какое притяжение между молекулами жидкости

Известно, что все физические тела состоят из огромного количества молекул. Расстояния между ними сравнимы с их размерами. Почему предметы не распадаются в пыль? Ощутить силу притяжения между двумя частицами невозможно из-за того, что она очень маленькая.

Однако в том случае, когда одновременно действует взаимное притяжение и отталкивание молекул, в которое вовлечено большое их количество, это легко заметить. С такими явлениями человек часто встречается в своей жизни.

Взаимное притяжение молекул

Твёрдые предметы способны сохранять свою цельность. Это происходит благодаря наличию притяжения между мельчайшими частицами вещества — молекулами.

В жидкостях эта связь гораздо слабее, поэтому они способны течь. Это связано с тем, что здесь расстояния между частицами увеличиваются. У газов они ещё больше. Здесь силы притяжения из-за больших расстояний фактически не действуют, позволяя веществу расширяться и заполнять весь доступный объём.

В наличии описанных сил легко убедиться, наблюдая физические явления реальной жизни.

Баланс различных сил, действующих между частицами, имеет важное значение в кристаллах.

Здесь их результатом является образование кристаллической решётки, которая имеет повторяющуюся структуру. При этом молекулы и атомы находятся в строго определённых местах.

Если разделить кусок свинца на две части и отполировать получившийся разрез до блеска, то можно наблюдать необычный эффект. Если обе части прислонить друг к другу, то они прилипнут без всяких видимых причин.

Если поднять одну часть, то другая поднимется вместе с ней. Такое соединение легко выдерживает вес до пяти килограммов. Физика объясняет, что в этом опыте демонстрируется притяжение, существующее между частицами.

Когда человек пытается разломать предмет, то он стремится преодолеть силы, которые притягивают частицы друг к другу. При этом видно, что одни предметы подвергаются воздействию легко, а строение других демонстрируют высокую прочность. Разница между ними состоит в том, что у них различная сила притяжения.

Взаимное отталкивание молекул

Связь между частицами ощущается только на очень маленьком расстоянии. Как только оно начинает значительно превосходить собственные размеры молекул, то сила притяжения резко уменьшается.

В связи с этим возникает вопрос о том, от чего возникает расстояние между ними. Если бы действовало только притяжение, то частицы находились бы вплотную друг к другу, не оставляя промежутков.

Дело в том, что существует также отталкивание. Молекулы устанавливаются на таком расстоянии, когда обе этих силы, направленные противоположно, уравновешиваются.

Можно провести опыт в классе и убедится в действии, которое производит отталкивание. Можно привести такой пример. Если смять резиновую игрушку и отпустить, то она начнёт расправляться до тех пор, пока не примет прежнее положение.

Если части сломанного предмета прислонить друг к другу, то притяжение не возникнет из-за того, что молекулы нельзя подвести на достаточно близкое расстояние, когда такая сила начинает действовать. Эту проблему обычно преодолевают двумя способами:

располагают между частями другие молекулы (например, клей);

может происходить диффузия, когда молекулы одного вещества проникают в другое;

нагревают их, увеличивая подвижность.

Притяжение может быть не только между предметами, состоящими из одного и того же вещества, но и между разными объектами и веществами. Например, если плоский кусок стекла разместить на поверхности воды, а потом поднять его. В этой ситуации заметно, что для этого придётся приложить определённую силу.

Жидкости и твердые тела

Одной из эффектных демонстраций взаимодействия частиц являются капиллярные явления. Жидкость внутри узкой трубочки естественным образом поднимается вверх, преодолевая силу тяжести без дополнительных усилий.

Это явление широко используется в технике и живой природе. Так, в человеческом теле имеется большая сеть капиллярных кровеносных сосудов, работа которой зависит от взаимодействия крови и стенок сосудов.

Нередко бывает так, что опущенное в жидкость тело после поднятия остаётся смоченным. Этот результат говорит о том, что притяжение молекул воды и тела сильнее по сравнению с тем, которое имеется у жидкости.

Иногда, выполняя такой опыт, получают другой результат. Например, парафиновая пластинка, вынутая из воды, останется сухой. В этой ситуации частицы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к пластине.

Явление смачивания или его отсутствия часто используется. Например, водоплавающие птицы, постоянно находясь в воде, тем не менее не смачиваются.

Основные выводы

Силы притяжения и отталкивания, действующие между молекулами, позволяют телам сохранять целостность, удерживая между ними определённые промежутки. Они в разных веществах могут проявляться различным образом.

В жидкостях и газах силы сцепления молекул друг с другом намного слабее, чем в твёрдых телах, а в кристаллах они создают жёсткую решётку высокой прочности.

Источник

Аллотропия. Взаимодействие между молекулами

Содержание

Мы уже знаем, что молекула и атомы – наименьшие частицы, составляющие то или иного вещества. Однако, иметь знания о составляющих вещество молекулах недостаточно, чтобы описать его свойства. Например, пар и лед состоят из одинаковых молекул воды, но свойства у них отличаются.

Вспомните конструктор «Лего». Мы высыпаем из коробки просто кучу деталей, которые можно собрать и построить дом или автомобиль, в зависимости от того, каким образом одни и те же детали будут нами соединены.

Аналогично обстоит дело и с веществом. Чтобы его описать, необходимо не только знать атомный и молекулярный состав, но и способы соединения частиц, а также их взаимодействия.

Свойство разных простых веществ состоять из одинаковых частиц называется аллотропией, а сами вещества – аллотропными модификациями.

Самым большим количеством аллотропных модификаций обладает углерод (рисунок 14). Его атом получил свое название от вещества, состоящего из атомов угля.

Из таких же самых атомов состоят сажа, графит и алмаз. Просто атомы в них по-другому расположены и по-другому взаимодействуют. Поэтому, их свойства сильно отличаются: из твердого алмаза делают режущие инструменты, а из мягкого графита – стержни для карандашей.

Рисунок 15. Аллотропные модификации углерода.

Взаимное притяжение молекул

Если же все молекулы находятся в беспрерывном движении, почему твердые и жидкие тела не распадаются? Значит, молекулы как-то взаимодействуют между собой, взаимно притягиваются друг к другу.

Но, если вы сломаете карандаш, он же не склеится обратно? Из этого можно сделать просто вывод, что притяжение между молекулами действует только на очень коротком расстоянии. Притяжение между молекулами разных тел неодинаково, что объясняется различной прочностью.

Рассмотрим следующий опыт: если у двух цилиндров идеально ровно срезать поверхности и прижать их друг к другу, вам удастся разорвать их только при большой нагрузке (рисунок 16).

Рисунок 16 Сцепление двух свинцовых цилиндров.

Заметим, что притяжение между молекулами становится заметным, когда расстояние между ними не превышает размеров самих молекул.

Если мы попытаемся таким же образом соединить осколки стекла, то из-за неровностей у нас ничего не выйдет – расстояние между молекулами окажется слишком велико.

Но если нагреть куски стекла, то стекло станет возможно починить. На том же принципе происходит соединение кусков металла при сварке или пайке.

Но почему тогда между молекулами существуют промежутки? По логике вещей, они должны намертво слипнуться. Но этого не происходит, поскольку между молекулами (атомами) в то же время существуют силы отталкивания.

На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении – отталкивание (рисунок 17).

Рассмотрим примеры, подтверждающие существование отталкивания между молекулами. Если вы несильно скомкаете лист бумаги, постепенно он начнет расправляться, так как при сжатии молекулы оказались настолько близко друг к другу, что начало проявляться отталкивание. Другие явление связаны со смачиванием твердого тела жидкостью. Взгляните на рисунок 18.

Рисунок 18. Иллюстрация опыта, доказывающего притяжения между молекулами вещества и демонстрирующего эффект смачивания.

На пружине с помощью нитей закреплена стеклянная пластина, ее подносят к емкости с водой так, чтобы она легла на поверхность жидкости.

Когда мы пытаемся оторвать платину от поверхности воды, пружина заметно растягивается. Это доказывает существование притяжения между молекулами.

К тому же, мы можем заметить, что стеклянная пластина теперь покрыта тонким слоем воды – это значит, что разрыв произошел там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом, а не с поверхностью стекла.

Благодаря эффекту смачивания мы можем вытирать мокрые предметы, но с другой стороны, вода может и не смачивать тела (парафин/воск/жир) – это означает, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к молекулам твердого тела.

Источник

Поверхностное натяжение

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле, именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.

Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости — ее растяжения — нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой, естественно, является сфера — вот почему дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму (я говорю «почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха). По этой же причине капли воды на кузове покрытого свежим воском автомобиля собираются в бусинки.

Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение, и сил притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью. В жидкой воде, например, силы поверхностного натяжения обусловлены водородными связями между молекулами (см. Химические связи). Поверхность стекла водой смачивается, поскольку в стекле содержится достаточно много атомов кислорода, и вода легко образует гидрогенные связи не только с другими молекулами воды, но и с атомами кислорода. Если же смазать поверхность стекла жиром, водородные связи с поверхностью образовываться не будут, и вода соберется в капельки под воздействием внутренних водородных связей, обусловливающих поверхностное натяжение.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты, — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания (см. Подобное растворяется в подобном).

Источник

Содержание:

Поверхностное натяжение жидкости:

В отличие от газов жидкости имеют свободную поверхность. Молекулы, расположенные на поверхности жидкости, и молекулы внутри жидкости находятся в разных условиях:

a) молекулы внутри жидкости окружены другими молекулами жидкости со всех сторон. Молекула 1 внутри жидкости испытывает действие соседних молекул со всех сторон, поэтому равнодействующая сил притяжения, действующих на нее, равна нулю (f; молекула 1);

b) молекулы на поверхности жидкости испытывают действие со стороны соседних молекул жидкости только сбоку и снизу. Притяжение со стороны молекул газа (пара жидкости или воздуха) над жидкостью во много раз слабее, чем со стороны молекул жидкости, поэтому не принимаются во внимание (f; молекула 2). В результате каждая из равнодействующих сил

Сила поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения

Значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от вида жидкости и ее температуры, то есть с увеличением температуры жидкости коэффициент его поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре равен нулю. Единица коэффициента поверхностного натяжения в СИ:

Смачивающая и несмачивающая жидкость. При внимательном рассмотрении можно увидеть искривление поверхности жидкости на границе между жидкостью и твердым телом.

Значение краевого угла (тетта) зависит от того, является ли жидкость смачивающей или несмачивающей твердое тело:

Несмачивающая жидкость — это жидкость, у которой краевой угол тупой. Сила взаимного притяжения между молекулами несмачивающей жидкости и твердого тела меньше, чем сила взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. В результате свободная поверхность жидкости в сосуде бывает выпуклой, например, ртуть в стеклянном сосуде — несмачивающая жидкость (i).

Капиллярные явления

Капиллярными явлениями называют явления подъема смачивающей и опускания несмачивающей жидкости по капилляру относительно общего уровня жидкости под действием сил поверхностного натяжения (j).

В таблице 6.4 дана зависимость между величинами, характеризующими жидкость, поднимающуюся в капилляре.

Характеристики жидкости, поднимающейся в капилляре

Где — радиус капилляра, — диаметр капилляра.

Масса жидкости, поднимающейся в капилляреВысота жидкости, поднимающейся в капилляре

Если жидкость полностью смачиваемая, то получаем в

Где — плотность жидкости, поднимающейся в капилляре. Высота подъема жидкости в капилляре зависит от рода жидкости и обратно пропорциональна радиусу капилляра.

Давление жидкости, поднимающейся в капилляре

Поверхностное натяжение жидкости

Некоторые виды пауков могут передвигаться по поверхности воды не проваливаясь, как будто эта поверхность покрыта невидимой тонкой пленкой. такое же впечатление создается, если наблюдать за вытеканием воды из маленького отверстия — вода течет не тоненькой струйкой, а образует капли. Бумажная салфетка впитывает воду, едва коснувшись ее поверхности. какая сила является причиной всех этих явлений?

Каковы особенности поверхностного слоя жидкости

На свободной поверхности жидкости молекулы находятся в особых условиях, отличающихся от условий, в которых находятся молекулы внутри жидкости. Рассмотрим две молекулы — А и Б (рис. 33.1): молекула А находится внутри жидкости, а молекула Б — на ее поверхности. Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, то есть их равнодействующая равна нулю.

Поверхностное натяжение жидкости — физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости:

Единица поверхностного натяжения в СИ — ньютон на метр:

Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит:

Поверхностное натяжение σ некоторых жидкостей

Что такое сила поверхностного натяжения

Поскольку поверхностный слой жидкости обладает избыточной потенциальной энергией (), а любая система стремится к минимуму потенциальной энергии, то свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь (сжаться). То есть вдоль поверхности жидкости действуют силы, которые пытаются стянуть эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на натянутую резиновую пленку, однако упругие силы в резиновой пленке зависят от площади ее поверхности (от того, насколько пленка деформирована), а поверхность жидкости всегда «натянута» одинаково, то есть силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения можно доказать с помощью такого опыта. Если проволочный каркас с закрепленной на нем нитью опустить в мыльный раствор, каркас затянется мыльной пленкой, а нить приобретет произвольную форму (рис. 33.2, а).

Если осторожно проткнуть иглой мыльную пленку по одну сторону от нити, сила поверхностного натяжения мыльного раствора, действующая с другой стороны, натянет нить (рис. 33.2, б). Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна. На рамке образуется мыльная пленка (рис. 33.3). Будем растягивать эту пленку, действуя на перекладину (подвижную сторону рамки) с некоторой силой .

Таким образом, поверхностное натяжение σ численно равно силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины l линии, ограничивающей поверхность:

С одним из методов определения поверхностного натяжения жидкости вы ознакомитесь, выполняя лабораторную работу № 7.

Где проявляется поверхностное натяжение

В жизни вы постоянно сталкиваетесь с проявлениями сил поверхностного натяжения. Так, благодаря ему на поверхности воды удерживаются легкие предметы (рис. 33.4) и некоторые насекомые.

Рис. 33.4. Монетка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения. (Чтобы провести такой опыт, монетку нужно потереть между пальцев и осторожно опустить на поверхность воды.)

Когда вы ныряете, ваши волосы расходятся во все стороны, но как только вы окажетесь над водой, волосы слипнутся, так как в этом случае площадь свободной поверхности воды намного меньше, чем при раздельном расположении прядей в воде. По этой же причине можно лепить фигуры из влажного песка: вода, обволакивая песчинки, прижимает их друг к другу.

Рис. 33.5. Капля удерживается около небольшого отверстия до тех пор, пока сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести

Стремлением жидкости уменьшить площадь поверхности объясняется и тот факт, что в условиях невесомости вода принимает форму шара, — при заданном объеме шарообразной форме соответствует наименьшая площадь поверхности. Форму шара приобретают тонкие мыльные пленки (мыльные пузыри). Поверхностным натяжением объясняется образование пены: пузырек газа, достигнув поверхности жидкости, имеет над собой тонкий слой жидкости; если пузырек мал, то архимедовой силы недостаточно, чтобы разорвать двойной поверхностный слой, и пузырек «застревает» вблизи поверхности. Благодаря поверхностному натяжению жидкость не выливается из маленького отверстия тоненькой струйкой, а капает (рис. 33.5), дождь не проливается через ткань зонта или палатки и т. д.

Почему одни жидкости собираются в капли, а другие растекаются

Наличие сил поверхностного натяжения проявляется в сферической форме мелких капелек росы, в каплях воды, разбегающихся по раскаленной плите, в капельках ртути на поверхности стекла. Однако при соприкосновении с твердым телом сферическая форма капли, как правило, не сохраняется. Форма свободной поверхности жидкости зависит также от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость не смачивает поверхность твердого тела (рис. 33.6). Например, ртуть не смачивает стекло, а вода не смачивает покрытую сажей поверхность.

Рис. 33.6. Капля несмачивающей жидкости принимает форму, близкую к сферической, а поверхность жидкости вблизи стенки сосуда является выпуклой

Если же капельку ртути поместить на цинковую пластину, то капелька будет стремиться растечься по поверхности пластины; так же ведет себя и капелька воды на стекле (рис. 33.7). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость смачивает поверхность твердого тела.

Рис. 33.7. Капля смачивающей жидкости стремится растечься по поверхности твердого тела, а вблизи стенки сосуда поверхность жидкости принимает вогнутую форму

Почему жидкость поднимается в капиллярах

В природе часто встречаются тела, пронизанные многочисленными мелкими капиллярами (от лат. capillaris — волосяной) — узкими каналами произвольной формы. Такую структуру имеют бумага, дерево, почва, многие ткани и строительные материалы. В цилиндрических капиллярах искривленная поверхность жидкости представляет собой часть сферы, которую называют мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 33.8, а), а у несмачивающей — выпуклый (рис. 33.8, б).

Рис. 33.8. капиллярные явления: а — смачивающая жидкость поднимается по капилляру; б — несмачивающая жидкость опускается в капилляре

Поверхность жидкости стремится к минимуму потенциальной энергии, а искривленная поверхность обладает большей площадью по сравнению с площадью сечения капилляра, поэтому поверхность жидкости стремится выровняться и под ней возникает избыточное (отрицательное или положительное) давление — лапласово давление ().

Под вогнутой поверхностью (жидкость смачивает капилляр) лапласово давление отрицательное и жидкость втягивается в капилляр. Так поднимаются влага и питательные вещества в стеблях растений, керосин по фитилю, влага в почве. Вследствие лапласового давления салфетки или ткань впитывают воду, брюки в дождливую погоду сильно намокают снизу и т. д. Под выпуклой поверхностью (жидкость не смачивает капилляр) лапласово давление положительное и жидкость в капилляре опускается. Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема (или опускания) жидкости (см. задачу ниже).

Пример решения задачи

Решение:

На жидкость в капилляре действуют сила тяжести и сила поверхностного натяжения ( направлена вертикально вверх (по касательной к поверхности мениска). Подъем жидкости в капилляре будет продолжаться до тех пор, пока сила тяжести поднятого столба жидкости не уравновесит силу поверхностного натяжения: mg = ( *), где m — масса жидкости.

Поиск математической модели, решение

где R — радиус кривизны мениска (при полном смачивании r=R).

Ответ: (Данные выводы следует запомнить!)

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник