Взаимодействие молекул 

1. Как обнаружить взаимодействие молекул?

Вы уже зна­е­те, что все тела со­сто­ят из мо­ле­кул, между мо­ле­ку­ла­ми есть про­ме­жут­ки, и все мо­ле­ку­лы и атомы, из ко­то­рых они со­сто­ят, непре­рыв­но дви­жут­ся. Но по­че­му твер­дые тела или жид­ко­сти так труд­но сжать,  рас­тя­нуть, раз­ло­мать, если между мо­ле­ку­ла­ми есть про­ме­жут­ки?

По­про­бу­ем раз­ло­мать несколь­ко твер­дых тел: ку­со­чек мела, ку­со­чек пла­сти­ли­на, ку­со­чек ре­зи­но­во­го жгута, пласт­мас­сы. Чтобы тело раз­ло­ма­лось, нам при­хо­дит­ся при­ла­гать неко­то­рое уси­лие. И в неко­то­рых слу­ча­ях силы рук для этого не хва­та­ет.

В чем при­чи­на того, что для раз­ру­ше­ния твер­до­го тела при­хо­дит­ся при­кла­ды­вать уси­лие? Все дело в при­тя­же­нии, ко­то­рое су­ще­ству­ет между мо­ле­ку­ла­ми. Мо­ле­ку­ла при­тя­ги­ва­ет все бли­жай­шие к ней мо­ле­ку­лы и сама при­тя­ги­ва­ет­ся к ним.

2. На каком расстоянии взаимодействие молекул становится заметным?

Если между мо­ле­ку­ла­ми су­ще­ству­ет при­тя­же­ние, то, на­вер­ное, воз­мож­но из оскол­ков вновь со­здать целое тело? С ку­соч­ком мела, как бы мы ни ста­ра­лись, сде­лать это не удаст­ся. А вот ку­соч­ки пла­сти­ли­на при сжа­тии вновь ста­нут одним целым телом.

Если вни­ма­тель­но рас­смот­реть сколы ку­соч­ков мела, то можно уви­деть, что они неров­ные, ше­ро­хо­ва­тые. А зна­чит, при их со­еди­не­нии мы не можем при­бли­зить мо­ле­ку­лы на по­верх­но­стях двух со­еди­ня­е­мых ча­стей так близ­ко, чтобы между ними воз­ник­ло при­тя­же­ние.

Рис. 1. По­верх­ность мела ше­ро­хо­ва­тая

В от­ли­чие от мела, пла­сти­лин – ма­те­ри­ал по­дат­ли­вый, и при сжа­тии ку­соч­ков мы рас­по­ла­га­ем мо­ле­ку­лы пла­сти­ли­на до­ста­точ­но близ­ко друг от друга. Но что озна­ча­ют слова «до­ста­точ­но близ­ко»? На­сколь­ко близ­ко?

Ока­зы­ва­ет­ся, что вза­им­ное при­тя­же­ние мо­ле­кул на­чи­на­ет за­мет­но про­яв­лять­ся тогда, когда мо­ле­ку­лы при­бли­жа­ют­ся друг к другу на­столь­ко, что между ними может по­ме­стить­ся толь­ко одна такая же по раз­ме­ру мо­ле­ку­ла.

Рис. 2. Рас­сто­я­ние, на ко­то­ром ста­но­вит­ся за­мет­ным при­тя­же­ние между мо­ле­ку­ла­ми

3. Не только притяжение, но и отталкивание

А что будет про­ис­хо­дить, если про­дол­жать умень­шать рас­сто­я­ние между мо­ле­ку­ла­ми? Жиз­нен­ный опыт под­ска­зы­ва­ет нам, что при сжа­тии твер­до­го тела, при по­пыт­ке его де­фор­ма­ции резко воз­рас­та­ет сила от­тал­ки­ва­ния между мо­ле­ку­ла­ми.

При­ме­ров из по­все­днев­ной жизни и тех­ни­ки, где ярко про­яв­ля­ет­ся при­тя­же­ние и от­тал­ки­ва­ние мо­ле­кул, можно при­ве­сти много. Это сжа­тие рес­сор в ав­то­мо­би­ле, на­тя­же­ние те­ти­вы лука при стрель­бе. Это такие про­из­вод­ствен­ные про­цес­сы, как штам­пов­ка или ковка.

Рис. 3. При ковке и штам­пов­ке пре­одо­ле­ва­ет­ся при­тя­же­ние и от­тал­ки­ва­ние мо­ле­кул

Итак, если мо­ле­ку­лы рас­по­ла­га­ют­ся до­ста­точ­но близ­ко, то про­яв­ля­ют­ся силы при­тя­же­ния между ними, но если про­дол­жить сбли­же­ние мо­ле­кул, то между ними на­чи­на­ют про­яв­лять­ся силы от­тал­ки­ва­ния. 

4. Сцепление свинцовых цилиндров

Вот еще одна де­мон­стра­ция, до­ка­зы­ва­ю­щая, что между мо­ле­ку­ла­ми су­ще­ству­ет вза­им­ное при­тя­же­ние. Возь­мем два оди­на­ко­вых свин­цо­вых ци­лин­дра. Вна­ча­ле их по­верх­но­сти ше­ро­хо­ва­тые, и если при­жать ци­лин­дры ос­но­ва­ни­я­ми друг к другу, то за­мет­но­го вза­и­мо­дей­ствия между ними не про­изой­дет.

Рис. 4. Свин­цо­вые ци­лин­дры со стру­гом

Но си­ту­а­ция из­ме­ня­ет­ся, если по­верх­но­сти ци­лин­дров об­ра­бо­тать с по­мо­щью спе­ци­аль­но­го ин­стру­мен­та – так на­зы­ва­е­мо­го стру­га. Это ин­стру­мент, поз­во­ля­ю­щий за­то­чить торцы ци­лин­дров так, что их по­верх­но­сти ста­нут очень глад­ки­ми, от­по­ли­ро­ван­ны­ми.

Если те­перь на неко­то­рое время плот­но при­жать торцы свин­цо­вых ци­лин­дров друг к другу, то по всей пло­ща­ди со­при­кос­но­ве­ния рас­сто­я­ние между их по­верх­но­стя­ми умень­шит­ся на­столь­ко, что «вклю­чат­ся» силы меж­мо­ле­ку­ляр­но­го при­тя­же­ния. Эти силы до­ста­точ­ны, чтобы безо вся­ко­го со­еди­не­ния ци­лин­дры могли удер­жать зна­чи­тель­ный груз.

Рис. 5. Сцеп­ле­ние свин­цо­вых ци­лин­дров объ­яс­ня­ет­ся вза­им­ным при­тя­же­ни­ем мо­ле­кул

5. Явление смачивания

Сма­чи­ва­ние – это также про­яв­ле­ние вза­им­но­го при­тя­же­ния мо­ле­кул.

Возь­мем две стек­лян­ных пла­стин­ки. Если про­сто при­жать их друг к другу чи­сты­ми плос­ки­ми по­верх­но­стя­ми, а затем по­пы­тать­ся разъ­еди­нить, то ни­ка­ко­го эф­фек­та не будет.

Но если на по­верх­ность од­но­го из сте­кол на­не­сти несколь­ко ка­пель воды, а потом вновь при­ло­жить вто­рое стек­ло и плот­но при­жать стек­ла друг к другу, то от­со­еди­нить их друг от друга будет до­ста­точ­но слож­но. И если мы все-та­ки от­со­еди­ним их друг от друга, мы уви­дим, что обе по­верх­но­сти стек­ла – и од­но­го, и вто­ро­го – ока­зы­ва­ют­ся смо­чен­ны­ми водой. Это озна­ча­ет, что вза­им­ное при­тя­же­ние между мо­ле­ку­ла­ми стек­ла и воды боль­ше, чем между са­ми­ми мо­ле­ку­ла­ми воды.

Рис. 6. Для де­мон­стра­ции яв­ле­ния сма­чи­ва­ния можно ис­поль­зо­вать два стек­ла, на ко­то­рые по­ме­сти­ли несколь­ко ка­пель воды

Яв­ле­ние сма­чи­ва­ния до­ста­точ­но часто встре­ча­ет­ся в нашей жизни. Имен­но бла­го­да­ря сма­чи­ва­нию мы можем вы­ти­рать по­ло­тен­цем по­су­ду, пи­сать по бу­ма­ге чер­ни­ла­ми (по­про­буй­те вы­те­реть та­рел­ку по­ли­эти­ле­но­вым па­ке­том или на­пи­сать что-ни­будь на нем ав­то­руч­кой!). От­сут­ствие сма­чи­ва­ния поз­во­ля­ет во­до­пла­ва­ю­щей птице оста­вать­ся сухой в воде даже под про­лив­ным до­ждем.

Рис. 7. Перья во­до­пла­ва­ю­щей птицы не сма­чи­ва­ют­ся водой