1.5.2. Движение молекул

Всего удивительнее не хаотичность(беспорядочность) движения, а егонепрерывность. Хаотических движений очень много. Движение людей в толпе, движение автомобилей, наблюдаемое с высоты, когда видно сразу много улиц — вот типичные примеры хаотического движения, но движение любого, любого объектаобязательно прекращается. Бегает, бегает и... перестает.Движение отдельной молекулы не прекращается и не прерывается никогда!

1.5.3. Взаимодействие молекул

Факты о взаимодействии молекул уже приводились в самом начале этой главы. Они входят в основные положения молекулярно-кинетической теории. Хорошо известно: частицы притягиваются друг к другу на больших расстояниях и отталкиваются при непосредственном сближении. В курсе химии это взаимодействие называют взаимодействием силами Ван-дер-Ваальса. Известен дажеэмпирический(опытный, из опыта)потенциал Леннард–Джонса—потенциальная энергия взаимодействия молекул почти всегда (часто!) может быть записана как (рис. 1.10)

(1.26)

Величина r—расстояние между молекулами. Считается, что одна из молекул находится в начале координат. ВеличиныAиB называютсяэмпирическими постоянными. Они характеризуют сами молекулы.

Может быть построен и график сил взаимодействия (рис. 1.11).

Рис. 1.10.Потенциал Леннард–Джонса. Видна потенциальная яма. Дно ямы соответствует расстоянию между молекулами, равномуr₀, и энергииε. Пунктиром изображена потенциальная энергия взаимодействия сил упругости (см. п. 2.3). Выражение для этой потенциальной энергии приведено в формуле (1.26). Расстояниеr₀соответствует положению равновесия

Рис. 1.11.Потенциальная энергия и сила взаимодействия двух атомов или молекул. Молекулы в основном живут в «яме» приr=r₀. Около дна ямы энергия взаимдействия равнаε

Убедиться в существовании мощных сил отталкивания (первое, положительное, слагаемое A/r¹²в формуле (1.26) представлено нарис. 1.11, сверху) очень просто — попробуйте проткнуть пальцем стол. Больно будет. Труднее убедиться в существовании слабых сил притяжения (второе, отрицательное, слагаемоеB/r¹в формуле (1.26), также представлено нарис. 1.11, сверху), хотя чтобы что-нибудь растянуть, силы нужны. Оказалось, что силы притяжения имеют электрический характер и сводятся к индуцированию (наведению, возбуждению) молекулами друг на друга поляризации — созданию друг на друге разделенных «плюсов» и «минусов». Подробнее об этом можно будет узнать изгл. 8.

Главное, однако, состоит в том, что на некоторых промежуточных расстояниях из-за совместного действия (сложения!) сил притяжения и отталкивания потенцильная энергия взаимодействия имеет минимум, как говорят «образуется потенциальная яма» (см. рис. 1.10и1.11посередине). Отсюда следует, что основная часть молекул будет находиться на расстояниях друг от друга порядка r₀. Это проявление всеобщего закона природы, который указывает, чтовсе тела самопроизвольно(!)стремятся находиться в состояниях с наименьшей потенциальной энергией. Если вдуматься, то этот закон очевиден. Как шутят: «Лучше сидеть, чем стоять, и лучше лежать, чем сидеть!», а ведь это связано с тем, что при таких действиях понижается потенциальная энергия телаmgh. Настоящее обоснование этого закона выходит далеко за рамки данного курса.

Около дна ямы (около минимума) потенциал Леннард–Джонса совпадает, как говорят «аппроксимируется», с потенциальной энергией сил упругости. Из этого следует, что можно представлять себе молекулы связанными некоторыми «пружинками». Эти пружинки имеют в равновесии длину r₀, соответствующую положению дна ямы. Силы вблизи дна ямы также, очевидно, аппроксимируются силами упругости в соответствии с законом Гука. Это видно на нижней частирис. 1.11 (полезно вспомнитьрис. 2.2).