и додекаэрическая структура. А что между ними? Такие же динамические структуры с несколькими равновесными состояниями, как и для 5, 7, 9, 11 частиц и т.д.
Что касается жесткости получаемых структур из молекул (это 2-ой вопрос, который был задан: каким образом твердости сопротивляются не только всестороннему сжатию-растяжению, но и линейному сжатию-растяжению, сдвигу и кручени?), то, как легко понять, в структурах из 2, 3 и 4-х молекул она обеспечивается автоматически, т.к. отрезок, треугольник и тетраэдр – жесткие фигуры. Но как жесткость, обеспечивается в структурах из 6 и 8 молекул? Октаэдр, конечно, сам по себе (если это полностью октаэр, а не одна его часть, 4-х угольная пирамида) жесткая фигура (т.к. состоит исключительно из треугольных секций), но прошу заметить, что взаимодействуют между собой не только смежные молекулы, но и оппозитные. Поэтому в октаэдре не 12 связей (совпадающих с ребрами), а 15, т.к. добавляются еще 3 связи между оппозитными молекулами (и поэтому удалёнными друг от друга на бОльшие расстояния, чем смежные. Но оппозитные молекулы выдерживают такую «несправедливость, в угоду всем остальным молекулам структуры)
Однако куб явно «подкачал»: в нём все грани – квадраты. А квадрат, как известно – нежесткая фигура. Но, если вспомнить про связи между оппозитными молекулами, то и кубическая структура делается жесткой, поскольку в нём, кроме 12 связей, совпадающих с рёбрами, появляются еще 12 связей между оппозитными молекулами (диагонали граней) и 12 связей между супероппозитными молекулами, итого 36 связей. Вот почему и кубическая структура является жесткой, причём даже, возможно, более жесткой, чем октаэдрическая.
Если же количество молекул в системе велико, то будет, скорее всего образовываться многоячеистая структура, в которой одни и те же (объёмные) элементы (ячейки) будут регулярно повторяться. Например, если взять 12 молекул, то они образуют 2 октаэдрические ячейки.(стоп, ошибочка вышла: не 12, а 9, т.к. 3 молекулы будут общими для 2-х октаэдров, т.к. склеиваются они обобществлением одной грани. Следовательно, для получения 2-ой октаэдрической ячейки нужно добавить 3 молекулы. Но компактное (боковое) присоединение 3-ей, 4-ой и 5-ой октаэдрических ячеек уже не получается, т.к. не укладываются в этих зонах октаэдры Точнее, укладываются, но не заполняют полностью пространство. Но зато укладываются по два склеенных тетраэдра, вместо одного октаэдра.)
Я не знаю, как поведёт дальше себя эта структура при заполнении пространства, но вот кубами (и исключительно ими) заполнить пространство (вплоть до бесконечности) можно, а вот исключительно тетраэдрами – сомнительно. (Кстати, из 8 частиц из тетраэдров получается тетраэдрическая звезда. Таким образом, кубу есть альтернатива. Но только не бесконечно распространяемая.) И любой математик легко вам докажет, что тетраэдрами, октаэдрами, додекаэдрами и икосаэдрами замостить пространство (без образования пустот) невозможно, т.к. телесный угол 360 о не кратен (то есть не делится нацело) на телесные углы при их вершине.
Что же выходит? Что в реальности ячейкой кристаллической решетки может быть только куб?
(хотя есть надежда на то, что пространство удастся замостить тетраэдрами и октаэдрами, и на эту мысль наводит не только предыдущий пример, но и то, что сумма телесных привершинных углов тетраэдра и октаэдра равна 70,5+109,5 =180 о ровно. Структура, представленная на обложке,показывает, что если сложить 6 привершинных телесных углов октаэдра и 6 привершинных телесных углов тетраэдра, то получается полный развернутый телесный угол. )
И мать–природа подсказывает нам, что это действительно так, но только для изотропных материалов. Примеры неизотропых материалов: графит, вюртцит (ZnS), магний, NiAs (практически во всех этих примерах пространство заполняется шестиугольными призмами.
Что же касается других правильных (симметричных) объёмных структур (и в 1-ю очередь платоновых тел), то скорее всего они образуются на базе куба, причём 3-мя способами:
новая частица ставится (внедряется) по центру грани, ребра или всей ячейки.
Но как тогда объяснить, что, например, у поваренной соли (хлорида натрия) всегда образуется кубическая кристаллическая решётка? То есть тип структуры не зависит здесь от количества частиц в ней.
Начнём с того, что у хлорида натрия кристаллическая решётка вовсе не молекулярная, а ионная, то есть в узлах её находятся не молекулы, а ионы. И притом разных видов атомов (в данном случае 2-х видов) Это и предопределяет новые пикантные свойства таких систем. Но об этом – в следующей статье.
Общее резюме:
1)в газах расстояния между молекулами столь велико, что в них (в основном, то есть в большинстве ситуаций) фактически перестают играть роль как силы отталкивания, так и силы притяжения. Но в весьма малом количестве ситуаций (а значит, с весьма малой вероятностью) (которые мы называем «столкновениями» молекул газа) преобладают силы отталкивания, что и создаёт тот феномен, что газовые тела сопротивляются всесторонему сжатию. (но не всесторонему растяжению)
2)феномен сопротивления всестороннему сжатию передаётся также и жидкостям. Но в гораздо большей степени. Т.к. расстояние между молекулами жидкости – уже настолько малы, что начинают играть роль еще и силы притяжения между молекулами; причём в бОльшем количестве случаев (а значит, с бОльшей вероятностью), чем в газах. Благодаря этому и возникает явление поверхностного натяжения, поэтому жидкое тело и приобретает собственный объём.(но не форму)
3)наконец, при еще бОльшем сближении молекул (что достигается отнятием энергии от тела, в тепловой форме) мы получаем твёрдое агрегатное состояние тела, при котором оно приобретает еще и собственную форму. Причина этого в том, что в таком состоянии силы притяжения становятся близки по значению силам отталкивания. А значит, появляется возможность долговременной фиксации молекул в данной точке пространства, по отношению к другим молекулам.
(благодаря чему в твёрдостях и образуются регулярные бесконечные объёмные структуры, называемые кристаллическими решётками.
Но в реальности, конечно, образуется некоторое подобие их. (то есть, так скажем, неправильные кристаллы. А вырастить большой правильный кристалл – дорогОго стОит.) Ибо процесс этот (отвердевания) по природе своей хаотичен. Как и любой процесс на микроуровне, в том числе химический. Или, например, процесс радиоактивного распада. Ибо ведь частицам материи невдомёк, что хочет от них человек. Поэтому они и образуют то, что образуют. Как кошки, летающие сами по себе.)
Если, конечно, исключить то, что молекулы и в этих условиях продолжают оставаться свободными «личностями», а поэтому колеблются относительно их равновесных состояний. (причём не хуже, чем молекулы газа, то есть хаотично) И тем с большей амплитудой, чем больше их температура.)
4)основной тип ячейки кристаллической решётки - кубическая, ввиду её необычайного свойства заполнять пространство бесконечно без пустот.
Есть и другой вариант такого заполнения пространства (редуцированный до плоскости), но он приводит неизотропности материала.
5)жесткость ячеек кристаллических решёток обеспечивается в том числе связями между оппозитными частицами разного порядка.
вперёд http://www.proza.ru/2017/09/12/118