При очень низких температурах молекулы в кристалле иода находятся на своих местах почти в полном покое (рис. 2.11). С повышением температуры молекулы становятся все более подвижными; они все интенсивнее перемещаются в тесном пространстве между соседними молекулами и соударяются с ними все энергичнее.
Молекула на поверхности кристалла удерживается силами притяжения, которые оказывают на нее соседние молекулы. Такого рода силы, действующие между всеми молекулами, находящимися на близких расстояниях, называются вандерваальсовыми силами притяжения; это название происходит от фамилии голландского физика Я. Д. Ван-дер- Ваальса (1837—1923), впервые основательно рассмотревшего межмолекулярные силы в связи с изучением природы газов и жидкостей.
Эти силы притяжения крайне слабы, гораздо слабее сил, действующих между атомами внутри молекулы. Поэтому та или иная молекула случайно может оказаться достаточно возбужденной, чтобы оторваться от соседних молекул и вылететь в окружающее пространство. Если кристалл иода поместить в сосуд, то вскоре в этом сосуде благодаря процессу испарения окажется множество свободных молекул, причем каждая будет двигаться по прямой, пока случайно не столкнется с другой молекулой или со стенками сосуда и не изменит направления своего движения. Эти свободные молекулы образуют пары иода или газообразный иод (рис. 2.11). Молекулы газообразного иода очень похожи на молекулы, образующие кристалл; межатомные расстояния в них практически остаются теми же, но расстояния между молекулами газа во много раз больше расстояний между молекулами в кристалле.
Может показаться неожиданным, что молекулы, находящиеся на поверхности кристалла, испаряются и переходят непосредственно в газ, минуя стадию пребывания в жидком слое; но в действительности процесс медленного испарения кристаллических веществ отнюдь не является необычным. Твердые кусочки камфоры или нафталина (в том виде, в котором его применяют, например, в качестве средства против моли), оставленные на воздухе, медленно уменьшаются в размере именно в результате испарения молекул с поверхности твердого вещества. Снег может исчезнуть с почвы не в результате таяния, а в результате испарения кристаллов льда при температуре ниже температуры его плавления. Испарение ускоряется в ветреную погоду, когда водяные пары уносятся от кристаллов снега и таким образом предотвращается обратная конденсация их на кристаллах.
Характерная особенность газа заключается в том, что его молекулы не удерживаются вместе, а свободно движутся в объеме, значительно превышающем объем самих молекул. Силы притяжения между молекулами проявляются всякий раз, когда молекулы близко подходят одна к другой, однако обычно эти силы ничтожно малы, поскольку молекулы находятся на больших расстояниях одна от другой.
Данное количество газа не имеет ни определенного объема, ни определенной формы именно потому, что молекулы газа движутся свободно. Газ приобретает форму сосуда, в котором он находится.
При обычном давлении газы находятся в очень разреженном состоянии: молекулы составляют примерно одну тысячную общего объема газа, а остальная часть объема остается незаполненной. Так, 1 г твердого иода занимает объем, равный примерно 0,2 см3 (плотность* твердого иода 4,93 г·см-3), тогда как 1 г газообразного иода при давлении 1 атм и температуре 184 °С (его температура кипения) занимает объем 148 см3, т. е. примерно в 700 раз больше. Отсюда следует, что при обычном давлении собственный объем всех молекул газа очень мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. В то же время диаметр молекулы ненамного меньше расстояния между молекулами; в газе, находящемся при комнатной температуре и давлении 1 атм, среднее расстояние между двумя соседними молекулами примерно в 10 раз превышает диаметр самих молекул (рис. 2.11)**.
Давление насыщенного пара над кристаллами
Кристалл иода в эвакуированном сосуде будет постепенно переходить в газообразное состояние в результате испарения молекул с его поверхности. Одна из свободных молекул газа может случайно снова удариться о поверхность кристалла, прилипнуть к ней и удержаться вандерваальсовыми силами притяжения других молекул кристалла. Это явление называется конденсацией молекул газа.
Рис. 2.15. Равновесие между молекулами, испаряющимися с кристалла иода, и газообразными молекулами иода, осаждающимися на этом кристалле.
Скорость, с которой молекулы испаряются с поверхности кристалла, пропорциональна площади поверхности и не зависит сколько-нибудь значительно от давления окружающего газа; в то же время скорость, с которой молекулы газа ударяются о поверхность кристалла, пропорциональна площади поверхности, а также концентрации молекул в газовой фазе (числу молекул газа в единице объема).
Если несколько кристаллов иода поместить в колбу, которую затем закрыть и оставить стоять при комнатной температуре, то вскоре станет заметно, что газ в колбе приобрел фиолетовую окраску, свидетельствующую об испарении некоторого количества иода. Через определенное время интенсивность окраски газа перестает усиливаться и остается постоянной. Такое состояние достигается, когда концентрация молекул газа становится настолько большой, что скорость, с которой молекулы газа ударяются о поверхность кристалла и остаются на ней, точно равна скорости, с которой молекулы покидают поверхность кристалла. Соответствующее давление газа называется давлением насыщенного пара данного кристалла.
Такого рода устойчивое состояние представляет собой пример равновесия. Следует иметь в виду, что равновесие не представляет собой такого состояния, при котором ничего не происходит: это такое состояние, при котором реакции в прямом и обратном направлении идут с одинаковой скоростью, в результате чего общего изменения не наблюдается. Такое положение схематически показано на рис. 2.15.
* Как уже упоминалось в разд. 1.4, плотность вещества определяется как масса (вес) единицы объема данного вещества; в метрической системе плотность выражается в граммах на кубический сантиметр или в килограммах на кубический метр.
** Следует помнить, что диаметр куба с ребром в 1 дюйм равен одной десятой диаметра куба с ребром 10 дюймов, поверхность равна одной сотой, а объем — одной тысячной.