современные модели описания структуры жидкости (стр. 1 из 4)
Министерство образования Российской Федерации
Химический факультет
РЕФЕРАТ
Современные модели описания структуры жидкости
Ассоциаты и кластеры в жидкостях
Выполнила студентка 691 группы Величкина Юлия
Барнаул 2002
Введение
Жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым и газообразным. Область существования жидкости ограничена со стороны низких температур переходят в твердое состояние высоких – переходом в газообразное. Для каждого вещества существует температура, называемая критической Ткр, выше которой жидкость не может находится в равновесии с собственным паром.
Жидкости сохраняют отдельные свойства как твердых тел, так и газов.
Твердые тела по характеру расположения атомов или молекул подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллы обладают ближним и дальним порядком.
Частицы кристалла расположены так, что расстояние между сколь угодно удаленными частицами непосредственно выражается через кратчайшее расстояние между двумя соседними частицами. По типам связи кристаллы подразделяются на атомные, ионные, молекулярные и металлические. Кристаллические тела обычно анизотропны, их механические, тепловые, электрические и оптические свойства в разных направлениях неодинаковы. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в нескольких модификациях, обладающих неодинаковой структурой. Так, углерод существует в виде графита и алмаза; двуокись кремния SiO2—в виде кварца, тридимита и кристаболита; сера — в виде ромбической и моноклинной модификации. Атомы, ионы или молекулы, образующие кристалл, совершают согласованные (коллективные) колебательные движения, энергия их сцепления больше внутренней энергии кристалла.
В газообразном состоянии вещества атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом посредством ван-дер-ваальсовых сил притяжения на больших, по сравнению с размерами частиц, расстояниях, и квантово-механических сил отталкивания на малых расстояниях. Однако силы притяжения не достаточны, чтобы удержать молекулы друг возле друга, вследствие чего их взаимное расположение в газе хаотическое. Молекулы газа находятся в беспрерывном движении, которое происходит в виде поступательных, несогласованных (индивидуальных) перемещений и столкновений в конце каждого свободного пробега. Кинетическая энергия молекул газа значительно больше потенциальной. В многоатомных молекулах наряду с поступательным движением может происходить вращение молекулы как целого и колебания составляющих ее атомов.
Жидкость, как и твердое тело, — система динамическая. Атомы, ионы или молекулы, сохраняя ближний порядок во взаимном расположении, участвуют в тепловом движении, характер которого гораздо более сложный, чем в кристаллах. Молекулы жидкостей совершают колебания такого же типа, как и в кристаллах, но положения равновесия, относительно которых происходят эти колебания, не остаются неподвижными. Совершив определенное число колебаний около одного положения равновесия, молекула скачком переходит в новое положение и продолжает там колебаться вплоть до следующего скачка. Посредством таких скачкообразных перемещений молекул в жидкостях осуществляется диффузия, которую, в отличие от непрерывной, называют диффузией скачком.
Рис. 1. Диаграмма состояния однокомпонентного вещества.
Согласно Я. И. Френкелю, длительность пребывания молекулы во временном положении равновесия — время оседлой жизни — определяется по формуле
t=t0еw/kТ (1.1)
где t0 — период колебаний молекул около положения равновесия; W—высота потенциального барьера, который отделяет друг от друга два соседних положения равновесия; k—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура. Численное значение t зависит от строения и вязкости жидкости. Для воды при комнатной температуре to=l,4-10 -12 с. Следовательно, каждая молекула воды совершает около 100 колебаний относительно одного и того же положения равновесия, прежде чем переменить место. По образному выражению Френкеля, молекулы в жидкости ведут в основном оседлый образ жизни, что представляет собой характерную черту жидкого состояния, сближающего его с твердым телом, с той разницей, что в твердых телах время оседлой жизни гораздо больше, чем в жидких.
С ростом температуры время оседлой жизни молекул во временном положении равновесия уменьшается. Соответственно усиливается трансляционное движение молекул.
Многочисленные исследования показывают, что наряду с колебанием молекул в окружении своих соседей и активационными скачками в жидкостях происходят плавные перемещения молекул вместе с их ближайшим окружением. Иными словами, находящиеся в колебательном состоянии молекулы жидкости в каждый момент времени смещаются на некоторое расстояние (меньше межатомного), обусловливая непрерывную диффузию. Можно полагать, что в сжиженных инертных газах и металлах преобладает непрерывная диффузия, тогда как для ассоциированных жидкостей (например, для воды) более вероятен прыжковый механизм диффузии.
В жидком состоянии вещества в отличие от газообразного проявляются те же межмолекулярные силы притяжения, которые обусловливают тот или иной тип связи в кристалле. Так, например, между атомами сжиженных инертных газов действуют дисперсионные ван-дер-ваальсовы силы. Те же силы обусловливают взаимное притяжение молекул диэлектрических жидкостей (бензол, парафины и др.). Между молекулами воды, спиртов, кислот жирного ряда действуют специфические силы притяжения, возникновение которых связано с наличием в составе этих молекул группы ОН (водородная связь). В расплавах солей действуют электростатические силы, в металлах — силы металлической связи. В жидком германии, кремнии и других полупроводниковых веществах наряду с металлической связью частично сохраняется ковалентная связь. Жидкости, принадлежащие к данному типу межмолекулярных связей, характеризуются специфическим ближним порядком в расположении частиц, что отражается на поведении физических свойств вещества в жидком состоянии. В естественных условиях жидкости изотропны, имеют только одну модификацию. Исключением является гелий, который может находиться в двух фазах, и так называемые жидкие кристаллы, у которых существует как изотропная, так и анизотропная фазы.
Из изложенного следует, что жидкости по характеру взаимного расположения частиц, их динамике и взаимодействию ближе к кристаллическому, а не к газовому состоянию вещества. Полная энергия молекул жидкости равна сумме их кинетической и потенциальной энергий. Соотношение между их численными значениями зависит от температуры и давления. Являясь фазой, промежуточной между твердой и газообразной, жидкость, естественно, обнаруживает непрерывную гамму переходных свойств, примыкая в области высоких температур и больших удельных объемов к газам, а в области низких температур и малых удельных объемов - к твердым телам
Глава 1. Структура жидкостей
Структура жидкостей – это способ распределения ее частиц в пространстве. Если взаимное расположение молекул, атомов или ионов, входящих в состав жидкости, изучено, то ее структура считается известной. Экспериментальным методом исследования структуры является рентгенография.
Трактовать структуру жидкости можно на основе существующих молекулярных моделей.
1.1. Микрокристаллическая модель
Микрокристаллическая модель предполагает, что в жидкости существуют группы молекул – ''микрокристаллы'', содержащие несколько десятков или сот молекул. Внутри каждого микрокристалла сохраняется в точности порядок твердого тела. Эти группы молекул, или ''кластеры'', существуют непродолжительное время, затем распадаются и создаются вновь; кроме того, они постоянно перемещаются так, что каждая молекула не принадлежит все время к одной и той же группе молекул или ''кластеру''. Собственно этим свойством объясняется текучесть жидкости. Наличие в жидкости пространственного упорядочения молекул подтверждается многими факторами, в частности экспериментальными по рассеянию света и рентгеновского излучения, нейтронов и электронов.
Результаты рентгеновского анализа жидкостей можно объяснить, представив их структуру либо как скопления множества ультрамикроскопических значительно деформированных агрегатов, либо в виде непрерывной, структурной сетки, в которой элементы структурного порядка ограничены ближайшими соседями.
Первое предположение означает, что огромное число мельчайших ''кристаллических островков'' (сиботоксических групп) разделены областями беспорядоченного расположения частиц. Эти группы не имеют резких границ, плавно переходя в области неупорядоченного расположения частиц. Они перемещаются и не только непрерывно утрачивают одни частицы и пополняются другими, но могут разрушаться и создаваться вновь. Как в газе, они перемещаются по объему, как в кристаллах, колеблются около положения равновесия. Нагревание сокращает время ''оседлой'' жизни сиботаксических групп, охлаждение приводит к противоположному результату. Таким образом, представление о жидкости формируется на основании результатов синтеза представлений о газах и кристаллах – сочетания закономерного расположения молекул в небольших объемах с неупорядоченным распределением во всем объеме.
1.2. Квазикристаллическая модель.
Квазикристаллическая модель предполагает, что относительное расположение частиц в жидкости приближается к имеющемуся в кристалле, причем отступление от правильности систематически увеличивается с расстоянием по мере удаления от исходной молекулы на большом расстоянии уже не наблюдается правильности в расположении молекул, то есть в жидкости имеет место ''ближний порядок'' и отсутствует ''дальний порядок''.