Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
При дуже низьких температурах молекули в кристалі йоду перебувають на своїх місцях майже в повному спокої (рис. 2.11). З підвищенням температури молекули стають дедалі рухливішими; вони все інтенсивніше переміщуються в тісному просторі між сусідніми молекулами й зіштовхуються з ними все енергійніше.
Молекула на поверхні кристала утримується силами притягання, які чинять на неї сусідні молекули. Такого роду сили, що діють між усіма молекулами, які перебувають на близьких відстанях, називаються ван-дер-ваальсовими силами притягання; ця назва походить від прізвища нідерландського фізика Я. Д. Ван-дер-Ваальса (1837—1923), який уперше ґрунтовно розглянув міжмолекулярні сили у зв'язку з вивченням природи газів і рідин.
Ці сили притягання вкрай слабкі, набагато слабші за сили, що діють між атомами всередині молекули. Тому та чи інша молекула випадково може виявитися достатньо збудженою, щоб відірватися від сусідніх молекул і вилетіти в навколишній простір. Якщо кристал йоду помістити в посудину, то незабаром у цій посудині завдяки процесові випаровування опиниться безліч вільних молекул, причому кожна рухатиметься по прямій, доки випадково не зіткнеться з іншою молекулою чи зі стінками посудини і не змінить напрямку свого руху. Ці вільні молекули утворюють пару йоду або газоподібний йод (рис. 2.11). Молекули газоподібного йоду дуже схожі на молекули, що утворюють кристал; міжатомні відстані в них практично залишаються тими самими, але відстані між молекулами газу в багато разів більші за відстані між молекулами в кристалі.
Може здатися несподіваним, що молекули, які перебувають на поверхні кристала, випаровуються і переходять безпосередньо в газ, минаючи стадію перебування в рідкому шарі; але насправді процес повільного випаровування кристалічних речовин аж ніяк не є незвичайним. Тверді шматочки камфори чи нафталіну (у тому вигляді, в якому його застосовують, наприклад, як засіб проти молі), залишені на повітрі, повільно зменшуються в розмірі саме внаслідок випаровування молекул з поверхні твердої речовини. Сніг може зникнути з ґрунту не внаслідок танення, а внаслідок випаровування кристалів льоду при температурі нижче від температури його плавлення. Випаровування прискорюється у вітряну погоду, коли водяні пари відносяться від кристалів снігу і таким чином запобігають зворотній конденсації їх на кристалах.
Характерна особливість газу полягає в тому, що його молекули не утримуються разом, а вільно рухаються в об'ємі, значно більшому за об'єм самих молекул. Сили притягання між молекулами виявляються щоразу, коли молекули близько підходять одна до одної, однак звичайно ці сили нікчемно малі, оскільки молекули перебувають на великих відстанях одна від одної.
Дана кількість газу не має ні певного об'єму, ні певної форми саме тому, що молекули газу рухаються вільно. Газ набуває форми посудини, в якій він перебуває.
При звичайному тиску гази перебувають у дуже розрідженому стані: молекули становлять приблизно одну тисячну загального об'єму газу, а решта об'єму залишається незаповненою. Так, 1 г твердого йоду займає об'єм, що дорівнює приблизно 0,2 см3 (густина* твердого йоду 4,93 г·см-3), тоді як 1 г газоподібного йоду при тиску 1 атм і температурі 184 °C (його температура кипіння) займає об'єм 148 см3, тобто приблизно в 700 разів більший. Звідси випливає, що при звичайному тиску власний об'єм усіх молекул газу дуже малий порівняно з об'ємом, який займає газ. Водночас діаметр молекули ненабагато менший за відстань між молекулами; у газі, що перебуває при кімнатній температурі й тиску 1 атм, середня відстань між двома сусідніми молекулами приблизно в 10 разів перевищує діаметр самих молекул (рис. 2.11)**.
Тиск насиченої пари над кристалами
Кристал йоду в евакуйованій посудині поступово переходитиме в газоподібний стан унаслідок випаровування молекул з його поверхні. Одна з вільних молекул газу може випадково знову вдаритися об поверхню кристала, прилипнути до неї й утриматися ван-дер-ваальсовими силами притягання інших молекул кристала. Це явище називається конденсацією молекул газу.
Рис. 2.15. Рівновага між молекулами, що випаровуються з кристала йоду, і газоподібними молекулами йоду, які осаджуються на цьому кристалі.
Швидкість, з якою молекули випаровуються з поверхні кристала, пропорційна площі поверхні й не залежить скільки-небудь значно від тиску навколишнього газу; водночас швидкість, з якою молекули газу вдаряються об поверхню кристала, пропорційна площі поверхні, а також концентрації молекул у газовій фазі (числу молекул газу в одиниці об'єму).
Якщо кілька кристалів йоду помістити в колбу, яку потім закрити й залишити стояти при кімнатній температурі, то незабаром стане помітно, що газ у колбі набув фіолетового забарвлення, яке свідчить про випаровування деякої кількості йоду. Через певний час інтенсивність забарвлення газу перестає посилюватися й залишається сталою. Такого стану досягається, коли концентрація молекул газу стає настільки великою, що швидкість, з якою молекули газу вдаряються об поверхню кристала й залишаються на ній, точно дорівнює швидкості, з якою молекули залишають поверхню кристала. Відповідний тиск газу називається тиском насиченої пари даного кристала.
Такий стійкий стан є прикладом рівноваги. Слід мати на увазі, що рівновага не є таким станом, при якому нічого не відбувається: це такий стан, при якому реакції в прямому й зворотному напрямку йдуть з однаковою швидкістю, внаслідок чого загальної зміни не спостерігається. Таке положення схематично показано на рис. 2.15.
* Як уже згадувалося в підрозд. 1.4, густина речовини визначається як маса (вага) одиниці об'єму даної речовини; в метричній системі густина виражається в грамах на кубічний сантиметр або в кілограмах на кубічний метр.
** Слід пам'ятати, що діаметр куба з ребром в 1 дюйм дорівнює одній десятій діаметра куба з ребром 10 дюймів, поверхня дорівнює одній сотій, а об'єм — одній тисячній.