Uvod
Zašto čvrsti predmeti ne menjaju oblik? Zašto se tečnosti razlivaju, a gasovi šire na sve strane? Odgovor na ova pitanja krije se u međumolekulskim silama – silama koje deluju između molekula.
Sve materijalne stvari oko nas sačinjene su od atoma, a kada se više atoma poveže, nastaju molekuli. Unutar molekula atomi su povezani jakim hemijskim vezama (kovalentnim, jonskim), ali te veze nisu presudne za fizičke osobine tela. Ono što određuje agregatno stanje i ponašanje materije jesu međumolekulske sile – sile koje deluju između molekula.
Šta su međumolekulske sile?
Međumolekulske sile su elektrostatičkog porekla. Svaki molekul ima pozitivna i negativna naelektrisanja, koja se raspoređuju tako da između molekula nastaju privlačne i odbojne sile. Te sile drže molekule na okupu, ali su mnogo slabije od hemijskih veza unutar molekula.
Kada dodajemo toplotu nekom telu, molekuli dobijaju veću kinetičku energiju. Ako ta energija postane dovoljno velika, molekuli mogu da savladaju međumolekulske sile i oslobode se uzajamnog privlačenja.
Agregatna stanja i međumolekulske sile
- Čvrsto stanje:
Molekuli su čvrsto povezani, jer je energija međumolekulskih veza mnogo veća od kinetičke energije molekula. Molekuli samo osciluju oko ravnotežnih položaja, pa čvrsta tela imaju stalnu zapreminu i oblik. - Tečno stanje:
Energija međumolekulskih veza je približno jednaka kinetičkoj energiji molekula. Molekuli stalno raskidaju veze i stvaraju nove, pa tečnosti imaju stalnu zapreminu, ali promenljiv oblik. - Gasovito stanje:
Molekuli se kreću slobodno, a međumolekulske sile su zanemarljive. Gasovi ispunjavaju ceo prostor u kojem se nalaze.
Promena agregatnog stanja
Svaka supstanca može biti u sva tri stanja – zavisi od temperature. Supstance sa jakim međumolekulskim silama teže menjaju stanje, jer je potrebno mnogo energije da se veze pokidaju. Kada se sve veze raskinu na istoj temperaturi, tu temperaturu zovemo tačka topljenja.
Dodavanjem toplote molekulima povećavamo njihovu kinetičku energiju:
$ E_k = \frac{m v^2}{2} $
Ako je $ E_k $ veća od energije međumolekulskih veza, molekuli se oslobađaju i prelaze u drugo agregatno stanje.
Model međumolekulskih sila
Međumolekulske sile možemo zamisliti kao elastičnu oprugu:
- Kada su molekuli na ravnotežnoj udaljenosti $ r_0 $, sile su nula.
- Ako ih udaljimo, javljaju se privlačne sile koje ih vraćaju.
- Ako ih približimo, javljaju se odbojne sile koje ih opet vraćaju na $ r_0 $.
Potencijalna energija molekula zavisi od udaljenosti $ r $:
- Minimalna je na $ r_0 $.
- Ako se molekul približi, energija naglo raste (odbojna sila).
- Ako se udalji, energija raste blaže (privlačna sila), sve dok se ne prekine veza.
Isparavanje
Ako molekul na površini tečnosti dobije dovoljno energije da savlada privlačne sile, on napušta tečnost – isparava.