Потенціальна енергія взаємодії молекул

Міжмолекулярні сили в твердих тілах

Іонні та ковалентні сили забезпечують зв’язок не лише атомів у молекулах, а також між молекулами та атомами в твердих тіл. Наявність ковалентних та іонних зв’язків сприяє утриманню атомів і молекул у фіксованих положеннях – вузлах кристалічної ґратки. Кристали, структура яких зумовлена ковалентним зв’язком, називають ковалентними, іонним зв’язком – іонними. У ковалентних кристалів електрона хмара не строго локалізована в околі іонів, що утворюють ґратку кристалу. У іонних же кристалів електронна хмара локалізована поблизу іонів. Моделлю іонного кристалу є сукупність непроникаючих заряджених сфер, між якими діють кулонівськи сили.

В молекулярних кристалах у вузлах розміщені молекули, між якими діють досить невеликі, якщо їх порівнювати з силами іонного та ковалентного зв’язків, ван-дер-ваальсові сили притягування. Малість цих сил обумовлює непорочність молекулярних кристалів.

Різновидом ковалентних сил є так звані сили металічного зв’язку. Електрони, що здійснюють зв’язок між іонами, практично втрачають зв’язок з окремим іоном. Такі колективізовані електрони в кристалі утворюють електронний газ.

Між молекулами речовини діють як сили притягування, так і сили відштовхування. Якщо сили притягування F_пр помітно проявляють себе на досить великих відстанях між молекулами, то сили відштовхування F_відшт – лише на дуже малих (порядку розмірів самої частинки).

Частіше замість поняття сил взаємодії молекул F (r) користуються поняттям потенціалу міжмолекулярної взаємодії U (r), тобто потенціальної енергії взаємодії. Звичайно, ці величини пов’язані між собою таким чином:

(2)

Виходячи з вищесказаного, функція U (r) повинна мати вигляд, представлений на рис. 4. На малих відстанях маємо відштовхування, на великих притягування. При r = r ₀, сили F_пр і F_відшт врівноважують одна одну. При цьому ж значенні r U (r ₀) має мінімум.

При зіткненні молекули можуть підійти на відстань d₁ або d₂ в залежності від енергії зіткнення Е. Мінімальне зближення, обумовлене точками повороту d₁ або d₂, де кінетична енергія обертається в 0, має назву ефективного діаметра. Він слабо за-

Рисунок 2

лежить від температури, або, що те ж саме, від енергії молекул, що зіштовхуються: з ростом Т зростає Е и зменшується ефективний діаметр, тобто зменшуються ефективні розміри атома або молекули.

Універсальної формули для функція U (r) не існує. В загальному вигляді функція U (r) задається формулою:

(4)

де a ₁, a ₂, n, m – деякі сталі, які підбираються таким чином, щоб потенціал добре описував конкретний тип молекул.

Перший член відповідає силам відштовхування, другий – протягування.

В багатьох випадках добру апроксимацію дає потенціал Леннарда-Джонса:

(5)

Зміст сталих і зрозумілий з рис. 2.

Дата добавления: 2014-01-11