Основы строения вещества

Заглавная

Аннотация

Содержание

Приложения

Литература

 

Конденсированное состояние вещества

Глава 16. Жидкости


Строение жидкой воды
Жидкие кристаллы

Любое вещество может находиться в одном из четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном или в виде плазмы. При низких температурах и(или) высоких давлениях все вещества находятся в твердом состоянии. Твердое и жидкое состояние вещества называют конденсированным состоянием.

Жидкости характеризуются компактным расположением частиц, что вызывает малую их сжимаемость по сравнению с газами. Частицы в жидкости образуют лабильные упорядоченные агрегаты ("ближний порядок"), разделенные областями беспорядоченого расположения частиц. Агрегаты частиц не имеют резких границ: перемещаясь в жидкости, они теряют одни частицы и приобретают другие, могут полностью разрушиться и возникнуть вновь. При понижении температуры агрегаты частиц увеличиваются и размерах, приобретают большую стабильность и упорядоченность в расположении частиц. Вблизи температуры кристаллизации агрегаты превращаются в зародыши кристаллизации твердой фазы.

Жидкости отличаются от твердой фазы большей подвижностью частиц, текучестью и изотропностью, то есть одинаковостью физических свойств по различным направлениям. Между частицами жидкости существуют равномерно распределенные по объему и перемещающиеся пустоты с размрами, сопоставимыми с размерами частиц.

Жидкости присущ определенный объем. Она стремиться принять макую форму, которая способствовала бы минимальной площади ее поверхности, так как для увеличения поверхности жидкости требуется дополнительная энергия, которая определяется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение возникает из-за неуравновешенности межмолекулярных сил, действующих у поверхности жидкости. Оно минимально, когда жидкость принимает сферическую форму.

Строение жидкой воды

Наличие водородных связей в воде вызывает появление ряда характерных свойств. Прежде всего, ассоциация молекул воды ведет к повышению температур плавления и кипения по сравнению со значениями, ожидаемыми из сравнения соответствующих величин для других халькогеноводородов. Увеличение полярности агрегатов молекул воды проявляется также в повышении диэлектрической проницаемости. Для воды при 25 oС она равна 78,5. Свойства жидкой воды как растворителя и сольватирующего агента также в значительной мере определяется способностью ее молекул выступать донором или акцептором при образовании водородных связей.

Способность к образованию водородных мостиков у воды выражена особенно сильно благодаря тому, что в каждой молекуле имеются два атома водорода и две неподеленные электронные пары, которые могут быть акцепторами атомов водорода. В жидкой воде находятся в динамическом равновесии молекулярные ассоциаты, содержащие до 100 молекул воды, представляющие собой осколки структуры льда. На основе анализа кривых радиального распределения электронной плотности, полученных методом рентгеноструктурного анализа, был сделан вывод, что ближайшее окружение каждой молекулы воды состоит из четырех-пяти молекул, образующих первую гидратную оболочку, что отражается в наличии максимума на кривой радиального распределения. На больших расстояниях обнаруживаются другие максимумы, соответствующие более удаленным гидратным оболочкам.

Отдельные молекулы воды могут путем быстрого обмена (~10-11 с) присоединяться к ассоциату или отщепляться от него. В этих агрегатах (кластерах) имеют не только тетраэдрические (как в твердой воде), но и нетерадрические (изогнутые) водородные мостики, в которых атомы водорода несколько смещены в сторону от линии, соединяющей атомы кислорода. Таким образом, упаковка молекул воды становится более плотной, что проявляется в аномальном увеличении плотности при плавлении льда. Лишь при температуре выше 4 oС эффект разрушения тетраэдрической структуры перекрывается обычным термическим расширением благодаря усилению теплового движения молекул.

Кластерной структурой объясняются и другие аномалии воды - высокие значения теплоты испарения, поверхностного натяжения и удельной теплоемкости а также влияние на свойства воды растворенных в ней веществ.

Жидкие кристаллы

При охлаждении некоторых жидких веществ появляется новое их состояние, похожее и на жидкое, и на твердое. В этом состоянии вещество полупрозрачно или непрозрачно, сохраняет текучесть, но уже имеет анизотропные свойства и обладает определенной упорядоченностью структуры.

Такое состояние вещества называют жидкокристаллическим. Жидкокристаллическое состояние было открыто в результате наблюдений за процессами плавления. При плавлении некоторых веществ образуется мутная жидкость, обладающая светорассеянием и двойным лучепреломлением. Образование жидкокристаллического состояния при плавлении сопровождается частичным разрушением дальнего порядка. При дальнейшем нагревании мутный расплав переходит в прозрачную жидкость, обладающую изотропными свойствами.

По степени молекулярной упорядоченности жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Поэтому жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным ("мезос" - промежуточный), а само вещество - мезофазой. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние встречается у органических веществ, молекул которых имеют удлиненную или дискообразную форму.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностью внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. Различаются три основных типа жидких кристаллов: смектический, нематический и холестерический.

Смектический жидкий кристалл

Смектические ( от греч. "смегма" - мыло) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую сигарообразную форму, причем они ориентированы параллельно друг другу и образуют тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла - анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Нематический жидкий кристалл

Второй тип жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. "нема" - "нить"). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо прилипают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят "причесанными" и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Подходящая аналогия для нематических жидких кристаллов - длинная коробка с короткими карандашами, которые могут свободно поворачиваться вокруг своей оси, перемещаться вдоль коробки, но никогда не встают поперек. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают "муаровую" текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поле так же, как железные опилки, располагаясь самым упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Колебания видимого света в холестерическом жидком кристалле

Холестерические жидкие кристаллы - это в основном производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои (как у смектических), но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Обычные свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он принимает яркую окраску.

Из каждой тысячи новых органических соединений, синтезируемых в лабораториях мира, по крайней мере, пять могут образовывать жидкие кристаллы. Универсальные свойства таких веществ позволили использовать их во многих областях науки и техники, в частности при изготовлении жидкокристаллических дисплеев, плоских экранов, термометров.

Читать дальше >>>

Отвечать на вопросы >>>

Приложения >>>

Содержание >>>

Заглавная страница >>>