分子間に働く力。 分子相互作用力

分子力。物質の分子間には、と呼ばれる相互作用力が存在します。 分子力。 分子間に引力が存在しない場合、すべての物質はいかなる条件下でも気体状態のみになります。 分子が互いに近くに保持され、液体や固体の物体を形成できるのは引力のおかげです。

しかし、引力だけでは原子や分子の安定した形成の存在を保証することはできません。 分子間の距離が非常に小さい場合、反発力が働きます。

原子と分子の構造。原子、特に分子は、 複雑なシステム、個々の荷電粒子、つまり電子と 原子核。 一般に分子は電気的に中性ですが、近距離では分子間に大きな電気力が作用します。 電子と隣接する分子の原子核との間で相互作用が起こります。 原子や分子内の粒子の動きや分子間の相互作用の力を記述するのは非常に困難な作業です。 原子物理学で考えられています。 結果のみを示します。つまり、2 つの分子間の相互作用力のそれらの間の距離へのおおよその依存性です。

原子と分子は、反対の電荷符号を持つ荷電粒子で構成されています。 ある分子の電子と別の分子の原子核の間には引力が存在します。 同時に、両方の分子の電子間および原子核間に斥力が働きます。
原子と分子は電気的に中性であるため、分子の力は短距離に作用します。 分子のサイズを数倍超える距離では、分子間の相互作用力は実質的に効果がありません。

分子間の距離に対する分子力の依存性。分子間の相互作用力の、分子の中心を結ぶ直線上への射影が、分子間の距離に応じてどのように変化するかを考えてみましょう。 分子直径が 2 ～ 3 個を超える距離では、反発力は実質的にゼロになります。 引力だけが顕著です。 距離が縮まると引力が大きくなり、同時に反発力も影響し始めます。 この力は次の場合に非常に急速に増加します。 電子殻原子が重なり始めます。 その結果、比較的長い距離では分子は引き付けられ、短い距離では反発します。

図 8 は、分子の中心間の距離に対する反発力の投影 (上の曲線)、引力の投影 (下の曲線)、および結果として生じる力の投影 (中央の曲線) のおおよその依存性を示しています。 斥力の射影は正、引力の射影は負です。 細い垂直線は、力の投影を追加するのに便利なように描かれています。

分子の半径の合計にほぼ等しい距離 r 0 では、引力の大きさが斥力と等しいため、結果として生じる力の射影 F r = 0 になります (図 9、a)。 r > r 0 の場合、引力が反発力を上回り、結果として生じる力 (太い矢印) の射影は負になります (図 9、b)。 r → ∞ の場合、F r → 0。距離 r では< r 0 сила отталкивания превосходит силу притяжения (рис. 9, в).

弾性力の起源。分子間の相互作用力がそれらの間の距離に依存することは、物体の圧縮および伸張時の弾性力の出現を説明します。 r0 未満の距離に分子を近づけようとすると、接近を妨げる力が働き始めます。 逆に、分子が互いに離れると引力が働き、外部からの影響がなくなると分子は元の位置に戻ります。

平衡位置からの分子の混合がほとんどない場合、引力または反発力は変位の増加に伴って直線的に増加します。 小さな領域では、曲線は直線セグメント (図 8 の曲線の太い部分) と見なすことができます。 そのため、小さな変形では、弾性力は変形に比例するというフックの法則が成り立つことがわかります。 分子の変位が大きい場合、フックの法則は無効になります。

物体が変形するとすべての分子間の距離が変化するため、隣接する分子の層は全体の変形のうち重要ではない部分を占めます。 したがって、フックの法則は、分子のサイズの数百万倍の変形で満たされます。

分子間相互作用の力。

物質が 気体の状態で、そしてそれを形成する粒子（分子または原子）は無秩序に動き、同時にほとんどの場合、それらは互いに（それぞれのサイズと比較して）大きな距離に位置します。 結果として それらの間の相互作用力は無視できます.

物質が入っている場合は状況が異なります 凝縮状態– 液体または固体。 ここでは物質の粒子間の距離は小さく、。

これらの力により、液体または固体の粒子が互いに近くに保持されます。 したがって、凝縮状態にある物質は、気体とは異なり、特定の温度では一定の体積を持ちます。 液体または固体の粒子を互いに近づけるすべての力には、電気的性質 。.

ただし、粒子が何であるかによって、金属元素の原子か非金属元素の原子か、イオンか分子かによって異なります。

これらの力は大きく異なります 原子構造を持つ非金属.

物質が原子で構成されているが金属ではない場合、通常、その原子は互いに結合しています。

共有結合 金属その物質が

金属

、その後、その原子の電子の一部がすべての原子に共通になります。 これらの電子は原子間を自由に移動し、原子同士を結合します。 イオン構造を持つ物質物質が持っている場合

イオン構造

、その後、それを形成するイオンは静電引力によって互いに近くに保持されます。 分子構造を持つ物質を含む物質では

分子構造分子間相互作用が起こります。 分子間相互作用の力、とも呼ばれます ファンデルワールス力による、共有結合力よりも弱いですが、長距離にわたって現れます。 彼らは拠点を置いている 双極子の静電相互作用、しかし、

さまざまな物質

双極子の形成メカニズムは異なります。 1. 方向の相互作用。物質が次のもので構成されている場合 極性分子、 例えば、 H2O、HCl、その後、凝縮状態では、分子は互いに対して相対的に配向されます。

逆に帯電した末端 、その結果、彼らの相互の魅力が観察されます。このタイプの分子間相互作用は、

方向性の相互作用

。 分子の熱運動により相互の配向が妨げられるため、温度が上昇すると配向効果が弱まります。 2. 帰納的相互作用。からなる物質の場合 無極性しかし、CO2 などの分極可能な分子は、 誘発された.

または 誘起双極子それらが出現する理由は、通常、各原子がその近くに電場を生成し、その電場が次のような影響を与えるためです。 偏光効果隣接する分子の最も近い原子に。

分子が分極している そして、その結果生じる誘導双極子が、今度は隣接する分子を分極させます。。 この誘導相互作用は極性分子を持つ物質でも観察されますが、通常は配向相互作用よりもはるかに弱いです。

3. 分散相互作用。

分散力（ロンドン力） - 電気的に中性の原子または分子の瞬間的および誘導（誘導）双極子の静電引力の力。

原子や分子では、電子が原子核の周りを複雑に動きます。 で 長期にわたる平均非極性分子の双極子モーメントは次のようになります。 ゼロに等しい。 しかし、電子はあらゆる瞬間に何らかの位置を占めます。 それが理由です瞬時値 双極子モーメント (たとえば、水素原子の双極子モーメント) はゼロとは異なります。.

瞬間的な双極子は、隣接する分子を分極させる電場を生成します。 結果として

瞬間的な双極子の相互作用が起こる 分散エネルギーには古典的な類似物はなく、電子密度の量子力学的ゆらぎによって決定されると考えられています。, 示されているように量子力学 瞬間双極子に起こる 固体ああ、液体も 同意して.

そして、隣接する分子の端は反対の符号の電気で帯電していることがわかります。 彼らの魅力に繋がるこの現象はと呼ばれます

分散相互作用

、あらゆる物質中に凝縮した状態で存在します。

特に、低温では希ガスが液体状態に遷移します。.

分子力の比。考慮される種類の分子間力の相対的な大きさは、物質の分子の極性と分極率に依存します。 分子の極性が大きいほど、配向力も大きくなります.

原子が大きいほど 原子の外側の電子の結合が弱ければ強いほど、電子雲はより変形します。分散力が大きいほど

したがって、一連の同様の物質では、

• 分散相互作用は原子サイズの増加とともに増加します 、これらの物質のサイズを構成します。例えば： 81% 万一に備えて
  塩酸
• 分散力が考慮される 合計分子間相互作用、 95% ,
• 分散力が考慮される のために - 99,5% .



HBr.

この値は

こんにちは 誘導力はほとんどの場合小さいです物質の分子間には、引力と斥力が同時に働きます。 これらの力は分子間の距離に大きく依存します。 実験によると、理論研究

分子間相互作用力は反比例する

n 実験によると、- 分子間の距離の程度: 実験によると、\(~F_r \sim \pm \frac(1)(r^n),\)

2 つの分子の相互作用は、結果の投影のグラフを使用して説明できます。 F r 遠くから見た分子の引力と反発力 r彼らの中心の間。 軸を向けてみましょう r分子から 1 、その中心が座標原点と一致し、そこから離れた距離まで r 1 から分子の中心まで 2 (図1、a)。

次に、分子の反発力の射影 2 分子から 1 軸ごと rポジティブになります。 分子の引力の投影 2 分子に 1 マイナスになります。

短距離では、反発力 (図 3、b) は引力よりもはるかに大きくなります ( r < r 0) ですが、増加すると減少が大幅に速くなります。 r。 引力も増加すると急速に減少します。 rなので、少し離れたところから始めてください うーん、分子間の相互作用は無視できます。 最長距離 うーん、分子がまだ相互作用しているものはと呼ばれます 分子の作用半径 (うーん～1.57・10 -9 メートル）。

で r = r 0 の斥力は引力と大きさが同じです。

距離 r 0 は、分子の安定した平衡相対位置に対応します。

いろいろと 集合状態物質の分子間の距離は異なります。 したがって、分子間の力の相互作用には違いがあり、気体、液体、固体の分子の運動の性質には大きな違いがあります。

で ガス分子間の距離は、分子自体の寸法よりも数倍大きくなります。 その結果、気体分子間の相互作用力は小さくなり、 運動エネルギー分子の熱運動は、相互作用の位置エネルギーをはるかに超えます。 各分子は他の分子から膨大な速度 (秒速数百メートル) で自由に移動し、他の分子と衝突すると方向と速度が変わります。 自由行程の長さ λ 気体分子は気体の圧力と温度に依存します。 で 通常の状態 λ 〜10 -7 メートル。

で 液体分子間の距離は気体よりもはるかに小さいです。 分子間の相互作用の力は大きく、分子の動きの運動エネルギーは相互作用の位置エネルギーに比例します。その結果、液体分子は特定の平衡位置の周りで振動し、その後、新しい平衡位置に突然ジャンプします。非常に短い時間間隔 (10 ～ 8 秒) の後に液体が流動します。 したがって、液体中では、分子は主に振動運動と並進運動を行います。 で 固体分子間の相互作用の力が非常に大きいため、分子の運動の運動エネルギーははるかに小さくなります。 位置エネルギー彼らのやりとり。 分子は、ある一定の平衡位置、つまり結晶格子の節の周りで小さな振幅の振動のみを行います。

文学

アクセノビッチ LA 物理学 高校： 理論。 課題。 テスト：教科書。 一般教育を提供する機関に対する手当。 環境、教育 / L. A. アクセノビッチ、N. N. ラキナ、K. S. ファリノ。 エド。 K.S.ファリノ。 - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne、2004 年。

上部の 2 つのシリンダーを接続しているチューブの蛇口を開くと、一方のシリンダーにはガスが充填され、もう一方のシリンダーにはガスが入っていません。すると、最初のシリンダーからのガスの一部がすぐに 2 番目のシリンダーに流れ込みます。 気体状態の物質は、常にその物質に与えられる体積を完全に占めます。 最初のシリンダーが充填されている (空の) 場合、シリンダーは発生しません。 わずかな蒸発を無視すると、液体と固体の両方がその場所に残ります。

気体と液体の挙動のこの違いは何が説明されるのでしょうか? 物質が液体状態にあるとき、物質の分子間に力が働き、物質の分子があらゆる方向に飛び散るのを防ぎます。 これらの力を分子力または凝集力と呼びます。 雨滴が電線や葉に垂れ下がり、しばらく落ちない場合、付着力の発現は非常にはっきりと見えます(図372)。 この場合、付着力は分子があらゆる方向に散乱するのを防ぐだけでなく、液滴に作用する重力のバランスも保ちます。

米。 372. 垂れ下がった水滴は、付着力によって落ちるのを防ぎます。 落ちる滴が重すぎる

固体では、明らかに凝集力も働き、分子を互いに近くに保持します。

なぜ凝集力はガスや蒸気には現れないのでしょうか? 一般に、気体や蒸気では、液体や固体の分子よりもはるかに長い距離で分子が互いに分離されていることがわかっています。 凝集力は距離とともに急速に減少するため、分子間の距離が短い場合にのみ顕著に作用すると考えるのが自然です。 これは、それらがガス中ではほとんど現れないことを説明しています。

この仮定は、次の観察によって裏付けられます。 ガラスの各部分はしっかりと噛み合っており、それを引き離す、つまりガラスを破壊するにはかなりの力が必要です。 しかし、「ガラスが割れるとすぐに、割れた部分が互いに接触し合うことはなくなります。 実際のところ、割れたガラスの一部を貼り合わせても、ほんのわずかな数の分子しか集まりません。 残りの分子は、小さいとはいえ、分子間の相互作用が無視できるほど十分な距離を保ったままになります。 しかし、加熱されて軟化したガラス片は接触するとくっつきます。 この場合はかなり近い距離まで接近します 多数の分子と相互作用力が大きいことが判明します。

柔らかい材料の場合、十分な力を加えることで、完全に平坦でない表面でも多数の分子を接触させることができます。 これは、例えば鉛を使用して行うことができます。 新たに切断した 2 本の鉛バーを互いに押し付けると、それらは互いにくっつき、大きなおもりの重量を支えることができます (図 373)。

米。 373. 鉛の棒は非常にしっかりとくっついているので、大きな重りの重さに耐えることができます

私たちは、液体と固体の分子は互いに引き付け合うという結論に達しました。 しかし、これは液体と気体のすべての性質を説明するものではありません。 実際、液体と固体は気体よりも圧縮するのがはるかに困難です。 体積をたとえば 1% 減らすには、液体 (および固体) に気体とは比較にならないほど大きな圧力をかける必要があります。

液体 (および固体) が圧縮されると、この圧縮を妨げる巨大な圧力が発生することをどのように説明できますか? この事実を説明するには、液体または固体の分子間の距離が減少すると、次のように仮定する必要があります。 大いなる力反発。 図では、 図 374 は、分子間の距離に対する相互作用力のおおよその依存性を示しています。 正の力は分子の反発力に対応し、負の力は分子同士の引力に対応します。 この距離は、体の安定した平衡状態 (ストレスのない状態) に対応します。 この状態で。 この値から逸脱すると、平衡状態に戻ろうとする力が生じます。 図から、 の値から大きな値に移行すると、分子間に引力が発生し、最初は の値まで急激に大きくなり、その後 の値に徐々に減少することがわかります。 値から小さい値に移行すると、反発力が発生し、 のように急速に増加します。

米。 374. 分子間の相互作用力の分子間の距離への依存性

熱運動により、分子は平衡位置付近で小さな振動を起こし、その間に引力が斥力に、あるいはその逆に置き換えられます。 液体を圧縮するには (たとえば、シリンダー内の水をピストンで圧縮するには)、分子間の平均距離を小さくする必要があります。 この場合、分子間の斥力がますます増大し、これにより容器の壁にかかる液体の圧力が増加します。 液体では、体積のわずかな減少が圧力の非常に大きな増加に関連していることがわかりました。 これらの考慮事項は固体にも適用できます。

に位置する気体の分子間の平均距離 通常の状態（室温、 大気圧) 平衡距離は数十に達し、その結果、ガス分子間の引力は非常に小さくなります。 したがって、気体分子は分子運動によってあらゆる方向に飛び散ります。 ただし、これらの議論は高度に圧縮されたガスには当てはまりません。圧縮ガスでは分子の相互作用が顕著な影響を及ぼします。