Αν υποδηλώσουμε τη μάζα ενός μορίου ενός σώματος και την ταχύτητα της μεταφορικής του κίνησης, τότε η κινητική ενέργεια της μεταφορικής κίνησης του μορίου θα είναι ίση με
Τα μόρια ενός σώματος μπορούν να έχουν διαφορετικές ταχύτητες και μεγέθη, επομένως, για να χαρακτηριστεί η κατάσταση του σώματος, χρησιμοποιείται μέση ενέργειακίνηση προς τα εμπρός
πού είναι ο συνολικός αριθμός των μορίων στο σώμα. Αν όλα τα μόρια είναι ίδια, τότε
Εδώ υποδηλώνει τη ρίζα μέση τετραγωνική ταχύτητα της χαοτικής κίνησης των μορίων:
Δεδομένου ότι υπάρχουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων, τα μόρια του σώματος, εκτός από την κινητική ενέργεια, έχουν και δυναμική ενέργεια. Θα υποθέσουμε ότι η δυναμική ενέργεια ενός μεμονωμένου μορίου που δεν αλληλεπιδρά με άλλα μόρια είναι ίση με μηδέν. Στη συνέχεια, κατά την αλληλεπίδραση δύο μορίων, η δυναμική ενέργεια που προκαλείται από τις απωστικές δυνάμεις θα είναι θετική και οι ελκτικές δυνάμεις θα είναι αρνητικές (Εικ. 2.1, β), αφού όταν τα μόρια ενωθούν, πρέπει να γίνει ένα ορισμένο ποσό εργασίας. γίνεται για να ξεπεραστούν οι απωθητικές δυνάμεις και οι ελκτικές δυνάμεις, αντίθετα, κάνουν τη δουλειά οι ίδιες. Στο Σχ. 2.1, το b δείχνει το γράφημα αλλαγής δυναμική ενέργειααλληλεπιδράσεις δύο μορίων ανάλογα με την μεταξύ τους απόσταση. Το τμήμα του γραφήματος δυναμικής ενέργειας κοντά στη χαμηλότερη τιμή του ονομάζεται πηγάδι δυναμικού και η τιμή της χαμηλότερης ενεργειακής τιμής ονομάζεται βάθος του φρέατος δυναμικού.
Ελλείψει κινητικής ενέργειας, τα μόρια θα βρίσκονται σε απόσταση που αντιστοιχεί στη σταθερή τους ισορροπία, αφού το αποτέλεσμα των μοριακών δυνάμεων σε αυτή την περίπτωση είναι μηδέν (Εικ. 2.1, α) και η δυναμική ενέργεια είναι ελάχιστη. Για να αφαιρέσετε τα μόρια το ένα από το άλλο, πρέπει να κάνετε δουλειά για να ξεπεράσετε τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων,
ίσο σε μέγεθος (με άλλα λόγια, τα μόρια πρέπει να ξεπεράσουν ένα πιθανό εμπόδιο ύψους
Εφόσον στην πραγματικότητα τα μόρια έχουν πάντα κινητική ενέργεια, η απόσταση μεταξύ τους αλλάζει συνεχώς και μπορεί να είναι είτε μεγαλύτερη είτε μικρότερη. Εάν η κινητική ενέργεια του μορίου Β είναι μικρότερη, για παράδειγμα στο Σχ. τότε το μόριο θα κινηθεί μέσα στο δυναμικό πηγάδι. Ξεπερνώντας τις δυνάμεις εξουδετέρωσης της έλξης (ή της απώθησης), το μόριο Β μπορεί να απομακρυνθεί από το Α (ή να πλησιάσει) σε αποστάσεις στις οποίες όλη η κινητική του ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης. Αυτές οι ακραίες θέσεις του μορίου προσδιορίζονται από σημεία στην καμπύλη δυναμικού σε ένα επίπεδο από τον πυθμένα του φρεατίου δυναμικού (Εικ. 2.1, β). Οι ελκτικές (ή απωστικές) δυνάμεις ωθούν τότε το μόριο Β μακριά από αυτές τις ακραίες θέσεις. Έτσι, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης κρατούν τα μόρια το ένα κοντά στο άλλο σε μια ορισμένη μέση απόσταση.
Εάν η κινητική ενέργεια του μορίου Β είναι μεγαλύτερη από το Yamiv (Epost" στο Σχ. 2.1, β), τότε θα ξεπεράσει το φράγμα του δυναμικού και η απόσταση μεταξύ των μορίων μπορεί να αυξηθεί χωρίς όριο.
Όταν ένα μόριο κινείται μέσα σε ένα πηγάδι δυναμικού, όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική του ενέργεια (στο Σχήμα 2.1, β), δηλαδή όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο μεγαλύτερη γίνεται η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων. Αυτό εξηγεί τη διαστολή των στερεών και υγρά όταν θερμαίνονται.
Η αύξηση της μέσης απόστασης μεταξύ των μορίων εξηγείται από το γεγονός ότι το γράφημα δυναμικής ενέργειας στα αριστερά του γραφήματος ανεβαίνει πολύ πιο απότομα από ότι προς τα δεξιά. Αυτή η ασυμμετρία του γραφήματος οφείλεται στο γεγονός ότι οι απωστικές δυνάμεις μειώνονται με την αύξηση πολύ πιο γρήγορα από τις ελκτικές δυνάμεις (Εικ. 2.1, α).
Σύγκρουση μόρια που θα ονομάσουμε τη διαδικασία της αλληλεπίδρασής τους, με αποτέλεσμα να αλλάζουν οι ταχύτητες των μορίων .
Η φύση της αλληλεπίδρασης των μορίων μπορεί να φανταστεί κανείς αν λάβουμε υπόψη την εξάρτηση της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασης των μορίων από την απόσταση μεταξύ των κέντρων τους. Αυτή η εξάρτηση έχει τη μορφή που φαίνεται περίπου στο Σχήμα 11.2.
Ας φανταστούμε ότι ένα μόριο βρίσκεται στην αρχή των συντεταγμένων και το δεύτερο το πλησιάζει από το «άπειρο», έχοντας πολύ λίγη κινητική ενέργεια. Σε αποστάσεις που υπερβαίνουν , η αλληλεπίδραση των μορίων έχει τη φύση της έλξης. Πράγματι, για Καθώς η απόσταση μεταξύ των μορίων αυξάνεται, η δυναμική ενέργεια αυξάνεται. Αυτό σημαίνει ότι η κλίση του κατευθύνεται προς την αύξηση της απόστασης μεταξύ των μορίων και η δύναμη αλληλεπίδρασης () κατευθύνεται προς τη μείωση της απόστασης μεταξύ των μορίων. Επομένως, καθώς τα μόρια πλησιάζουν το ένα το άλλο, η αμοιβαία ταχύτητά τους αυξάνεται: η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και το μόριο που πλησιάζει επιταχύνεται.
Σε αποστάσεις μικρότερες από η έλξη αντικαθίσταται από την ταχέως αυξανόμενη απώθηση. Η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης αυξάνεται απότομα (η κινητική μετατρέπεται σε δυναμικό) και όταν είναι ίση με την αρχική κινητική ενέργεια, τα μόρια σταματούν. Στη συνέχεια συμβαίνουν αντίστροφες διεργασίες, τα μόρια διαχωρίζονται.
Η ελάχιστη απόσταση d με την οποία τα κέντρα των μορίων πλησιάζουν το ένα το άλλο κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης ονομάζεται αποτελεσματική μοριακή διάμετρος . Η ποσότητα ονομάζεται αποτελεσματική διατομή του μορίου . ισούται με την περιοχή διατομής του κυλίνδρου κατά μήκος του άξονα του οποίου κινείται ένα δεδομένο μόριο, έτσι ώστε εάν το κέντρο ενός άλλου μορίου πέσει στον όγκο του κυλίνδρου, τότε τα μόρια πρέπει να συγκρούονται.
Είναι σαφές ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας τα κέντρα των μορίων κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων θα έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους, επομένως Η αποτελεσματική διάμετρος εξαρτάται από τη θερμοκρασία . Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η ανάπτυξη της δυνητικής ενέργειας απώθησης συμβαίνει πολύ γρήγορα, επομένως η εξάρτηση της ενεργού διαμέτρου από τη θερμοκρασία εμφανίζεται απαραίτητα, αλλά δεν είναι πολύ έντονο .
Σε ένα δευτερόλεπτο, ένα μόριο διανύει μια μέση απόσταση ίση με τη μέση ταχύτητά του. Αν σε ένα δευτερόλεπτο υποστεί σύγκρουση, τότε το μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής μόρια
Για τον υπολογισμό, υποθέτουμε ότι όλα τα μόρια, εκτός από αυτό, βρίσκονται σε ηρεμία στις θέσεις τους. Έχοντας χτυπήσει ένα από τα ακίνητα μόρια, αυτό θα πετάξει σε ευθεία γραμμή μέχρι να συγκρουστεί με το άλλο. Η επόμενη σύγκρουση θα συμβεί εάν το κέντρο ακίνητοςτα μόρια θα είναι από την ευθεία γραμμή κατά μήκος της οποίας πετάει δεδομένοςμόριο σε απόσταση μικρότερη από την πραγματική του διάμετρο. Σε ένα δευτερόλεπτο, ένα μόριο θα συγκρουστεί με όλα τα μόρια των οποίων τα κέντρα εμπίπτουν στον όγκο ενός κυλίνδρου με στρόφαλο με βάση και μήκος ίσο με τη μέση ταχύτητα. Αν η συγκέντρωση των μορίων είναι n, τότε ο αριθμός των συγκρούσεων κατά μήκος αυτής της διαδρομής
Είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη ότι στην πραγματικότητα όλα τα μόρια κινούνται, και στην (11.9) είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη όχι , αλλά ο μέσος όρος συγγενής η ταχύτητα κίνησης των μορίων, η οποία είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη. Τότε για τη μέση ελεύθερη διαδρομή l μπορούμε να γράψουμε:
Ενδιαφέροντος ποσοτικοποίηση του λ Και . Θα υποθέσουμε ότι σε ένα υγρό τα μόρια βρίσκονται σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους. Τότε η τρίτη ρίζα του όγκου ανά μόριο θα μας δώσει μια εκτίμηση του μεγέθους του μορίου. Ένα γραμμομόριο νερού καταλαμβάνει όγκο 18 * 10 -10 m3 και περιέχει μόρια με αριθμό 6 * 10 23 του Avogadro. Στη συνέχεια, υπάρχει "30*10 -30 m3 ανά μόριο, και η διάμετρος του μορίου είναι" 3*10 -10 m Υπό συνθήκες κοντά στο κανονικό, ένα mole αερίου καταλαμβάνει όγκο . Στη συνέχεια, η συγκέντρωση των μορίων υπό κανονικές συνθήκες μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο και Μέσο μήκοςελεύθερη διαδρομή σύμφωνα με τον τύπο (11.10)
Όταν μελετάτε τη συμπεριφορά μιας μεγάλης συλλογής μορίων, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείτε δυναμική ενέργεια αντί της δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων.
Είναι απαραίτητο να υπολογιστούν τα μέσα χαρακτηριστικά του συστήματος και η έννοια της μέσης δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων δεν έχει νόημα, καθώς το άθροισμα όλων των δυνάμεων που ενεργούν μεταξύ των μορίων, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, είναι μηδέν. Η μέση δυναμική ενέργεια καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατάσταση και τις ιδιότητες μιας ουσίας.
Εξάρτηση δυναμικής ενέργειας από την απόσταση μεταξύ των μορίων
Εφόσον η μεταβολή της δυναμικής ενέργειας καθορίζεται από το έργο της δύναμης, τότε από τη γνωστή εξάρτηση της δύναμης από την απόσταση μπορεί κανείς να βρει την εξάρτηση της δυναμικής ενέργειας από την απόσταση. Αρκεί όμως να γνωρίζουμε μόνο το κατά προσέγγιση σχήμα της καμπύλης δυναμικού μι R (r). Πρώτα απ 'όλα, ας θυμηθούμε ότι η δυναμική ενέργεια προσδιορίζεται μέχρι μια αυθαίρετη σταθερά, επειδή το άμεσο νόημα δεν είναι η ίδια η δυναμική ενέργεια, αλλά η διαφορά μεταξύ των δυνητικών ενεργειών σε δύο σημεία, ίση με το έργο που λαμβάνεται με το αντίθετο πρόσημο. Θα υποθέσουμε, όπως συνηθίζεται στη φυσική, Ε = 0στο r→ ∞. Η δυναμική ενέργεια ενός συστήματος μπορεί να θεωρηθεί ως το έργο που μπορεί να κάνει το σύστημα και η δυναμική ενέργεια καθορίζεται από τη θέση των σωμάτων, αλλά όχι από τις ταχύτητες τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων, τόσο καλή δουλειάθα δημιουργήσει ελκυστικές δυνάμεις μεταξύ τους καθώς πλησιάζουν. Επομένως, όταν μειώνεται r, ξεκινώντας από πολύ μεγάλες τιμές, η δυναμική ενέργεια θα μειωθεί. Το δεχθήκαμε r→ ∞ η δυναμική ενέργεια είναι μηδέν, επομένως, με φθίνουσα rΗ δυναμική ενέργεια γίνεται αρνητική (Εικ. 2.12).
Στο σημείο r = r 0 η δύναμη είναι μηδέν (βλ. Εικ. 2.10). Επομένως, εάν τα μόρια βρίσκονται σε αυτή την απόσταση, τότε θα είναι σε ηρεμία και το σύστημα δεν μπορεί να εκτελέσει καμία εργασία. Αυτό σημαίνει ότι όταν r = r 0 η δυναμική ενέργεια έχει ένα ελάχιστο. Θα μπορούσαμε να έχουμε αυτή τη δυνητική ενεργειακή αξία μι ΠΠάρτε το 0 ως την αρχή της δυναμικής ενέργειας. Τότε θα ήταν θετικό παντού (Εικ. 2.13). Και οι δύο καμπύλες (βλ. Εικ. 2.12 και 2.13) χαρακτηρίζουν εξίσου την αλληλεπίδραση των μορίων. Διαφορά αξιών μι R για δύο σημεία είναι το ίδιο και για τις δύο καμπύλες, και μόνο αυτό έχει νόημα.
Στο r < r 0 εμφανίζονται ταχέως αυξανόμενες απωθητικές δυνάμεις. Μπορούν επίσης να κάνουν δουλειά. Επομένως, η δυναμική ενέργεια αυξάνεται με την περαιτέρω προσέγγιση των μορίων, και πολύ γρήγορα.
Η καμπύλη δυναμικού θα έχει το σχήμα που φαίνεται στο σχήμα 2.12 εάν τα μόρια πλησιάζουν το ένα το άλλο σε ένα επίπεδο ΕΝΑκατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα κέντρα τους (Εικ. 2.14). Αν τα μόρια πλησιάσουν το ένα το άλλο σε ένα επίπεδο ΣΕή στο αεροπλάνο ΜΕ,τότε η καμπύλη δυναμικού θα έχει τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 2.15, αντίστοιχα, ΕΝΑκαι 2.15, σι.
το κύριο καθήκον
Πολλά μπορούν να εξηγηθούν και να κατανοηθούν με βάση ορισμένες ιδέες σχετικά με τη φύση της αλληλεπίδρασης των μορίων σε μια ουσία. Θα εστιάσουμε μόνο σε ένα πολύ γενικό ερώτημα: πώς η γνώση της εξάρτησης της δυναμικής ενέργειας από την απόσταση μεταξύ των μορίων μας επιτρέπει να καθιερώσουμε ένα ποσοτικό κριτήριο για τη διαφορά μεταξύ αερίων, υγρών και στερεάαπό τη σκοπιά της μοριακής κινητικής θεωρίας.
Ας εξετάσουμε πρώτα την κίνηση των μορίων από ενεργειακή άποψη.
Χημικός δεσμός. Εξάρτηση δυναμικής ενέργειας από διαπυρηνική απόσταση σε διατομικό μόριο. Τύποι χημικών δεσμών. Κύρια χαρακτηριστικά ενός χημικού δεσμού: μήκος, ενέργεια, πολλαπλότητα δεσμού, γωνία δεσμού. Τύποι χημικών δεσμών. Ιοντικός δεσμός. Μεταλλική σύνδεση. Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις. Δεσμός υδρογόνου.
Ο σχηματισμός χημικών ενώσεων οφείλεται στην εμφάνιση χημικών δεσμών μεταξύ ατόμων σε μόρια και κρυστάλλους.
Χημικός δεσμός– ένα σύνολο αλληλεπιδράσεων ατόμων, που οδηγούν στο σχηματισμό σταθερών συστημάτων (μόρια, σύμπλοκα, κρύσταλλοι κ.λπ.). Ένας χημικός δεσμός προκύπτει εάν, ως αποτέλεσμα επικαλυπτόμενων νεφών ηλεκτρονίων ατόμων, συμβεί μείωση συνολική ενέργειασυστήματα.
Ένα μέτρο της ισχύος του χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων Α και Β είναι δεσμευτική ενέργεια E A-B, το οποίο καθορίζεται από την εργασία που απαιτείται για την καταστροφή μιας δεδομένης σύνδεσης. Έτσι, για να εξατμιστεί 1 mole αερίου υδρογόνου, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί ενέργεια E = 436 kJ, επομένως, ο σχηματισμός ενός μορίου H 2 από άτομα
H+H=H 2 συνοδεύεται από την απελευθέρωση της ίδιας ποσότητας ενέργειας, δηλ. Ε Η-Η = 436 kJ/mol.
Σημαντικό χαρακτηριστικόη επικοινωνία είναι δική της μήκος, δηλ. την απόσταση μεταξύ των κέντρων των ατόμων Α και Β σε ένα μόριο. Η ενέργεια και το μήκος των δεσμών εξαρτώνται από τη φύση της κατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων. Η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων επηρεάζεται από τη χωρική χημικός προσανατολισμόςδιαβιβάσεις. Εάν τα διατομικά μόρια είναι πάντα γραμμικά, τότε τα σχήματα των πολυατομικών μορίων μπορεί να είναι διαφορετικά. Έτσι ένα τριατομικό μόριο μπορεί να έχει γραμμικό ή γωνιακό σχήμα. Γωνίαμεταξύ φανταστικών γραμμών που μπορούν να συρθούν μέσα από τα κέντρα των συνδεδεμένων ατόμων ονομάζεται σθένος
Η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων εξαρτάται επίσης από το μέγεθος των ατόμων και τους ηλεκτραρνητικότητα– την ικανότητα των ατόμων να προσελκύουν την πυκνότητα ηλεκτρονίων των εταίρων. Στα ομοατομικά (δηλαδή, που αποτελούνται από πανομοιότυπα άτομα) μόρια, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων κατανέμεται ομοιόμορφα μεταξύ των ατόμων. Στα ετεροατομικά (αποτελούμενα από άτομα διαφορετικών στοιχείων) μόρια, η πυκνότητα ηλεκτρονίων μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση που συμβάλλει στη μείωση της ενέργειας του συστήματος (προς ένα πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο). Η πυκνότητα ηλεκτρονίων αυξάνεται κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου ενός πιο ηλεκτραρνητικού στοιχείου. Ο δεσμός στα ετεροατομικά μόρια είναι πάντα σε κάποιο βαθμό πολικός, αφού η πυκνότητα ηλεκτρονίων σε αυτά κατανέμεται ασύμμετρα.
Ο σχηματισμός ενός ομοιοπολικού δεσμού συμβαίνει λόγω των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων κάθε ατόμου, τα οποία σχηματίζουν ένα κοινό ζεύγος. Εάν ένας δεσμός (ένα κοινό ζεύγος) έχει προκύψει μεταξύ των ατόμων, π.χ η σύνδεση ονομάζεται απλή.Παράδειγμα HCl, HBr, NaCl, Η2
Εάν εμφανίζονται περισσότερα από ένα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων, τότε ο δεσμός ονομάζεται πολλαπλάσια: διπλά (δύο κοινά ζεύγη), τριπλά (τρία κοινά ζεύγη).Ένα παράδειγμα μορίου με τριπλό δεσμό είναι το μόριο του αζώτου. Κάθε άτομο αζώτου έχει τρία ασύζευκτα p ηλεκτρόνια. Κάθε ένα από αυτά συμμετέχει στο σχηματισμό της σύνδεσης. Υπάρχουν τρεις δεσμοί μεταξύ των ατόμων στο μόριο N2. Η παρουσία ενός τριπλού δεσμού εξηγεί την υψηλή χημική σταθερότητα του μορίου. Παράδειγμα με διπλό δεσμό Ο2. Κάθε άτομο οξυγόνου έχει 2 ασύζευκτα p-ηλεκτρόνια, τα οποία συμμετέχουν στο σχηματισμό δεσμών.
Η εξάρτηση της δυναμικής ενέργειας από την απόσταση μεταξύ των ατόμων σε ένα διατομικό μόριο εκφράζεται με την ακόλουθη σχέση: (σελίδα 112 σχήμα και εξίσωση)
U = 1∕4πε 0 × (e 2 ∕ r A-B + e 2 ∕ r 12 - e 2 ∕ r A1 - e 2 ∕ r B2 - e 2 ∕ r A2 - e 2 ∕ r B1), όπου ε 0 - ηλεκτρικό συνεχής. Επομένως, η δυναμική ενέργεια είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των πυρήνων σε ένα διατομικό μόριο.
Ένας ιοντικός χημικός δεσμός είναι ένας δεσμός που σχηματίζεται από την ηλεκτροστατική έλξη κατιόντων (θετικά φορτισμένα ιόντα) προς ανιόντα (αρνητικά φορτισμένα ιόντα).
Η πιο σταθερή ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων είναι αυτή στην οποία, στο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο, τα άτομα είναι σαν ευγενή αέρια. Θα υπάρχουν 8 ηλεκτρόνια (ή για την πρώτη περίοδο 2). Κατά τη διάρκεια χημικών αλληλεπιδράσεων, τα άτομα προσπαθούν να αποκτήσουν ακριβώς μια τέτοια σταθερή ηλεκτρονική διαμόρφωση και συχνά το επιτυγχάνουν είτε ως αποτέλεσμα της απόκτησης ηλεκτρονίων σθένους από άλλα άτομα (η διαδικασία αναγωγής), είτε ως αποτέλεσμα της εγκατάλειψης των ηλεκτρονίων σθένους (άνοιγμα ενός ολοκληρωμένου στρώματος ) - η διαδικασία της οξείδωσης. Τα άτομα που έχουν προσθέσει ξένα ηλεκτρόνια μετατρέπονται σε αρνητικά ιόντα - ανιόντα. Τα άτομα που δίνουν τα ηλεκτρόνια τους μετατρέπονται σε θετικά ιόντα - κατιόντα. Ηλεκτροστατικές δυνάμεις έλξης προκύπτουν μεταξύ ανιόντων και κατιόντων, οι οποίες θα τα κρατήσουν κοντά το ένα στο άλλο, δημιουργώντας έτσι έναν ιοντικό δεσμό. Δεδομένου ότι τα κατιόντα σχηματίζουν κυρίως άτομα μετάλλων και τα ανιόντα σχηματίζουν άτομα μη μετάλλων, αυτός ο τύπος δεσμού είναι τυπικός για ενώσεις τυπικών μετάλλων (στοιχεία της κύριας υποομάδας των ομάδων 1-2 εκτός από Mg, Be) με τυπικά αμέταλλα (στοιχεία η κύρια υποομάδα της ομάδας 7) NaCl. Οι ουσίες με ιοντικούς δεσμούς έχουν ένα ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα. Οι ιοντικές ενώσεις είναι πιο σκληρές, ισχυρότερες και πιο ανθεκτικές. Τα διαλύματα και τα τήγματα των περισσότερων ιοντικών ενώσεων είναι ηλεκτρολύτες. Αυτός ο τύπος δεσμού είναι χαρακτηριστικός των υδροξειδίων των τυπικών μετάλλων και πολλών αλάτων οξέων που περιέχουν οξυγόνο (διαλυτά). Όταν σχηματίζεται ένας ιοντικός δεσμός, δεν πραγματοποιείται πλήρης (ιδανική) μεταφορά ηλεκτρονίων. Η αλληλεπίδραση των ιόντων δεν εξαρτάται από την κατεύθυνση, σε αντίθεση με έναν ομοιοπολικό δεσμό, είναι μη κατευθυντική. Ένας ιοντικός δεσμός υπάρχει στα άλατα αμμωνίου, όπου το ρόλο του κατιόντος παίζει το ιόν αμμωνίου NH 4 + -. (NH4)OH, NH4Cl.
Ο δεσμός σε μέταλλα και κράματα που εκτελείται από σχετικά ελεύθερα (γενικευμένα) ηλεκτρόνια μεταξύ μεταλλικών ιόντων σε ένα μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα ονομάζεται μεταλλικός. Ένας τέτοιος δεσμός είναι μη κατευθυντικός, ακόρεστος, που χαρακτηρίζεται από μικρό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους (εξωτερικά μη ζευγαρωμένα) και μεγάλο αριθμό ελεύθερων τροχιακών, που είναι χαρακτηριστικό για τα άτομα μετάλλου. Η παρουσία μεταλλικού δεσμού οφείλεται φυσικές ιδιότητεςμέταλλα και κράματα: σκληρότητα, ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, ελατότητα, ολκιμότητα, γυαλάδα. Οι ουσίες με μεταλλικό δεσμό έχουν ένα μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα. Οι κόμβοι του περιέχουν άτομα ή ιόντα, μεταξύ των οποίων τα ηλεκτρόνια (αέριο ηλεκτρονίων) κινούνται ελεύθερα (εντός του κρυστάλλου). Ο μεταλλικός δεσμός είναι χαρακτηριστικός μόνο της συμπυκνωμένης κατάστασης της ύλης. Στην κατάσταση ατμού και αερίου, τα άτομα όλων των ουσιών, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, συνδέονται μεταξύ τους μόνο με ομοιοπολικούς δεσμούς. Η πυκνότητα ηλεκτρονίων ενός μεταλλικού δεσμού κατανέμεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Ένας μεταλλικός δεσμός δεν αποκλείει κάποιο βαθμό ομοιοπολικότητας. Στη συχνή τους μορφή, οι μεταλλικοί δεσμοί είναι χαρακτηριστικοί μόνο των μετάλλων αλκαλίων και αλκαλικών γαιών. Στα μέταλλα μετάπτωσης, μόνο ένα μικρό μέρος των ηλεκτρονίων σθένους βρίσκεται σε κατάσταση κοινής χρήσης. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ανήκουν σε ολόκληρο τον κρύσταλλο είναι μικρός. Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια πραγματοποιούν κατευθυνόμενους ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ γειτονικών ατόμων. Ο σχηματισμός δεσμών μπορεί να συμβεί όχι μόνο μεταξύ ατόμων, αλλά και μεταξύ μορίων.Προκαλεί τη συμπύκνωση των αερίων και τη μετατροπή τους σε υγρά και στερεά. Η πρώτη διατύπωση των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης δόθηκε το 1871 από τον Van der Waals. (Δυνάμεις Van der Waals). Τα πολικά μόρια, λόγω της ηλεκτροστατικής έλξης των άκρων των διπόλων, προσανατολίζονται στο χώρο έτσι ώστε τα αρνητικά άκρα των διπόλων ορισμένων μορίων να στρέφονται στα θετικά άκρα των διπόλων άλλων μορίων. Η ενέργεια μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης καθορίζεται από την ηλεκτροστατική έλξη δύο διπόλων. Όσο μεγαλύτερο είναι το δίπολο, τόσο ισχυρότερη είναι η διαμοριακή έλξη. Υπό την επίδραση του διπόλου ενός μορίου, το δίπολο ενός άλλου μπορεί να αυξηθεί και ένα μη πολικό μόριο μπορεί να γίνει πολικό. Μια τέτοια διπολική ροπή που εμφανίζεται υπό την επίδραση ενός διπόλου άλλου μορίου ονομάζεται επαγόμενη διπολική ροπή και το ίδιο το φαινόμενο ονομάζεται επαγωγή. Είναι γνωστό ότι τα H 2, O 2, N 2 και τα ευγενή αέρια υγροποιούνται. Για να εξηγηθεί αυτό το γεγονός, εισήχθη η έννοια των δυνάμεων διασποράς της διαμοριακής αλληλεπίδρασης. Αυτές οι δυνάμεις δρουν μεταξύ οποιωνδήποτε ατόμων και μορίων, ανεξάρτητα από τη δομή τους. Αυτές οι δυνάμεις και οι δυνάμεις του van der Waals είναι πολύ αδύναμες.
Ένας ειδικός τύπος χημικού δεσμού είναι ο δεσμός υδρογόνου.. Το υδρογόνο είναι ένας χημικός δεσμός μεταξύ θετικά πολωμένων ατόμων υδρογόνου ενός μορίου (ή μέρους του) και αρνητικά πολωμένων ατόμων ισχυρά ηλεκτραρνητικών στοιχείων που έχουν μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων. Ο μηχανισμός σχηματισμού δεσμού υδρογόνου είναι εν μέρει ηλεκτροστατικός, εν μέρει δότης-δέκτης (σχήμα σελ. 147, παρουσία ενός τέτοιου δεσμού, ακόμη και ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους μπορεί να είναι υγρές υπό κανονικές συνθήκες). Στις πρωτεΐνες, υπάρχει ένας δεσμός υδρογόνου μέσα στο μόριο μεταξύ του καρβονυλικού οξυγόνου και της αμινο-υδρογόνου ομάδας. Στο DNA, δύο αλυσίδες νουκλεοτιδίων συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Οι ουσίες με δεσμό υδρογόνου έχουν μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα. Η ενέργεια ενός δεσμού υδρογόνου (21-29 kJ∕mol) είναι σχεδόν 10 φορές μικρότερη από την ενέργεια ενός συμβατικού χημικού δεσμού. Αλλά διασυνδέει όλα τα μόρια και όταν θερμαίνεται είναι τα πρώτα που σπάνε.
Σας επιτρέπει να αναλύσετε γενικά μοτίβα κίνησης εάν είναι γνωστή η εξάρτηση της δυναμικής ενέργειας από τις συντεταγμένες. Ας εξετάσουμε, για παράδειγμα, τη μονοδιάστατη κίνηση ενός υλικού σημείου (σωματιδίου) κατά μήκος του άξονα 0xστο πεδίο δυναμικού που φαίνεται στο Σχ. 4.12.
Εικ.4.12. Κίνηση ενός σωματιδίου κοντά σε σταθερές και ασταθείς θέσεις ισορροπίας
Δεδομένου ότι σε ένα ομοιόμορφο πεδίο βαρύτητας η δυναμική ενέργεια είναι ανάλογη με το ύψος της ανόδου του σώματος, μπορεί κανείς να φανταστεί μια τσουλήθρα πάγου (παραμελώντας την τριβή) με προφίλ που αντιστοιχεί στη συνάρτηση P(x)στην εικόνα.
Από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας Ε = Κ + Ρκαι από το γεγονός ότι η κινητική ενέργεια K = E - Pείναι πάντα μη αρνητικό, έπεται ότι το σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται μόνο σε περιοχές όπου Ε > Π. Το σχήμα δείχνει ένα σωματίδιο με συνολική ενέργεια μιμπορεί να κινηθεί μόνο σε περιοχές
Στην πρώτη περιοχή, η κίνησή του θα είναι περιορισμένη (πεπερασμένα): με μια δεδομένη παροχή συνολικής ενέργειας, το σωματίδιο δεν μπορεί να ξεπεράσει τις «ολισθήσεις» στο δρόμο του (ονομάζονται πιθανά εμπόδια) και είναι καταδικασμένη να παραμείνει για πάντα στην «κοιλάδα» ανάμεσά τους. Αιώνια - από την άποψη της κλασικής μηχανικής, την οποία μελετάμε τώρα. Στο τέλος του μαθήματος θα δούμε πώς η κβαντική μηχανική βοηθά ένα σωματίδιο να ξεφύγει από τη φυλάκιση σε ένα πιθανό πηγάδι - μια περιοχή
Στη δεύτερη περιοχή, η κίνηση του σωματιδίου δεν είναι περιορισμένη (άπειρα), μπορεί να κινηθεί απείρως μακριά από την αρχή προς τα δεξιά, αλλά στα αριστερά η κίνησή του εξακολουθεί να περιορίζεται από το φράγμα δυναμικού:
Βίντεο 4.6. Επίδειξη πεπερασμένων και άπειρων κινήσεων.
Σε ακραία σημεία δυνητικής ενέργειας x MINΚαι x ΜΕΓη δύναμη που ασκεί το σωματίδιο είναι μηδέν επειδή η παράγωγος της δυναμικής ενέργειας είναι μηδέν:
Εάν τοποθετήσετε ένα σωματίδιο σε ηρεμία σε αυτά τα σημεία, θα παρέμενε εκεί... ξανά για πάντα, αν όχι για διακυμάνσεις στη θέση του. Δεν υπάρχει τίποτα αυστηρά σε ηρεμία σε αυτόν τον κόσμο αποκλίσεις (διακυμάνσεις) από τη θέση ισορροπίας. Στην περίπτωση αυτή, φυσικά, προκύπτουν δυνάμεις. Εάν επαναφέρουν το σωματίδιο στη θέση ισορροπίας, τότε αυτή η ισορροπία ονομάζεται βιώσιμος. Εάν, όταν το σωματίδιο αποκλίνει, οι δυνάμεις που προκύπτουν το απομακρύνουν ακόμη περισσότερο από τη θέση ισορροπίας του, τότε έχουμε να κάνουμε με ασταθήςισορροπία, και το σωματίδιο συνήθως δεν μένει σε αυτή τη θέση για πολύ. Κατ' αναλογία με μια τσουλήθρα πάγου, μπορεί κανείς να μαντέψει ότι μια σταθερή θέση θα είναι στο ελάχιστο της δυναμικής ενέργειας και μια ασταθής στο μέγιστο.
Ας αποδείξουμε ότι αυτό είναι πράγματι έτσι. Για ένα σωματίδιο στο ακραίο σημείο x Μ (x MINή x ΜΕΓ) δύναμη που ενεργεί πάνω του F x (x M) = 0. Αφήστε τη συντεταγμένη των σωματιδίων να αλλάξει κατά ένα μικρό ποσοστό λόγω διακύμανσης Χ. Με μια τέτοια αλλαγή στις συντεταγμένες, μια δύναμη θα αρχίσει να ενεργεί στο σωματίδιο
(ο πρώτος δείχνει την παράγωγο σε σχέση με τη συντεταγμένη Χ). Λαμβάνοντας υπ 'όψιν ότι F x =-P", λαμβάνουμε την έκφραση για τη δύναμη
Στο ελάχιστο σημείο, η δεύτερη παράγωγος της δυναμικής ενέργειας είναι θετική: U"(x MIN) > 0. Στη συνέχεια, για θετικές αποκλίσεις από τη θέση ισορροπίας Χ > 0 η δύναμη που προκύπτει είναι αρνητική και πότε Χ<0 η δύναμη είναι θετική. Και στις δύο περιπτώσεις, η δύναμη εμποδίζει το σωματίδιο να αλλάξει τις συντεταγμένες του και η θέση ισορροπίας στην ελάχιστη δυναμική ενέργεια είναι σταθερή.
Αντίθετα, στο μέγιστο σημείο η δεύτερη παράγωγος είναι αρνητική: U" (x MAX)<0 . Στη συνέχεια, μια αύξηση της συντεταγμένης των σωματιδίων Δx οδηγεί στην εμφάνιση μιας θετικής δύναμης, η οποία αυξάνει περαιτέρω την απόκλιση από τη θέση ισορροπίας. Στο Χ<0 η δύναμη είναι αρνητική, δηλαδή σε αυτή την περίπτωση συμβάλλει στην περαιτέρω εκτροπή του σωματιδίου. Αυτή η θέση ισορροπίας είναι ασταθής.
Έτσι, η θέση της σταθερής ισορροπίας μπορεί να βρεθεί λύνοντας την εξίσωση και την ανισότητα μαζί
Βίντεο 4.7. Πιθανές οπές, πιθανά εμπόδια και ισορροπία: σταθερή και ασταθής.
Παράδειγμα. Η δυναμική ενέργεια ενός διατομικού μορίου (για παράδειγμα, H 2ή Ο 2) περιγράφεται από μια έκφραση της φόρμας
Οπου rείναι η απόσταση μεταξύ των ατόμων, και ΕΝΑ, σι- θετικές σταθερές. Προσδιορίστε την απόσταση ισορροπίας r Mμεταξύ των ατόμων ενός μορίου. Είναι ένα διατομικό μόριο σταθερό;
Λύση. Ο πρώτος όρος περιγράφει την απώθηση των ατόμων σε μικρές αποστάσεις (το μόριο ανθίσταται στη συμπίεση), ο δεύτερος περιγράφει την έλξη σε μεγάλες αποστάσεις (το μόριο αντιστέκεται στο σπάσιμο). Σύμφωνα με όσα ειπώθηκαν, η απόσταση ισορροπίας βρίσκεται λύνοντας την εξίσωση
Διαφοροποιώντας τη δυναμική ενέργεια, παίρνουμε
Τώρα βρίσκουμε τη δεύτερη παράγωγο της δυναμικής ενέργειας
και αντικαταστήστε την τιμή της απόστασης ισορροπίας εκεί r M :
Η θέση ισορροπίας είναι σταθερή.
Στο Σχ. Το 4.13 παρουσιάζει ένα πείραμα μελέτης δυνητικών καμπυλών και συνθηκών ισορροπίας μιας μπάλας. Εάν, στο μοντέλο καμπύλης δυναμικού, μια μπάλα τοποθετηθεί σε ύψος μεγαλύτερο από το ύψος του φραγμού δυναμικού (η ενέργεια της μπάλας είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια του φραγμού), τότε η μπάλα ξεπερνά το φράγμα δυναμικού. Εάν το αρχικό ύψος της μπάλας είναι μικρότερο από το ύψος του φραγμού, τότε η μπάλα παραμένει μέσα στο πηγάδι δυναμικού.
Μια μπάλα που τοποθετείται στο υψηλότερο σημείο του φραγμού δυναμικού βρίσκεται σε ασταθή ισορροπία, καθώς οποιαδήποτε εξωτερική επιρροή οδηγεί στη μετακίνηση της μπάλας στο χαμηλότερο σημείο του δυναμικού φρέατος. Στο χαμηλότερο σημείο του πηγαδιού δυναμικού, η μπάλα βρίσκεται σε σταθερή ισορροπία, αφού οποιαδήποτε εξωτερική επιρροή οδηγεί στην επιστροφή της μπάλας στο χαμηλότερο σημείο του φρέατος δυναμικού.
Ρύζι. 4.13. Πειραματική μελέτη δυναμικών καμπυλών
Επιπλέον πληροφορίες
http://vivovoco.rsl.ru/quantum/2001.01/KALEID.PDF – Συμπλήρωμα στο περιοδικό «Quantum» - συζητήσεις σχετικά με τη σταθερή και ασταθή ισορροπία (A. Leonovich);
http://mehanika.3dn.ru/load/24-1-0-3278 – Targ S.M. Ένα σύντομο μάθημα στη θεωρητική μηχανική, Εκδοτικός Οίκος, Ανώτατο Σχολείο, 1986 – σσ. 11–15, §2 – αρχικές διατάξεις στατικής.
