§9-10  液体和液晶的微观结构

    一、液体的微观结构

    前面大家大体估计过,液体中分子是密集在一起的,与固体的情形相似。相邻分子中心的间距与分子自身的线度相近,所以每个分子与其最近邻分子之间的斥力和引力相平衡,但其他分子对这个分子的作用却都表现为大小不等的引力作用。也就是说每个分子都处于其周围分子所提供的引力势能谷中。在势能谷中作热振动的液体分子不会长时间地停留在一个势能谷中,在一个势能谷中一般只保持一个短暂的时间,一旦获得足够的能量它就会跃出势能谷而迁移到另一个势能谷中去。在一个势能谷中停留的时间有长有短,其平均值称为定居时间。在一定温度和压强下,每种液体的定居时间是一定的。对于液态金属,定居时间在10-10 s的数量级。分子的定居时间实际上是分子力和热运动共同影响的结果。分子力越强,分子就越不容易移动,定居时间就越长。而液体的温度越高,分子热运动能量越大,跃出势能谷的机会就越多,定居时间就越短。

    除水、生铁和铋等少数液态物质以外,大多数液体的密度都比其晶体的要小些。其原因有二,一是液体分子的热运动剧烈,使分子之间的平均距离略有增大,二是液体中总是存在着被称为自由空间的空洞。液体中自由空间没有固定的位置,液体分子可以自由地出入其间。计算表明,液体比其同质量的晶体所大出的体积与该液体中存在的自由空间的总和近似相等。这种自由空间的存在是液体具有流动性的必要条件。

    实验观测表明,液体分子的排列既不像晶体中那样具有长程有序性, 也不像气体中分子的无规性,而是具有短程有序的特点,即每个液体分子在与分子间距同数量级的小范围内,排列具有一定的规则性。在这一点上,液体的情况与非晶态固体很相似。但是与非晶态固体不同的是,在液体中,分子排列的这种短程有序的小区域的大小和边界在随机地变化着。一会儿某些有序小区域的边界在收缩,以致瓦解了,一会儿一些新的有序小区域形成了。这种临时性的近程有序组织可以认为是一种类晶区,由于它很不定形,不能称为晶胞,而叫做微胞。每个微胞的堆积比较松散,配位数也不固定,单原子分子的平均配位数约为11.6, 比最紧密堆积的配位数略小。构成整个液体的大量微胞之间的取向是完全无序的,所以宏观上液体表现出各向同性。

    从微观状况看,物质的纯液体可分以下几类:

    1. 缔合性液体

    在这种液体中,两个或两个以上的分子能够自动地结合成不太稳定的所谓复体,这种现象称为缔合。由大量复体组成的液体,称为缔合性液体。水就是典型的缔合性液体,醇类、丙酮和液态氨都是缔合性液体。

    2. 极性液体

    这种液体是由具有固有电矩(见§9-7)的分子所组成。溴化氢液体就是典型的极性液体。

    3. 非极性液体

    这种液体的分子没有固有电矩,因而就没有极性,也无缔合性,分子间主要依靠分子力(即范德瓦耳斯力)互相作用着。这种液体也称为范德瓦耳斯液体。各种惰性气体(除氦以外)液化后就是非极性液体,液态氢和各种高分子烃类的液体(如石油)都属于非极性液体。

    4. 金属液体

    在常温下的水银呈液态,是典型的金属液体。处于熔点以上呈液态的金属,也都属于金属液体。金属液体中存在大量自由电子, 又有流动性,所以具有特别好的导电和导热性。

    5. 量子液体

    氦在绝对零度附近被液化后,黏性消失而成为超流体,超流现象是一种量子效应,故称量子液体。

       
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