§ 13. Различие в молекулярном строении твёрдых тел, жидкостей и газов

микроскопическая структура вещества в газообразном состоянии, характеризующаяся огромными расстояниями между частицами, превышающими размеры самих молекул в десятки и сотни раз.

• 1. Слабость взаимодействия — вследствие колоссальных межмолекулярных промежутков силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы и не способны удерживать их вместе.
• 2. Хаос и высокие скорости — частицы газа непрерывно и беспорядочно движутся во всех направлениях с высокими скоростями (сотни метров в секунду при комнатной температуре), сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда.
• 3. Отсутствие формы и объёма — газ мгновенно расширяется во всех направлениях и занимает весь предоставленный ему объём сосуда любой формы.

микроскопическая структура вещества в жидком состоянии, в которой молекулы расположены вплотную друг к другу с зазорами, соизмеримыми с размерами самих молекул.

• 1. Сильное взаимодействие — тесное сближение частиц обусловливает значительные силы взаимного притяжения, удерживающие молекулы в пределах постоянного общего объёма.
• 2. Малая сжимаемость — при попытке уменьшить объём жидкости молекулы сближаются на расстояния меньше их собственного диаметра, что порождает мощные силы межмолекулярного отталкивания.
• 3. Ближний порядок — упорядоченное взаимное расположение наблюдается лишь у ближайших соседних молекул и разрушается по мере удаления.

характер теплового движения частиц в жидкостях, открытый физиком Я. И. Френкелем: молекула в течение некоторого времени совершает быстрые колебания около временного положения равновесия, а затем скачком перемещается в соседнее свободное положение на расстояние порядка своего диаметра.

• 1. Причина текучести — именно регулярные перескоки молекул из одного локального окружения в другое под действием сколь угодно малых внешних сил придают жидкости текучесть и способность принимать форму сосуда.
• 2. Частота колебаний — за время так называемого «оседлого» состояния молекула успевает совершить миллионы колебаний перед совершением следующего скачка.

микроскопическая структура вещества, в которой частицы плотно упакованы и прочно связаны мощными межмолекулярными силами, лишающими их поступательной подвижности.

• 1. Характер движения — молекулы и атомы не перемещаются по телу, а совершают непрерывные малые колебания около фиксированных положений равновесия (узлов решётки).
• 2. Сохранение формы и объёма — благодаря жесткой пространственной фиксации положений равновесия твёрдые тела обладают постоянным объёмом и неизменной геометрической формой.

твёрдые тела, атомы, ионы или молекулы которых расположены в строгом геометрическом порядке, образуя периодически повторяющуюся в пространстве кристаллическую решётку.

• 1. Дальний порядок — пространственная закономерность в расположении частиц сохраняется на протяжении всего объёма кристалла (в отличие от ближнего порядка жидкостей и аморфных тел).
• 2. Естественная огранка — внутренний порядок решётки проявляется в макромире в виде правильных плоских граней и симметричных форм (например, шестилучевые снежинки, кристаллы поваренной соли, кварца или алмаза).

классический физический эксперимент Академии опытов во Флоренции, в котором полый толстостенный серебряный шар заполнили водой, герметично запаяли и подвергли ударам тяжелого молота.

• 1. Наблюдаемое явление — под ударами шар деформировался, уменьшая свой внутренний объём, в результате чего вода просочилась сквозь толщу серебра и выступила на поверхности шара в виде мельчайших капель росы.
• 2. Научный вывод — опыт наглядно доказал чрезвычайно малую сжимаемость жидкостей и наличие микроскопических промежутков (пор) между атомами даже в плотных металлах.

Одно и то же вещество способно находиться в различных агрегатных состояниях потому, что его молекулы в зависимости от температуры и внешнего давления:

• Располагаются на различных расстояниях друг от друга;
• По-разному взаимодействуют между собой (силы притяжения и отталкивания зависят от величины межмолекулярных зазоров);
• Обладают различным характером теплового движения (колебательное около узлов решётки, колебательно-перескоковое или хаотическое поступательное).

При этом сами молекулы вещества (например, молекулы $\text{H}_2\text{O}$ во льду, жидкой воде и водяном паре) остаются абсолютно одинаковыми по своему составу и строению.

Характер движения молекул кардинально различается по фазовым состояниям:

• В газах: молекулы движутся беспорядочно (хаотично) с огромными скоростями по прямолинейным траекториям от одного соударения до другого, свободно разлетаясь по всему доступному пространству;
• В жидкостях: молекулы совершают частые тепловые колебания около временных положений равновесия, после чего скачкообразно перемещаются («перескакивают») на расстояние, сравнимое с собственным диаметром, в новое положение равновесия;
• В твёрдых телах: частицы не перемещаются с места на место, а лишь непрерывно совершают малые колебания около строго определённых постоянных точек (узлов кристаллической решётки).

Сходства и различия обусловлены микроструктурой:

• Сходство свойств:
• Жидкости и газы обладают текучестью и не имеют собственной формы, легко принимая форму того сосуда, в котором находятся. Это объясняется тем, что молекулы и в жидкостях (путём скачков), и в газах (свободным полётом) способны менять своих соседей и смещаться под действием внешних механических воздействий.
• Различие свойств:
• По объёму: жидкости сохраняют собственный постоянный объём, а газы собственного объёма не имеют и занимают весь объём сосуда. В жидкости молекулы прижаты вплотную друг к другу силами молекулярного притяжения, тогда как в газах расстояние между молекулами велико, притяжение крайне мало, и частицы свободно разлетаются;
• По сжимаемости: жидкости практически несжимаемы (при сжатии молекулы вступают в зону мощного отталкивания электронных оболочек), а газы легко поддаются значительному сжатию (между молекулами газа существуют огромные пустые промежутки, которые легко сократить).

Основные свойства твёрдых тел — сохранение собственной формы и постоянного объёма, а также высокая механическая прочность:

• Сохранение объёма и формы: атомы и молекулы твёрдого тела расположены в строгом геометрическом порядке (кристаллической решётке) на расстояниях, сопоставимых с их размерами. Силы взаимного молекулярного притяжения и отталкивания строго уравновешивают друг друга в узлах решётки;
• Отсутствие текучести: энергия тепловых колебаний частиц недостаточна для преодоления потенциального барьера связи, поэтому частицы не могут покинуть свои узлы и совершают лишь колебательные движения около фиксированных точек;
• Несжимаемость и сопротивление деформации: при попытке сжать твёрдое тело молекулы сближаются, вызывая резкое преобладание сил отталкивания, а при попытке растянуть — преобладают силы притяжения, стремящиеся вернуть тело к исходным размерам.

Латинский глагол aggrego (присоединять, собирать воедино, связывать) непосредственно отражает глубинную физическую сущность фазовых состояний:

• Степень связности частиц: агрегатное состояние вещества показывает, насколько сильно и каким именно образом отдельные молекулы или атомы «связаны» друг с другом межмолекулярными силами взаимодействия в единое целое;
• От хаоса к связи: в газообразном состоянии связь между молекулами практически отсутствует (частицы обособлены), в жидком состоянии молекулы соединены в подвижный макроскопический ансамбль («присоединены» по объёму), а в твёрдом кристаллическом состоянии — прочно и жестко скованы в единую трехмерную структуру решётки.