Почему атомы и молекулы слипаются? Естествознание

27.05.12.

Этот  вопрос мне лишь в последние дни вдруг да приспичило задать в таком виде своим знакомым, - высоко  титулованным специалистам.  Понятного мне ответа  я пока от них вроде бы не получил. Впечатление у меня сложилось такое, что этот детский вопрос оказался именно для них не таким уж простым.

Попробую я, неуч в таких темах, над этим вопросом порассуждать сам.

Да, помню с какого-то класса школьной физики, что на достаточно близком расстоянии друг от друга молекулы и атомы, например, твёрдого тела, ощутимо притягиваются друг к другу.  По опыту бытовой жизни мы это видим во всём.

Хорошо шлифованные мерные пластинки слесаря лекальщика  слипаются всухую, как магниты.

Кузнечная сварка железа возможна потому, что под ударом молота размягчённый огнём металл приходит в соприкосновение его концов  внахлёстку без малейшего зазора.

Даже из бытового опыта мы знаем, что под действием достаточной температуры твёрдые и даже хрупкие материалы становятся всё более мягкими и пластичными, затем, жидкими, газообразными, всё более ионизированными, превращаются в плазму и последовательно лишаюся своих электронных оболочек.

Есть материалы более или менее липучие, смачиваемые и не смачиваемые.

В  обратной последовательности, с  понижением температуры среды, плазма превращается в обычный, всё менее ионизированный газ, затем в жидкость, где подвижность молекул становится всё более ограниченной. Затем вещество кристаллизуется, превращаясь в твёрдое тело. 

Почему-то молекулы кристалла выстраиваются в идеально правильные ряды, плоскости, прямые отрезки линий по рёбрам кристалла. Дело в каких-то квантовых явлениях, - полагаю, в резонансном поведении молекул.

Снежинки имеют ажурную форму своих кристаллов, - строго по всяким своим симметриям. Ни одна снежинка не повторяет в точности рисунок формы другой снежинки, будь они хоть за много тысяч километров друг от друга.

Вода проявляет себя по-разному, - хотя бы в атмосфере.
Как расположены по отношению друг к другу молекулы воды хоть в каком-либо её состоянии, наука лишь гадает.
Пока хватит и этих картинок.

 
Вопрос  ещё раз:  Что заставляет слипаться в каплю, а затем выстраиваться в строй орнамента снежинки соприкоснувшиеся друг с другом молекулы воды?
Тот же вопрос и по отношению к причине агрегатного состояния любого другого вещества.


Сила межмолекулярного притяжения?
Она создаёт, например, поверхностное натяжение жидкости. Шарики пролившейся ртути разбившегося термометра поэтому так красиво бегают по полу.

Спасибо за такое «объяснение»!  А что представляет собой это межмолекулярное притяжение?

Сегодня мы все такие вумные, что каждый из нас, обывателей,  слыхал о каких-то четырёх фундаментальных взаимодействиях:  гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Гравитационное притяжение (сила тяжести) известно всем человекам испокон веков.
 
Электромагнитное, - пожалуй, лишь с 18-го столетия.

Понятие «внутриядерные силы атома» мне знакомо из школьной физики.  Эти силы притяжения положительно заряженных частиц,-  протонов, и нейтральных частиц,- нейтронов,  не позволяют им покинуть ядро атома. Эти силы, как я понимаю, называются сильным взаимодействием.

Уже после школы мне, как и всем обывателям, всё чаще из упоминаний в СМИ знаком, непонятный мне и сегодня термин «слабое взаимодействие».
Что это такое? Вроде бы силы слабого взаимодействия проявляются в пределах тысячекратно меньших, чем ядро атома. Они, вроде бы, почему-то ответственны за явление радиоактивности изотопов и за большую или меньшую устойчивость ядер изотопов, то есть  за период  их полураспада.

Эти вопросы, связанные с загадками неуловимых нейтрино - уж слишком для меня заумная тема. Но порассуждать над своим исходным вопросом я всё же попытаюсь.
 
Если все явления природы определяются только силами притяжения и отталкивания, то какое из четырёх фундаментальных взаимодействий удерживает вещество и в твёрдом, и в жидком состоянии.

Сильное взаимодействие?
Оно ограничено лишь размерами ядра атома,– маковое зёрнышко в сравнении с футбольным стадионом. Сильное взаимодействие, насколько я себе это представляю, не суммируется от ядер всех атомов какого-либо тела любой массы и объёма. Почему? Не знаю.

Гравитационное взаимодействие всех, в основном, ядер атомов какого-либо тела и многих тел, например, космического масштаба,  суммируется.
Гравитационное взаимодействие определяет структуру распределения  масс в космосе, например, по галактикам и сверхскоплениям  всяческих сверхгалактик в масштабах расстояний, не просматриваемых даже в крупнейшие телескопы.

На межмолекулярных расстояниях гравитационное взаимодействие масс, в основном, ядер атомов абсолютно ничтожно.

О силах слабого фундаментального взаимодействия между молекулами жидкого или твёрдого тела ничего предположить не могу. Я не знаю, что это такое, но мне кажется, это не из той оперы. На межмолекулярных расстояниях силы слабого взаимодействия себя не проявляют. Эти расстояния слишком, почти бесконечно велики для таких сил.

Электромагнитное взаимодействие?
Положительно заряженные протоны в ядре атома удерживают электроны атома на их электронных оболочках, препятствуя их разлёту за пределы атома. Одноимённо заряженные частицы, – электроны, – препятствуют сближению соседних атомов на слишком близкое расстояние.

А что притягивает атомы и молекулы друг к другу при температурах не слишком высоких?

Предполагаю вот что. 
Электроны хоть и малы, но они всё же есть материальные частицы (хотя и заметно проявляют свои волновые свойства согласно  формуле Де-Бройля. У них счень малая масса и около-световая скорость, соответствующая среднестатистической энергии электронов, то есть их энергии кинетической, – часть произведения их массы на квадрат скорости, с учетом поправок по формулам теории  относительности).

Поскольку электроны несут электрический заряд, то при всём слабо представляемом  обывателями, такими, как я, принципе неопределённости в физике элементарных частиц - движение электронов это есть электрический ток. А электрический ток создаёт магнитное поле и, следовательно, электромагнитные силы взаимодействия между молекулами, - пожалуй, именно между их верхними электронными оболочками.
 
Теперь выскажу своё безграмотное суждение о том, что я пытаюсь представить себе под своим словосочетанием «верхняя электронная оболочка молекулы». Этого  выражения я вроде бы нигде не видел.

С уроков в школе я помню и вижу по таблице Менделеева, что атомы различных химических элементов имеют до нескольких электронных оболочек. (Ядро атома, промеждупрочим, тоже имеет свои оболочки распределения протонов и нейтронов). Химические свойства веществ определяются лишь взаимодействием электронов от верхней оболочки атома.

По каким-то причинам (не геометрическим ли?), мне неясным, полная электронная оболочка, верхняя или ниже, имеет точно определённое число электронов. Для элементов, более тяжёлых, чем водород, полное число электронов верхней оболочки по какой-то причине равно именно восьми. При меньшем, чем восемь, числе электронов на верхней оболочке какого-либо химического элементов электроны там неустойчивы. Оболочка стремится достроить себя до восьми электронов за счет захвата электронов с верхней оболочки какого-либо ближайшего атома, если там электронов меньше половины этого числа восемь.
Это определяет химическую активность и валентность химического элемента. Атом без захваченных у него электронов становится положительно заряженным, а тот,  что захватил себе электроны в достроенную так свою верхнюю оболочку становится отрицательно заряженным. Атомы, ставшие так разноименно заряженными, притягиваются друг к другу, что и есть химическое  явление образование молекулы.
 
В таком  химическом взаимодействии может быть и два, и три, и более химических элементов. А возможно образование молекулы, например, газа кислорода, состоящей из двух или даже из трёх атомов одного и того же химического  элемента.

В кристаллической решётке металлов, как я себе представляю, - возможно, неправильно, -  во всём кристалле и даже во всём куске металла электроны верхних оболочек у атомов и у молекул этого  куска металла принадлежат сразу всем атомам и молекулам этого куска, а не каждый электрон принадлежит только своему атому.

Получается общее облако электронов у всего металлического предмета. Эти блуждающие по всему металлу электроны, не принадлежат более глубоким  оболочкам атомов в куске металла.

Получается как бы общая для всего цельного куска металла единая для всех его атомов  одна единственная их верхняя электронная оболочка.

Полагаю,  что и  молекула какого-либо химически  образовавшегося вещества имеет общую верхнюю электронную оболочку для всех входящих в неё атомов.

Электроны её верхней оболочки – это движущиеся заряды, создающие, таким образом, около себя некое электромагнитное силовое поле.

Молекула, таким образом, является  электромагнитом.

Взаимодействие этих электромагнитов любого  химического соединения, по-видимому, определяет всякие физические свойства этого вещества, в частности:
его  вязкость, адгезию, поверхностное натяжение, смачиваемость поверхности, коррозийную стойкость, прочность,  упругость, хрупкость, пластичность, тягучесть,  коэффициент  трения и пр., и пр.

Судя по всему, даже структура воды (всякие конкретные, многообразные в разных условиях взаимно расположения  в ней атомов кислорода и водорода, да и самих молекул воды) - этого вещества, наиболее изученного наукой, - это издавна неприступная величайшая для человека тайна природы.
 
А уж конкретизация картин взаимодействия электромагнитных полей, создаваемых упорядочивающимся как-то движением электронов во всех прочих химических веществах, - так об этом  ещё очень и очень  долго можно будет пока только лишь философствовать.



В неорганической химии молекулы очень просты по сравнению с высокомолекулярными соединениями органической химии. Мне хочется порассуждать о них.

Предполагаю, что и высокомолекулярное соединение, включающее сотни тысяч атомов кислорода, углерода и водорода, тоже имеет свою общую для них всех верхнюю оболочку электронов.

Полимеры, обычно имеют вид  длинной цепочки химически связанных элементов.

Это цепочка, бывает стянута в глобулу, но чаще она вытянута в линию или шнуро-подобную спираль, например, двойную (и с поперечинами) спираль биополимеров.
Это сложнее, чем структура воды.

Но я предполагаю, что геометрическая форма высокомолекулярного соединения задана злектромагнитным взаимодействием полей,  которые образованы какими-то вполне конкретными орбитами (орбиталиями?) циркулирующих там электронов  в той верхней общей там электронной их оболочке.

Мне кажется, что наглядную модель только лишь принципа самопостроения высокомолекулярных соединений можно показать с помощью комбинаций из множества намагниченных шариков.


Ещё. Физику твёрдого тела невозможно было бы развить без привлечения квантовой физики.

Сам–то я понятия не имею ни о том, ни о другом. Я ведь не физик. Однако, и нас, когда-то студентов всего лишь инженерных специальностей,  приучали мыслить по вопросам натурфилософии.

Так вот, если физика твёрдого тела невозможна без квантовой механики, то и физика полимеров, и биофизика без неё невозможны.


А главное, о чем мне захотелось сегодня  порассуждать, так это о том, что в понимании свойств различных веществ  должно помочь понимание моделей электромагнитной структуры веществ.

Это тематика для специалистов по электротехнике. А я в ней абсолютно ничего не смыслю.