§ 11. Взаимное притяжение и отталкивание молекул

совокупность сил взаимного притяжения и отталкивания, действующих между молекулами или атомами любого вещества и определяющих его механическую прочность, агрегатное состояние и способность сохранять объём и форму.

• 1. Притяжение между молекулами — удерживает молекулы друг возле друга, препятствуя самопроизвольному распаду твёрдых тел и жидкостей на отдельные изолированные частицы.
• 2. Отталкивание между молекулами — препятствует бесконечному сжатию вещества и взаимному проникновению электронных оболочек соприкасающихся атомов, обеспечивая несжимаемость жидкостей и твёрдых тел.
• 3. Равновесное расстояние ($r_0$) — расстояние между центрами молекул, при котором сила притяжения в точности равна силе отталкивания ($F_{\text{прит}} = F_{\text{отт}}$), а результирующая сила равна нулю; в отсутствие внешних нагрузок молекулы располагаются именно на таком расстоянии.

фундаментальный физический принцип поведения микрочастиц:

• 1. Область проявления сил притяжения — взаимное притяжение заметно проявляется лишь на сверхмалых расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (порядка $10^{-9}$–$10^{-10}\text{ м}$); при увеличении расстояния до величин в несколько молекулярных диаметров притяжение стремительно ослабевает и практически исчезает.
• 2. Область доминирования сил отталкивания — при сближении молекул на расстояния меньше их собственного размера ($r < r_0$) силы отталкивания резко возрастают и многократно превосходят силы притяжения.
• 3. Упругая реакция на деформацию — при попытке растянуть тело ($r > r_0$) начинает преобладать притяжение, стремящееся вернуть молекулы назад; при попытке сжать тело ($r < r_0$) доминирует отталкивание, сопротивляющееся сжатию.

наглядный физический эксперимент, доказывающий наличие сил молекулярного притяжения между частицами твёрдого тела:

• 1. Методика постановки — торцы двух массивных цилиндров из мягкого свинца зачищаются лезвием ножа до блеска (для удаления слоя окислов и сглаживания неровностей), после чего цилиндры плотно прижимаются друг к другу с небольшим вращением.
• 2. Результат сцепления — цилиндры прочно соединяются за счёт молекулярного притяжения и способны выдержать подвешенный груз массой в несколько килограммов ($5\text{ кг}$ и более).
• 3. Причина необходимости шлифовки — у шероховатых поверхностей действительный контакт молекул происходит лишь в единичных микроскопических выступах, тогда как полировка обеспечивает контакт на расстояниях порядка размеров молекул по всей соприкасающейся площади.

притяжение между молекулами различных по природе контактирующих тел:

• 1. Опыт со стеклянной пластиной на пружине — если плоскую стеклянную пластинку подвести к поверхности воды и затем плавно тянуть вверх, пружина сильно растягивается до момента отрыва.
• 2. Доказательство соотношения сил — после отрыва на пластине остаётся сплошной слой воды; разрыв происходит не по границе «стекло — вода», а внутри самой воды, что доказывает: притяжение молекул воды к молекулам стекла превышает силу взаимного притяжения молекул воды друг к другу.
• 3. Практическое явление — свойство слипания чистых полированных поверхностей (например, оконных стёкол, которые при хранении перекладывают бумагой во избежание неразъёмного сцепления).

промышленные и бытовые методы сближения молекул на расстояния их взаимного притяжения:

• 1. Сварка — локальное расплавление кромок соединяемых металлических или полимерных деталей, при котором жидкие слои смешиваются, а при остывании формируют единую кристаллическую структуру.
• 2. Пайка — соединение деталей посредством расплавления легкоплавкого припоя (олово, свинец, медь), который затекает в зазоры, смачивает металл и сближает молекулы на атомарные дистанции.
• 3. Склеивание — нанесение жидкого адгезива (клея), заполняющего микропоры и микронеровности шероховатых тел, смачивающего их поверхности и создающего прочные межмолекулярные мостики после отвердевания.

Тела не рассыпаются на отдельные молекулы благодаря действию сил взаимного притяжения, существующих между всеми молекулами любого вещества. В твёрдых телах и жидкостях молекулы находятся на расстояниях, сравнимых с их собственными размерами, где силы молекулярного притяжения достаточно велики, чтобы прочно связывать частицы друг с другом и удерживать объём и форму тела.

Чтобы изменить форму или объём ластика, необходимо преодолеть внутренние силы межмолекулярного взаимодействия:

• При растяжении ластика мы удаляем молекулы друг от друга на расстояния, превышающие равновесные ($r > r_0$). В этот момент между молекулами начинает преобладать сила взаимного притяжения, стремящаяся вернуть молекулы в исходное положение, поэтому нам приходится прикладывать внешнее растягивающее усилие;
• При сжатии ластика мы насильственно сближаем молекулы так, что расстояния между ними становятся меньше их равновесных размеров ($r < r_0$). На таких дистанциях силы взаимного отталкивания молекул лавинообразно возрастают, оказывая мощное противодействие сжатию.

Баланс сил межмолекулярного взаимодействия определяется расстоянием между частицами:

• Отталкивание молекул проявляется наиболее заметно на сверхблизких расстояниях — когда молекулы сближаются настолько, что расстояние между их центрами становится меньше собственных размеров молекул ($r < r_0$), то есть при попытке сжатия вещества;
• Притяжение между молекулами проявляется заметнее всего при некотором удалении молекул друг от друга — на расстояниях, сравнимых с их диаметрами ($r \approx r_0$ и чуть больше), но исчезает, если расстояние превышает размеры молекул в несколько раз.

Данное явление объясняется нарушением молекулярного сцепления и разрушением структуры контакта:

• Разделение поверхностей слоем жидкости — вода, проникая в микрощели между кирпичом и штукатуркой, образует водяную плёнку, толщина которой в тысячи раз превосходит размеры молекул. На таком расстоянии непосредственное молекулярное притяжение между частицами кирпича и затвердевшей штукатурки полностью прекращается;
• Слабость сил сцепления влажной прослойки — силы взаимодействия молекул воды со штукатуркой и кирпичом не способны удержать массивный пласт отделочного материала;
• Эрозия и капиллярное давление — вода растворяет и вымывает связующие компоненты раствора, а при перепадах температур (замерзании и расширении льда в зимний период) механически отрывает слой штукатурки от кирпичной кладки.