Kvant. Взаимодействие молекул

А так ли хорошо знакомо вам взаимодействие молекул? // Квант. — 1992. — № 12. — С. 40–41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотою.
М. В. Ломоносов

...молекулы проявляют силы взаимодействия,
лишь находясь в непосредственной близости друг от друга.
Р. Клаузиус

...теплота является... некоторым состоянием
притяжения и отталкивания весомых частиц...
Дж. Джоуль

...каждая молекула идет своим собственным путем,
несмотря на непрерывное взаимное влияние,
...каждая молекула существует некоторым образом
как самостоятельно действующий индивидуум.
Л. Больцман

С высоты сегодняшнего уровня знаний многое в приведенных цитатах может показаться очевидным и даже наивным — неужели такие ясные вещи занимали умы выдающихся ученых? Увы, представления о молекулярном строении вещества еще в середине прошлого века разделялись отнюдь не всеми физиками, а молекулярно-кинетическая теория считалась бесперспективной. Приходилось с трудом пробивать дорогу новым воззрениям, порой возвращаясь к уже порядком забытым открытиям, создавать одну за другой теоретические модели, искать опытное их подтверждение.

Однако было бы опрометчиво полагать, что этот путь завершен и современная теория строения вещества классически совершенна. Да, на какое-то время в первой половине нашего столетия молекулярные изыскания оказались как бы на втором плане, но впоследствии практика вновь и вновь заставляла обращаться к ним, порождая новые вопросы и открывая неожиданные области исследований.

Мы же сегодня обсудим лишь несколько вопросов, в понимании которых так необходимы знания о взаимодействиях молекул,— в каких состояниях находятся вещества, как переходят из одного в другое, насколько и почему прочны тела, как ведут себя границы раздела сред и т. д. и т. п.

Вопросы и задачи

1. Известно, что кусок стекла можно разломить, прикладывая гораздо меньшее усилие, чем это необходимо для разрыва межмолекулярных связей. Как же удается «оторвать» молекулу от молекулы?
2. Почему проявление сил сцепления между двумя кусками металла демонстрируют со свинцом, а не со сталью?
3. Между выступами цинковой пластинки А вставлен железный стержень В такой длины, что он держится между выступами при очень малом трении. Что произойдет, если всю конструкцию опустить в горячую воду?

   

4. В колбу с узким горлышком налили керосин, уровень его в горлышке отметили резиновым колечком, а затем колбу опустили в горячую воду. Оказалось, что в первый момент уровень керосина опустился, а потом начал повышаться. Как это объяснить?
5. Поверхностный слой жидкости часто уподобляют растянутой резиновой пленке. В каком отношении эта аналогия не соответствует действительности?
6. Если на молекулу, находящуюся на поверхности жидкости, действует со стороны ее «соседей» направленная вниз сила, то почему эта молекула не движется с ускорением в глубь жидкости?
7. На концах трубки выдувают два мыльных пузыря разных диаметров. Постепенно меньший пузырь начинает сжиматься, а больший расширяться. Почему?

   

8. Можно ли, имея в своем распоряжении тонкие проволочки из различных химически чистых металлов, оценить температуру пламени в его различных местах?
9. Шарообразный стеклянный сосуд, на три четверти заполненный водой, привели в состояние невесомости. Что произойдет с водой? А если вместо воды взять ртуть?
10. Больному прописали принимать определенное количество капель лекарства. Как нужно изменить их число, если капли отсчитываются в жарко натопленном помещении?
11. Можно ли налить воду из стакана в узкогорлый флакон с помощью тонкой проволоки?
12. Из нескольких сортов фильтровальной бумаги нужно выбрать тот, в котором поры меньше. Как это сделать, не используя никаких приборов?
13. Почему при сушке дров на солнце на конце полена, обращенном в тень, выступают капельки воды?
14. Каким образом сок поднимается по стволам деревьев, особенно высоких?

Микроопыт

Налейте в хорошо вымытую тарелку чистую воду и набросайте на ее поверхность несколько спичек без головок. Коснитесь воды в промежутке между спичками кусочком сахара, а через некоторое время — кусочком мыла. Что произойдет? Почему?

Любопытно, что…

...физику процесса полировки пытался прояснить еще И. Ньютон, однако лишь недавние исследования пролили на него свет. Оказывается, при сильном нажиме удаляются целые кусочки материала с полируемой поверхности, при слабом — лишь отдельные молекулы.

...выведенное в 1873 году Ван-дер-Ваальсом уравнение состояния реального газа применимо и к не очень плотной жидкости, например к воде. Это подтверждал и заголовок статьи Ван-дер-Ваальса — «О непрерывности состояния жидкости и газа».

...водомерка, опираясь на воду кончиками лапок, не смачиваемых водой, способна не только скользить по воде, но и делать громадные прыжки, не прорывая поверхностного слоя.

...длинный цилиндрический слой жидкости неустойчив. Об этом словно известно пауку, формирующему нить паутины: липкая жидкость образует цилиндрическую оболочку вокруг сердцевины нити и вскоре распадается на крошечные шарики, к которым и прилипают насекомые.

...молекулярные силы быстро изменяются с расстоянием. Притяжение молекул при увеличении расстояния между ними в 2 раза ослабевает в 128 раз!

...«растащить» молекулы кислорода по затратам энергии раз в 50 легче, чем «разорвать» саму молекулу.

...представления, разработанные в одной области физики, часто удачно «кочуют» в другие. Так, рассматривая ядро урана как жидкую заряженную каплю. Я. И. Френкель показал в 1939 году, что она должна обнаружить колоссальное поверхностное натяжение. Такая, капельная, модель ядра позволила объяснить, например, как происходит деление ядер урана.

...абсолютно чистые и гладкие поверхности при соприкосновении могут сами собой слипнуться. Когда только начались полеты космических кораблей с экипажами на борту, существовала реальная опасность, что металлическая подошва ботинка космонавта может самопроизвольно «приклеиться» к металлической обшивке корабля.

Что читать в «Кванте» о взаимодействии молекул

1. «Силы молекулярного взаимодействия» — 1987, № 1, с. 31;
2. «Ван-дер-Ваальс и его уравнение» — 1987, № 7, с. 34;
3. «Поверхностное натяжение и капиллярные явления» — 1988, № 4, с. 56;
4. «История росинки» — 1988, № 7, с. 25;
5. «Коротко о тепловом расширении» — 1988, № 8, с. 44;
6. «Реальный газ и его уравнение состояния» — 1988, № 11—12, с 52;
7. «Сколько бывает состояний у вещества?» — 1989, № 1, с. 47;
8. «Пузыри в луже» — 1989, № 6, с. 22;
9. «За какое время сливаются капли?» — 1990, № 11, с. 42;
10. «Пока вода испаряется...» — 1991, № 11, с. 31.

Ответы

1. Напряжения, которые сами по себе недостаточны, чтобы нарушить целостность материала, могут, например, способствовать продвижению имеющейся в стекле трещины в глубь (или вдоль) поверхности материала. В результате в трещину могут проникнуть инородные молекулы, которые и нарушат связи между молекулами стекла.
2. Свинец мягче стали, поэтому поверхности двух его кусков легче сблизить до расстояния, на котором проявляются силы молекулярного сцепления.
3. Стержень выскочит, так как температурный коэффициент линейного расширения у железа меньше, чем у цинка.
4. Температурный коэффициент объемного расширения у керосина много больше, чем у стекла, однако в первый момент после опускания в горячую воду керосин еще не успевает прогреться.
5. При растяжении упругой резиновой пленки сила натяжения зависит от степени деформации пленки. Сила же поверхностного натяжения жидкости определяется только свойствами самой жидкости и не меняется с увеличением ее поверхности.
6. Молекулярные силы притяжения действительно тянут находящиеся на поверхности молекулы в глубь жидкости, но эти силы уравновешиваются силами отталкивания со стороны молекул, находящихся непосредственно под поверхностным слоем.
7. Чем меньше радиус шара, тем сильнее поверхностная пленка сжимает воздух внутри него.
8. Проволочки из разных металлов необходимо поочередно помещать в нужное место пламени и следить за появлением шарика на конце одной из них. Зная температуру плавления металла, из которого сделана проволочка, можно оценить температуру участка пламени.
9. Вода растечется по всей внутренней поверхности колбы, а в центре колбы образуется пузырек воздуха. Ртуть же образует в центре большую сферическую каплю.
10. Коэффициент поверхностного натяжения убывает при повышении температуры вещества. Поэтому масса капли, отрывающейся в жарко натопленной комнате, меньше, чем в прохладной; значит, нужно увеличить число капель.
11. Один конец проволоки нужно опустить во флакон, а другой конец приложить к краю стакана. Вода стечет по проволоке во флакон, так как ее «удержит» поверхностная пленка.
12. Вырезав из всех сортов бумаги узкие полоски, следует погрузить их концы в воду. В той полоске, где поры меньше, вода поднимется на большую высоту.
13. Часть полена в тени холоднее. Поэтому капиллярные силы перемещают воду в этом направлении.
14. По мере того как молекулы воды испаряются с поверхности листьев, на их место приходят другие молекулы. Так мощные межмолекулярные силы поднимают по тонким капиллярам сок по стволу от корней вверх.

Микроопыт

Раствор сахара в воде имеет больший коэффициент поверхностного натяжения, чем чистая вода. Поэтому поверхность, занимаемая раствором сахара, стремится сократиться, увлекая за собой спички по направлению к кусочку сахара. При растворении мыла натяжение воды уменьшается, поверхность, занятая мыльным раствором, увеличивается, и спички уходят вслед за границей с чистой водой к краям тарелки.