分子間的引力和斥力

毛卓飛

物體是由一個(gè)個(gè)分子組成的，分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).為什么折斷一根木條、拉斷一根棉線也要費(fèi)相當(dāng)大的力氣呢？原來(lái)分子之間存在著相互作用的吸引力.要把物體的一部分跟另一部分分開，就必須克服分子之間的吸引力.分子間的吸引力，使我們很難將固體拉長(zhǎng)，就連伸長(zhǎng)了的橡皮筋，一松開手就要恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度.有了分子間的吸引力，兩塊鉛壓緊后就能連在一起，難以分開；兩滴水銀靠近后就會(huì)自動(dòng)地融合成一大滴水銀.由于分子的引力作用，露珠總是圓的、量筒中的水面總是凹形的，往水杯中倒水，可以倒到稍稍高出杯沿，也不會(huì)溢出.如果沒(méi)有分子間的引力，老師用粉筆在黑板上板書時(shí)就不會(huì)留下字跡，用膠水也不能將兩張紙黏合在一起.

細(xì)心的同學(xué)也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，在一滿杯開水中，慢慢地倒入一匙奶粉，水不會(huì)溢出，這是為什么呢？科學(xué)家做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一根1米長(zhǎng)的細(xì)玻璃管中放一半水，再放一半的酒精，用手堵住管口，來(lái)回倒置幾次，總的高度下降1厘米多.這一實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了水分子、酒精分子之間有空隙.在酒精與水混合的過(guò)程中，部分酒精分子進(jìn)入了水分子的空隙中，也有部分水分子進(jìn)入到了酒精分子的空隙中，使得水和酒精的總體積減小.用高分辨率的電子顯微鏡拍攝的三硫化二鈦（Ti2S3）晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像，也證實(shí)了分子間空隙的存在.奶粉慢慢倒入奶瓶，水不溢出，就是因?yàn)榕Ｄ谭肿舆\(yùn)動(dòng)到水分子間隙中的緣故.

既然分子間有空隙，在分子之間的引力作用下，物體的體積應(yīng)該越來(lái)越小才對(duì)，可是，生活中固體、液體的體積不僅不會(huì)自動(dòng)縮小，連用力壓縮它們也非常困難.原來(lái)物體分子存在著相互作用的引力的同時(shí)，也存在著相互作用的斥力.固體和液體很難被壓縮，正是由于分子間存在斥力的緣故.給自行車打氣時(shí)，氣筒活塞剛開始往下壓時(shí)，比較輕松，越往下壓，所需的壓力就越大.這一現(xiàn)象說(shuō)明氣體分子間也存在斥力，且大小都隨著分子間的距離的減小而增大.

在我們的周圍，有許多現(xiàn)象可以說(shuō)明分子間作用力與分子間距離的關(guān)系.棉線一拉即斷，而金屬絲卻不容易拉斷，就是因?yàn)槊蘧€分子間距離比金屬絲分子間的距離大，棉線分子間作用力比金屬絲分子間的作用力小.分子之間可以發(fā)生相互作用的距離很短，是一種短程力.一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)分子間的距離超過(guò)它們的直徑10倍以上時(shí)，相互作用就變得十分微弱，可以認(rèn)為分子力等于零.打碎的玻璃不能“破鏡重圓”，其原因是玻璃打碎后拼在一起，分子間的距離遠(yuǎn)大于分子直徑的10倍以上，分子間的作用力變得非常微弱.如果把玻璃片的裂開處燒熔，然后再對(duì)接在一起，玻璃分子間的距離縮小，達(dá)到產(chǎn)生引力的距離，那么“破鏡重圓”將變?yōu)榭赡?郵票剛貼在信封上時(shí)容易揭下，等膠水干了以后就很難直接把郵票完整地從信封上揭下來(lái)，就是由于膠水干了以后，郵票和信封的紙分子間距離減小到進(jìn)入分子作用力的范圍，所以直接把郵票完整地從信封上揭下來(lái)就很困難了.

物質(zhì)所處的狀態(tài)其實(shí)也與分子間的作用力有關(guān)，固態(tài)物質(zhì)的分子排列比較緊密，分子間間隙也比較小，分子間作用力大，分子只能在固定的位置附近振動(dòng)，因而固體具有固定的形狀和固定的體積；液態(tài)物質(zhì)的分子排列密度較小，分子間的間隙較大，分子間引力比固體分子間的引力小些，它們的分子比較容易離開原來(lái)的位置在其他分子之間運(yùn)動(dòng)，因此，液體雖有固定的體積，但無(wú)固定的形狀；氣態(tài)物質(zhì)分子間的距離很大，分子間的引力幾乎為零，每個(gè)分子可以在任意的空間內(nèi)自由活動(dòng)，因而氣體既無(wú)固定的形狀，也無(wú)固定的體積.

分子間的引力和斥力是同時(shí)存在的，物體分子間表現(xiàn)出來(lái)的作用力，其實(shí)是分子引力和斥力的合力.分子間的距離等于某一數(shù)值時(shí)，它們之間的引力和斥力恰好相等，分子處于平衡狀態(tài)，分子間作用力表現(xiàn)為零.分子間的距離發(fā)生變化時(shí)，引力和斥力的大小都隨著變化，但分子間距離的變化對(duì)斥力的影響要比對(duì)引力的影響大些，當(dāng)物體被壓縮時(shí)，分子間的引力和斥力都增大，但斥力比引力增加得更快，使得斥力大于引力，表現(xiàn)為斥力，阻礙物體的壓縮；但當(dāng)物體受到拉伸時(shí)，分子間的斥力和引力都減小，但斥力比引力減小得快，使得引力大于斥力，表現(xiàn)為引力，阻礙物體的拉伸.

要把彈簧拉長(zhǎng)，需要消耗能量.同樣要克服分子間的作用力，使分子間的距離不斷加大；要實(shí)現(xiàn)物態(tài)的變化，也需要消耗能量，這就是熔化、汽化、升華需要吸熱的根本原因.你也許曾有這樣的疑問(wèn)：晶體熔化時(shí)或液體沸騰時(shí)既然溫度不升高，但為什么仍需吸熱呢？我想你現(xiàn)在一定能解釋這一現(xiàn)象了吧.大家都知道液體蒸發(fā)的快慢跟液體的溫度、液體的表面積、液體表面的氣流速度有關(guān).但你是否發(fā)現(xiàn)在液體的溫度、表面積、液體表面的氣流速度相同時(shí)，汽油或酒精的蒸發(fā)明顯比水的蒸發(fā)快得多，其中的原因也應(yīng)該與分子間的引力有關(guān).