Молекулярно-кинетична теория (MKT)е доктрина, която обяснява топлинни явленияв макроскопичните тела и вътрешните свойства на тези тела от движението и взаимодействието на атомите, молекулите и йоните, от които са съставени телата. MCT структурата на материята се основава на три принципа:
- Материята се състои от частици – молекули, атоми и йони. Тези частици съдържат по-малки елементарни частици. Молекула – най-малката стабилна частица от това вещество. Молекулата има основни химични свойствавещества. Молекулата е границата на разделяне на веществото, тоест най-малката част от веществото, която е в състояние да поддържа свойствата на това вещество. Атомът е най-малката частицана този химичен елемент.
- Частиците, които изграждат материята, са в непрекъснато хаотично (безредно) движение.
- Частиците материя взаимодействат помежду си – привличат се и се отблъскват.
Тези основни положения се потвърждават експериментално и теоретично.
Състав на веществото
Съвременните инструменти позволяват да се наблюдават изображения на отделни атоми и молекули. С помощта на електронен микроскоп или йонен проектор (микроскоп) можете да изобразите отделни атоми и да оцените техните размери. Диаметърът на всеки атом е от порядъка на d = 10 -8 cm (10 -10 m). Размерите на молекулите са по-големи от размерите на атомите. Тъй като молекулите са изградени от няколко атома, колкото по-голям е броят на атомите в една молекула, толкова по-голям е нейният размер. Размерите на молекулите варират от 10 -8 cm (10 -10 m) до 10 -5 cm (10 -7 m).
Хаотично движение на частици
Непрекъснатото хаотично движение на частиците се потвърждава от Брауновото движение и дифузия. Случайното движение означава, че молекулите нямат предпочитани пътища и техните движения имат произволни посоки. Това означава, че всички посоки са еднакво вероятни.
дифузия(от латински diffusion - разпространение, разпространение) - явление, когато в резултат на топлинното движение на веществото възниква спонтанно проникване на едно вещество в друго (ако тези вещества влязат в контакт).
Взаимното смесване на веществата възниква поради непрекъснатото и произволно движение на атоми или молекули (или други частици) на веществото. С течение на времето дълбочината на проникване на молекулите на едно вещество в друго се увеличава. Дълбочината на проникване зависи от температурата: колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е скоростта на движение на частиците на веществото и толкова по-бърза е дифузията.
Дифузия се наблюдава във всички агрегатни състояния – в газове, течности и твърди вещества. Пример за дифузия в газове е разпространението на миризми във въздуха при липса на директно смесване. Дифузията в твърди вещества осигурява свързването на метали по време на заваряване, запояване, хромиране и др. Дифузията протича много по-бързо в газове и течности, отколкото в твърди вещества.
Съществуването на стабилни течни и твърди тела се обяснява с наличието на сили на междумолекулно взаимодействие (сили на взаимно привличане и отблъскване). Същите причини обясняват ниската свиваемост на течностите и способността на твърдите тела да устояват на деформации на натиск и опън.
Силите на междумолекулното взаимодействие са от електромагнитно естество - те са сили от електрически произход. Причината за това е, че молекулите и атомите се състоят от заредени частици с противоположни знаци на зарядите - електрони и положително заредени атомни ядра. Като цяло молекулите са електрически неутрални. По отношение на нейните електрически свойства, една молекула може приблизително да се разглежда като електрически дипол.
Силата на взаимодействие между молекулите има определена зависимост от разстоянието между молекулите. Тази зависимост е показана на фиг. 1.1. Тук са показани проекциите на силите на взаимодействие върху права линия, която минава през центровете на молекулите.
ориз. 1.1. Зависимост на междумолекулните сили от разстоянието между взаимодействащите атоми.
Както виждаме, когато разстоянието между молекулите r намалява, силата на привличане F r pr се увеличава (червена линия на фигурата). Както вече споменахме, силите на привличане се считат за отрицателни, следователно, когато разстоянието намалява, кривата се спуска надолу, тоест в отрицателната зона на графиката.
Силите на привличане действат, когато два атома или молекули се приближават един към друг, стига разстоянието r между центровете на молекулите да е в района на 10 -9 m (2-3 молекулни диаметъра). С увеличаването на това разстояние привличащите сили отслабват. Силите на привличане са сили с малък обсег.
Къде а– коефициент в зависимост от вида на силите на привличане и структурата на взаимодействащите молекули.
При по-нататъшно приближаване на атоми или молекули на разстояния между центровете на молекулите от порядъка на 10 -10 m (това разстояние е сравнимо с линейните размери на неорганичните молекули), силите на отблъскване F r от (синя линия на фиг. 1.1) се появяват. Тези сили се появяват поради взаимното отблъскване на положително заредените атоми в молекулата и намаляват с увеличаване на разстоянието r дори по-бързо от силите на привличане (както може да се види на графиката - синята линия клони към нулата по-„стръмно“ от червената ).
Къде b– коефициент в зависимост от вида на силите на отблъскване и структурата на взаимодействащите молекули.
На разстояние r = r 0 (това разстояние е приблизително равно на сумата от радиусите на молекулите) силите на привличане балансират силите на отблъскване и проекцията на получената сила F r = 0. Това състояние съответства на най- стабилно подреждане на взаимодействащи молекули.
Като цяло резултантната сила е:
За r > r 0 привличането на молекулите надвишава отблъскването за r;< r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.
Зависимостта на силите на взаимодействие между молекулите от разстоянието между тях качествено обяснява молекулярния механизъм на появата на еластични сили в твърдите тела.
При разтягане на твърдо тяло частиците се отдалечават една от друга на разстояния, по-големи от r 0 . В този случай се появяват притегателни сили на молекули, които връщат частиците в първоначалното им положение.
Когато твърдото тяло се компресира, частиците се приближават на разстояния, по-малки от разстоянието r 0 . Това води до увеличаване на отблъскващите сили, които връщат частиците в първоначалното им положение и предотвратяват по-нататъшното им компресиране.
Ако изместването на молекулите от равновесните позиции е малко, тогава силите на взаимодействие нарастват линейно с увеличаване на изместването. На графиката този сегмент е показан като дебела светлозелена линия.
Следователно при малки деформации (милиони пъти по-големи от размера на молекулите) се изпълнява законът на Хук, според който еластичната сила е пропорционална на деформацията. При големи премествания законът на Хук не важи.
Молекулярно-кинетичната теория е клон на физиката, който изучава свойствата на различни състояния на материята, въз основа на идеята за съществуването на молекули и атоми като най-малките частици материя. ИКТ се основават на три основни принципа: 1. Всички вещества са изградени от малки частици: молекули, атоми или йони. 2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чиято природа зависи от разстоянието между тях. Основните положения на ИКТ се потвърждават от много експериментални факти. Съществуването на молекули, атоми и йони е доказано експериментално, молекулите са достатъчно проучени и дори фотографирани с помощта на електронни микроскопи. Способността на газовете да се разширяват и заемат за неопределено време всичкиосигуреният от него обем се обяснява с непрекъснатото хаотично движение на молекулите. Еластичност газове,твърди вещества и течности, способността на течностите
овлажняването на някои твърди вещества, процесите на оцветяване, слепване, поддържане на формата от твърди вещества и много други показват съществуването на сили на привличане и отблъскване между молекулите. Феноменът на дифузия - способността на молекулите на едно вещество да проникват в пространствата между молекулите на друго - също потвърждава основните положения на MCT. Феноменът на дифузията обяснява, например, разпространението на миризми, смесването на различни течности и процеса на разтваряне твърди веществав течности, заваряване на метали чрез разтопяване или чрез натиск. Потвърждение за непрекъснатото хаотично движение на молекулите е и брауновото движение - непрекъснатото хаотично движение на микроскопични частици, неразтворими в течност.
Движението на брауновите частици се обяснява с хаотичното движение на течни частици, които се сблъскват с микроскопични частици и ги привеждат в движение. Експериментално е доказано, че скоростта на брауновите частици зависи от температурата на течността. Теорията за брауновото движение е разработена от А. Айнщайн. Законите за движението на частиците са статистически и вероятностни по природа. Има само един известен начин за намаляване на интензивността Брауново движение- понижаване на температурата. Наличието на Брауново движение убедително потвърждава движението на молекулите.
Следователно всяко вещество се състои от частици количество веществоОбщоприето е, че тя е пропорционална на броя на частиците, т.е. структурните елементи, съдържащи се в тялото, v.
Единицата за количество на веществото е бенка.къртица- това е количеството вещество, съдържащо същия брой структурни елементи на всяко вещество, колкото има атоми в 12 g въглерод C 12. Съотношението на броя на молекулите на веществото към количеството вещество се нарича Константата на Авогадро:
n a = N/v. на = 6,02 10 23 mol -1.
Константата на Авогадро показва колко атома и молекули се съдържат в един мол вещество. Моларната маса се наричастойност, равна на съотношението на масата на веществото към количеството вещество:
Моларната маса се изразява в kg/mol. Познавайки моларната маса, можете да изчислите масата на една молекула:
m 0 = m/N = m/vN A = M/N A
Обикновено се определя средната молекулна маса химични методи, константата на Авогадро е определена с висока точност чрез няколко физични метода. Масите на молекулите и атомите се определят със значителна степен на точност с помощта на масов спектрограф. Масите на молекулите са много малки. Например масата на водната молекула: t = 29,9 10 -27 кг.
Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса на Mr. Относителната моларна маса е стойност, равна на съотношението на масата на молекула на дадено вещество към 1/12 от масата на въглеродния атом С12. Ако е известно химическа формулавещество, то може да се определи с помощта на периодичната таблица относителна маса, което, изразено в килограми, показва моларната маса на това вещество.
2) Вибрационно движение на молекулите в природата и техниката. Хармонични вибрации. Амплитуда, период, честота и фаза на трептенията. Определете експериментално честотата на предложената трептителна система.
Механичните вибрации са движения на тела, които се повтарят точно или приблизително еднакви през равни интервали от време. Силите, действащи между телата в разглежданата система от тела, се наричат вътрешни сили. Силите, действащи върху телата на системата от други тела, се наричат външни сили. Безплатни вибрациинаричани трептения, възникнали под въздействието на вътрешни сили, например махало върху низ. Вибрациите под въздействието на външни сили са принудени трептения, например бутало в двигател. Общи признациВсички видове трептения са повторяемостта на процеса на движение след определен интервал от време. Трептенията, описани с уравнението, се наричат хармонични. По-специално, колебанията, които възникват в система с една възстановяваща сила, пропорционална на деформацията, са хармонични. Минималният интервал, през който се повтаря движението на тялото, се нарича период на трептене Т. Физическо количество, обратното на периода на трептене и характеризиращо броя на трептенията за единица време, се нарича честота. Честотата се измерва в херци, 1 Hz = 1 s -1. Използва се и концепцията за циклична честота, която определя броя на трептенията за 2p секунди. Големината на максималното изместване от равновесното положение се нарича амплитуда. Стойността под знака за косинус е фазата на трептене, j 0 е началната фаза на трептене. Производните също се променят хармонично, а общата механична енергия за произволно отклонение X(ъгъл, координата и т.н.) е равно на, където Аи IN– константи, определени от параметрите на системата. Чрез разграничаване на този израз и като се вземе предвид липсата на външни сили, е възможно да се запише това, от което идва.
Основни принципи на молекулярната кинетична теория(MKT)
и тях експериментална обосновка.
Цели на урока:
Образователни:
формулира основните положения на ИКТ;
разкриват научното и идеологическото значение на брауновското движение;
установи естеството на зависимостта на силите на привличане и отблъскване от разстоянието между молекулите; научете се да решавате проблеми с качеството;
Образователни:
развиват способността за прилагане на теоретичните знания на практика; наблюдателност, независимост; мислене на учениците чрез логика образователни дейности, способност за извличане на информация и правене на заключения
Образователни:продължават да формират идеи за единството и взаимосвързаността на природните явления.
Планирани резултати:
Знае: основните принципи на молекулярно-кинетичната теория и тяхната експериментална обосновка; концепции за дифузия, Брауново движение.
Умейте да: формулирате хипотези и да правите заключения, да решавате качествени проблеми.
Тип урок:урок - семинар, изучаване на нов материал
Наредби: 2 учебни часа
Цялостна методическа подкрепа: мултимедиен проектор, компютър, екран, чертежи, описващи експерименти, инструменти за експерименти.
Обяснителна бележка.
Класът е разделен на 3 групи по 4-5 човека. Всяка група получава задачата да подготви разказ за експерименталното обосноваване на една от разпоредбите на ИКТ. Ролите се разпределят помежду си независимо: един готви теоретичен материал, другото е презентация (или слайдове за интерактивна дъска), останалите подготвят експерименти. Тъй като материалът в общ контурМомчетата вече са запознати с него (в 7 клас) и задачата е напълно по силите им.
В рамките на една седмица всяка група трябва да изпълни своята задача.
По време на урока всяка група получава 20 минути за изказване.
След презентацията на момчетата (която се сваля от всички останали) има 5-минутна дискусия и отговори на въпроси от техните другари.
След това учителят задава въпроси (на всички, включително на творческата група)
В края на урока учителят обобщава резултатите и прави общи изводи
Представяне на учителя
Американският физик Рейман вярва, че „...Ако човечеството и плодовете на неговия труд изчезнат и се остави една фраза да остане за бъдещите поколения, тя ще бъде следната:
А) Материята се състои от частици;
Б) Частиците се движат;
B) Взаимодействат един с друг"
Всички вещества се състоят от частици: молекули, атоми, йони, между които има пространства.
1) Механично трошене (креда, пластилин)
2) Разтваряне на вещество (калиев перманганат, захар)
3) Смесването на различни течности (вода и алкохол) показва, че обемът на сместа е по-малък от общия обем, зает от двете течности, преди да бъдат смесени. Това може да се обясни с факта, че между молекулите на течностите има кухини и при смесване на течности молекулите на една от тях проникват в свободното пространство между молекулите на другата течност.
При нагряване телата се разширяват (разстоянията между молекулите се увеличават, но размерите на молекулите не се променят)
4) опит. Нагряваме стоманената топка, която, когато не е нагрята, спокойно преминава през стоманения пръстен. След нагряване топката се забива в пръстена. След като се охлади, топката пада в ринга.
5) Колбата, в която е поставена гумена запушалка със стъклена тръба, се монтира така, че краят на тръбата да се спусне във вода. Когато колбата се нагрее, въздухът в нея се разширява и започва да я напуска. Това може да се съди по мехурчетата, които се образуват в края на тръба, спусната във водата, откъсват се и изплуват. След като нагряването спре, водата в чашата ще започне да се издига през тръбата и ще изпълни колбата.
вход:Газовете, подобно на твърдите вещества, също увеличават обема си при нагряване и намаляват при охлаждане.
Примери за вещества, състоящи се от различен брой атоми:
1-атомни: инертни газове (He, Ne...); метали.
Аналгин-38 атома
Протеини - хиляди атоми
Полимери - десетки хиляди атоми
Каучук - 1/2 милиона атома
Молекулни размери. Молекулните размери са много малки (около 10 nm)
обем на една капка зехтин V=1mm² се разпространява върху площ от 0,6m²
дебелина на слоя h=V/S =1.7∙10^-7cm (около 6 молекули)
dмолекули= 10 пм
Брой молекули.Броят на молекулите дори в малък обем е огромен (например в един напръстник вода има около 1023 молекули)
Една капка вода m=1g заема обем V=1cm ³
Една молекула заема обем V0 ≈ d ³ ≈ 27∙10^-24cm ³
Брой молекули N=V/V0 = 3.7∙10^22
Маса на молекулите.
m0=m/N= 1g/3.7∙10^22≈ 27∙10-23 g м0 ≈10^ -26 кг
Относително молекулно тегло - в сравнение с 1/12 от масата на въглероден атом.
Мr= 12 м0 /мс
1 ядем = 1,66∙10^ -27 кг
Количество вещество
1 мол- количество вещество, което съдържа същия брой атоми (молекули) като 12 g въглерод.
Числото на АвогадроНА- броят на молекулите в 1 мол вещество.
НА= 6 , 02 ∙10 2 3
Количество веществоν - брой бенки ν = Н/ НА= м/ М
Моларна маса М- маса на 1 мол M = m0 НА(Определя се от периодичната таблица в g/mol)
Маса на 1 молекула m0 =М/НА
Кое добре известно устройство използва топлинното разширение на течности? (в термометър)
Дайте примери за топлинно разширение (увиснали проводници през лятото)
Защо остава празнина между релсите? (за да не се деформират при термично разширение през лятото)
II. Молекулите се движат произволно и непрекъснато
Експериментална обосновка: дифузия; Брауново движение.
дифузия- взаимно проникване на молекули на едно вещество между молекули на друго. Примери: разпространение на миризми; мариноване на зеленчуци и др.
Дифузията възниква поради хаотичното движение на молекулите. При нагряване скоростта на дифузия се увеличава, т.к нараства интензивността на случайното движение на молекулите. Не е трудно да се разбере, че привличането на молекулите предотвратява дифузията, така че дифузията в твърдите тела се извършва много бавно; За да го ускорите, трябва да загреете двете повърхности и да ги притиснете плътно една към друга. Дифузията - спонтанно смесване на веществата поради движението на молекулите - трябва да се разграничава от принудителното смесване на веществата. Когато разбъркваме захарта в чая с лъжица, това не е дифузия. Изглежда, че от скоростта на дифузия могат да се направят изводи за скоростите на молекулите. Минават часове, преди частиците калиев перманганат да се разпространят на няколко сантиметра във водата. Отнема няколко минути, за да усетите парфюма, разлят на разстояние няколко метра.
Брауново движение- движение на частици, причинено от сблъсъци на молекули Например: прашинки в неподвижен въздух. Причина за брауновото движение: ударите на молекулите не се компенсират.
Едно от първите преки доказателства за наличието на топлинно хаотично движение на частиците в материята е откритието през 1827 г. от английския ботаник Браун на така нареченото Брауново движение. Той се състои в това, че много малки (видими само през микроскоп) частици, суспендирани в течност, винаги са в състояние на непрекъснато хаотично движение, което не зависи от външни причини и се оказва проява на вътрешни движения в веществото. . Брауновото движение се причинява от удари, изпитвани от суспендирани частици от околните молекули, намиращи се в топлинно движение. Тези удари никога не се балансират точно един друг, така че под въздействието на ударите на молекулите средаскоростта на браунова частица непрекъснато и произволно се променя по големина и посока. Последна точкаТеорията за Брауновото движение, разработена от Айнщайн и Смолуховски през 1905 г. и експериментално потвърдена от Перин през 1912 г., допринесе за дебата за непрекъснатостта и дискретността на материята. Това явление е, че малките частици, суспендирани в течност или газ, се превръщат в неподредени молекули. Способността да се изследва движението на тези частици зависи значително от техния размер. Частиците, които са твърде големи, могат само да вибрират; частиците, които са твърде малки, се движат почти толкова бързо, колкото молекулите и са трудни за наблюдение. Размерите на брауновите частици са хиляди пъти по-големи от размерите на молекулите, така че те се виждат в обикновен микроскоп и е удобно да се наблюдават техните скокове. Ясно е, че при нагряване интензивността на брауновото движение се увеличава. Скоростта на движение е свързана с температурата.
Суров опит (1920)
Ако цилиндрите са неподвижни, тогава атомите се озовават в точка n.
Когато цилиндрите се въртят със скорост ω, атомите се озовават в точка n1. Тъй като скоростите на атомите не са еднакви, ивицата е замъглена.
Времето, необходимо на една молекула да измине разстоянието ℓ, е равно на времето, необходимо на диск 2 да се завърти под ъгъл α.
Скоростта на сребърните молекули е 600 m/s.
Разпределение на молекулните скорости
Графика на разпределението на молекулите по скорост. Английски физик Дж. Максуел и австрийски физик Л. Болцман. Кривата на разпределение на Максуел съответства на резултатите, получени в експеримента на Стърн. Броят на частиците със скорости в интервала Dυ е равен на DN, υ е една от скоростите на този интервал. От графиката се вижда, че броят на частиците със скорости в равни интервали Dυ1 и Dυ2 е различен. Скоростта, около която се намират най-„населените“ интервали, е най-вероятната скорост на топлинно движение на молекулите.
υнв най-вероятната скорост; υср средна скорост
∆N - брой молекули със скорост в диапазона от υ + ∆υ; ∆υ = υ ∆α / α
OSнови открития
1. Разпределението на скоростите има определен модел.
2. Сред газовите молекули има както много бързи, така и много бавни молекули.
3. Разпределението на молекулите по скорост зависи от температурата.
4. Колкото по-голямо е T, толкова повече максимумът на кривата на разпределение се измества към по-високи скорости.
6) Пръскат дезодорант и всички в класа го усещат.
7 ) В колбата се поставят парчета хартия, навлажнени с фенолфталеин, вещество, което става оранжево, когато се комбинира с амоняк. Това свойство на фенолфталеина да служи като индикатор за наличието на амоняк се демонстрира предварително върху отделен лист хартия, навлажнен с това вещество. След това на гърлото на колбата се фиксира памучна вата с амоняк. След известно време парчета хартия, напоени с фенолфталеин, стават оранжеви.
8) Оцветяване на вода с калиев перманганат
В различните състояния на агрегиране естеството на това движение е различно:
В твърдите тела молекулите вибрират близо до равновесни позиции; твърди вещества
запазват формата и обема си (трудно се деформират);
В течностите молекулите вибрират почти по същия начин, както в твърдите тела, но самите те
равновесните позиции непрекъснато се движат (молекулите на течността са
"номади"); течностите имат ограничен обем и са слабо свиваеми;
В газовете молекулите се движат свободно и хаотично; газ отнема
целия предоставен му обем.
Благодарение на разликата в молекулярна структуравещества, открити в различни
състояния на агрегиране, се държат по различен начин. И така, при същите температури
дифузията в газове се извършва десетки хиляди пъти по-бързо, отколкото в течности, и
милиарди пъти по-бързо, отколкото в твърди вещества.
Защо скоростта на дифузия в газовете е толкова ниска, ако молекулите имат толкова високи скорости?
Обяснете процеса на заваряване на метали чрез стопяването им или чрез прилагане на натиск
Обяснете промяната в плътността на земната атмосфера с надморска височина. (Дифузия на газ в гравитационно поле)
III Молекулите си взаимодействат.
Молекулите взаимодействат една с друга: между тях съществуват сили на отблъскване и привличане, които бързо намаляват с увеличаване на разстоянията между молекулите. Естеството на тези сили е електромагнитно. Силите на привличане предотвратяват изпаряването на течността и разтягането на твърдото тяло.
Когато се опитваме да компресираме твърдо или течно тяло, изпитваме значителни отблъскващи сили.
Привличането на молекулите е лесно да се провери чрез наблюдение на експерименти, свързани с повърхностното напрежение и омокрянето.
9) Компресия и разтягане на тела (пружина)
10) Свързване на стоманени цилиндри
11) Експериментирайте с чинии и вода (Намокрете две стъклени чинии и ги притиснете една към друга. След това опитайте да ги разкачите, като използвате известно усилие за това).
12) Феномен на немокрене Монета, намазана с масло, плува на повърхността на водата
13) Капилярни явления - покачване на оцветена вода в капилярите
Обяснете действието на лепилото.
Представете си:
какво би се случило, ако нямаше сили на привличане между молекулите?
какво би станало, ако нямаше сили на отблъскване между молекулите?
03.02.2015
Урок 39 (10. клас)
Предмет. Основни принципи на MCT структурата на материята и нейното експериментално обосноваване
1. Цели на курса молекулярна физикаи МКТ; макро- и микротела
Първо, нека си спомним всички предишни раздели на физиката, които изучавахме, и разберем, че през цялото това време разглеждахме процесите, протичащи с макроскопични тела (или обекти на макрокосмоса). Сега ще проучим тяхната структура и процесите, протичащи в тях.
Определение. Макроскопично тяло- тяло, състоящо се от голям бройчастици. Например: кола, човек, планета, билярдна топка...
Микроскопично тяло -тяло, състоящо се от една или повече частици. Например: атом, молекула, електрон... (фиг. 1)
ориз. 1. Примери съответно за микро- и макрообекти
След като по този начин определихме предмета на изучаване на курса MCT, сега трябва да говорим за основните цели, които курсът MCT си поставя, а именно:
1. Изследване на процеси, протичащи вътре в макроскопично тяло (движение и взаимодействие на частици)
2. Свойства на телата (плътност, маса, налягане (за газове)…)
3. Изследване на топлинни явления (нагряване-охлаждане, промени агрегатни състояниятяло)
Проучването на тези въпроси, което ще се проведе в цялата тема, сега ще започне с факта, че ще формулираме така наречените основни положения на ИКТ, тоест някои твърдения, чиято истина отдавна е извън съмнение, и, започвайки от което ще бъде изграден целият по-нататъшен курс.
Нека ги разгледаме един по един:
2. Първото основно положение на ИКТ; молекули, атоми
Всички вещества са изградени от голямо количествочастици – молекули и атоми.
Определение. атом- най-малката частица от химичен елемент. Размерите на атомите (диаметърът им) са от порядъка на cm. Заслужава да се отбележи, че за разлика от молекулите има сравнително малко различни видове атоми. Всички техни разновидности, които в момента са известни на човека, са събрани в така наречената периодична таблица (виж фиг. 2)
ориз. 2. Периодична таблица химически елементи(по същество разновидности на атоми) Д. И. Менделеев
Молекула– структурна единица на материята, състояща се от атоми. За разлика от атомите, те са по-големи и по-тежки и най-важното е, че имат огромно разнообразие.
Нарича се вещество, чиито молекули се състоят от един атом атомен, от по-голям брой – молекулярно. Например: кислород, вода, трапезна сол () - молекулярна; хелий сребро (He, Ag) – атом. 
Освен това трябва да се разбере, че свойствата на макроскопичните тела ще зависят не само от количествените характеристики на техния микроскопичен състав, но и от качествения.
Ако в структурата на атомите дадено вещество има определена геометрия ( кристална решетка ), или, напротив, не, тогава тези тела ще имат различни свойства. Например аморфните тела нямат строга точка на топене. Най-известният пример е аморфен графит и кристален диамант. И двете вещества са изградени от въглеродни атоми.
ориз. 3. Графит и съответно диамант
По този начин, „от колко атома и молекули се състои материята, в каква относителна подредба и какъв вид атоми и молекули?“ - първият въпрос, отговорът на който ще ни доближи до разбирането на свойствата на телата.
3. Втората основна разпоредба на ИКТ
Всички частици са в непрекъснато топлинно хаотично движение.
Точно както в примерите, разгледани по-горе, важно е да се разберат не само количествените аспекти на това движение, но и качествените за различни вещества.
Молекулите и атомите на твърдите тела претърпяват само леки вибрации спрямо постоянното им положение; течност - също вибрират, но поради големия размер на междумолекулното пространство понякога сменят местата си един с друг; Частиците газ от своя страна се движат свободно в пространството, без практически да се сблъскват.
4. Третата основна разпоредба на ИКТ
Частиците взаимодействат една с друга.
Това взаимодействие е електромагнитно по природа (взаимодействие между ядрата и електроните на атома) и действа в двете посоки (както привличане, така и отблъскване).
Тук: d– разстояние между частиците; а– размер на частиците (диаметър).
Понятието „атом“ е въведено за първи път от древногръцкия философ и естествен учен Демокрит (фиг. 4). В по-късен период руският учен Ломоносов активно се чуди за структурата на микросвета (фиг. 5).
ориз. 4. Демокрит Фиг. 5. Ломоносов
5. Различни варианти за обосновка на разпоредбите на ILC
Като начало, нека си припомним основните разпоредби на ИКТ, а именно:
1. Всички тела се състоят от малки частици - молекули и атоми,
2. Тези частици са в постоянно хаотично движение,
3. Тези частици непрекъснато взаимодействат една с друга.
И така, как можем да получим експериментално потвърждение на тези твърдения? Всъщност всеки човек без изключение е запознат с един от методите. Това е дифузия или смесване, казано с прости думи.
Определение. дифузия– процес на взаимно проникване на молекули на едно вещество в пространството между молекулите на друго (фиг. 6).
ориз. 6. Процесът на дифузия в газовете
Дифузия може да възникне както в газове (можем да наблюдаваме този процес, като усетим разпространението на миризми), в течности (смесване на оцветена вода различни цветове) и дори в твърди тела (ако много гладки листове стъкло или метал се поставят един върху друг за дълго време, ще бъде невъзможно да се различи къде свършва един лист и започва друг). Освен това има и смесена дифузия, тоест проникване на газови молекули в твърди и течни тела (в противен случай рибите във водата не биха могли да дишат) и т.н. (фиг. 7)
ориз. 7. различни примеридифузия
Наистина, ако приемем, че материята е някаква непрекъсната структура, става напълно неясно как да обясним всички гореспоменати явления.
Въпреки това, основният аргумент при обяснението на основните положения на MKT е Брауновото движение.
6. Описание на експеримента на Браун
Определение. Брауново движение– непрекъснато топлинно хаотично движение на молекулите на материята (фиг. 8).
Този термин се използва, след като през 1827 г. шотландският ботаник Робърт Браун, смесвайки прашеца на плувците с вода и изследвайки капка от сместа под микроскоп, наблюдава гореспоменатото движение.
ориз. 8. Траектория на частиците по време на Брауново движение
7. Обяснение на опита на Браун
Но тъй като Браун можеше да изследва поленовите частици само през микроскоп, той тълкува откритието си неправилно (мислеше, че прашецът е жив). Брауновото движение може да се обясни само въз основа на молекулярно-кинетична теория.
Причината за брауновото движение на частица е, че ударите на течните молекули върху частицата не се компенсират взаимно.
Фигура 8.4 схематично показва позицията на една браунова частица и най-близките до нея молекули. Когато молекулите се движат произволно, импулсите, които те предават на Браунова частица, например отляво и отдясно, не са еднакви. Следователно резултантната сила на натиск на течните молекули върху браунова частица е различна от нула. Тази сила предизвиква промяна в движението на частицата.
ориз. 9. Браунова поленова частица във вода
Средното налягане има определена стойност както в газ, така и в течност. Но винаги има малки случайни отклонения от тази средна стойност. Колкото по-малка е повърхността на тялото, толкова по-забележими са относителните промени в действащата сила на натиск дадена площ. Така например, ако зоната има размер от порядъка на няколко диаметъра на молекулата, тогава силата на натиск, действаща върху нея, се променя рязко от нула до определена стойност, когато молекулата удари тази област.
Изграждането на теорията за Брауновото движение и нейното експериментално потвърждение от френския физик Ж. Перин окончателно завърши победата на молекулярно-кинетичната теория. Почти век по-късно немският физик Алберт Айнщайн (1879-1955) осъзнава, че голяма частица цветен прашец просто се избутва от много по-малки водни молекули, които самите вече се движат хаотично (фиг. 9).
Подобни наблюденияможе да се направи по много други начини: пуснете боя във вода и погледнете сместа под микроскоп, наблюдавайте отделна прашинка, която се движи във вашия апартамент...
8. Доказателство на основните точки
По този начин наличието на брауново движение напълно потвърждава въведените разпоредби на MKT. Самият факт на движение на полените ги потвърждава. Тъй като прашецът се движи, това означава, че върху него действат сили. Единствената възможна причина за възникването на тези сили е сблъсък на някакви малки тела. Следователно вече не е възможно да се поставят под съмнение първите две разпоредби. И тъй като поленовата частица променя посоката си, това означава, че в различни моменти броят на ударите върху прашеца от определена страна е различен, което означава, че няма съмнение, че водните молекули взаимодействат помежду си.
Брауновото движение е топлинно движение и то не може да спре. С повишаване на температурата интензивността му се увеличава. Фигура 8.3 показва диаграма на движението на брауновите частици. Позициите на частиците, отбелязани с точки, се определят на равни интервали от 30 s. Тези точки са свързани с прави линии. В действителност траекторията на частиците е много по-сложна.
Брауновото движение може да се наблюдава и в газа. Причинява се от частици прах или дим във въздуха. Немският физик Р. Пол (1884-1976) колоритно описва Брауновото движение: „Малко явления са способни да пленят наблюдателя толкова, колкото Брауновото движение. Тук на наблюдателя е позволено да погледне зад кулисите
какво се случва в природата. Отваря се пред него нов свят- нон-стоп суета от огромен брой частици. Най-малките частици бързо летят през зрителното поле на микроскопа, като почти моментално променят посоката на движение. По-големите частици се движат по-бавно, но също така постоянно променят посоката на движение. Големите частици практически се смачкват на място. Техните издатини ясно показват въртенето на частиците около оста си, което постоянно променя посоката си в пространството. Никъде няма следа от система или ред. Доминирането на сляпата случайност – това е силното, непреодолимо впечатление, което тази картина прави на наблюдателя.“ В момента концепцията Брауново движениеизползвани в по-широк смисъл. Например Брауновото движение е вибрацията на стрелките на чувствителните измервателни уреди, която възниква поради топлинното движение на атомите на частите на инструмента и околната среда.
Експериментите на Перин.Идеята на експериментите на Перин е следната.
Известно е, че концентрацията на газови молекули в атмосферата намалява с надморската височина. Ако нямаше топлинно движение, тогава всички молекули щяха да паднат на Земята и атмосферата щеше да изчезне. Но ако нямаше привличане към Земята, тогава поради топлинно движение молекулите биха напуснали Земята, тъй като газът е способен на неограничено разширяване. В резултат на действието на тези противоположни фактори се установява определено разпределение на молекулите по височина, както беше споменато по-горе, т.е. концентрацията на молекулите намалява доста бързо с височината. Освен това, колкото по-голяма е масата на молекулите, толкова по-бързо тяхната концентрация намалява с височината.
Брауновите частици участват в топлинното движение. Тъй като тяхното взаимодействие е пренебрежимо малко, събирането на тези частици в газ или течност може да се разглежда като идеален газ от много тежки молекули. Следователно концентрацията на брауновите частици в газ или течност в гравитационното поле на Земята трябва да намалява по същия закон, както концентрацията на газовите молекули. Този закон е известен.
Перин, използвайки микроскоп с голямо увеличение и малка дълбочина на рязкост (плитка дълбочина на рязкост), наблюдава Браунови частици в много тънки слоеве течност. Изчислявайки концентрацията на частици на различни височини, той установява, че тази концентрация намалява с височината по същия закон като концентрацията на газовите молекули. Разликата е, че поради голямата маса на брауновите частици, намаляването става много бързо.
Освен това, преброяването на брауновите частици на различни височини позволи на Перин да определи константата на Авогадро, използвайки напълно нов метод. Стойността на тази константа съвпада с известната.
Всички тези факти показват правилността на теорията за Брауновото движение и съответно, че Брауновите частици участват в топлинното движение на молекулите.
Молекулярно-кинетичната теория е клон на физиката, който изучава свойствата на различни състояния на материята, въз основа на идеята за съществуването на молекули и атоми като най-малките частици материя. ИКТ се основава на три основни принципа:
1. Всички вещества се състоят от малки частици: молекули, атоми или йони.
2. Тези частици са в непрекъснато хаотично движение, чиято скорост определя температурата на веществото.
3. Между частиците съществуват сили на привличане и отблъскване, чийто характер зависи от разстоянието между тях.
Основните положения на ИКТ се потвърждават от много експериментални факти. Съществуването на молекули, атоми и йони е доказано експериментално, молекулите са достатъчно проучени и дори фотографирани с помощта на електронни микроскопи. Способността на газовете да се разширяват неограничено и да заемат целия предоставен им обем се обяснява с непрекъснатото хаотично движение на молекулите. Еластичността на газовете, твърдите тела и течностите, способността на течностите да намокрят някои твърди тела, процесите на оцветяване, слепване, запазване на формата от твърдите тела и много други показват съществуването на сили на привличане и отблъскване между молекулите. Феноменът на дифузия - способността на молекулите на едно вещество да проникват в пространствата между молекулите на друго - също потвърждава основните положения на MCT. Феноменът на дифузията обяснява например разпространението на миризми, смесването на различни течности, процеса на разтваряне на твърди вещества в течности и заваряването на метали чрез стопяване или чрез натиск. Потвърждение за непрекъснатото хаотично движение на молекулите е и брауновото движение - непрекъснатото хаотично движение на микроскопични частици, неразтворими в течност.
Движението на брауновите частици се обяснява с хаотичното движение на течни частици, които се сблъскват с микроскопични частици и ги привеждат в движение. Експериментално е доказано, че скоростта на брауновите частици зависи от температурата на течността. Теорията за брауновото движение е разработена от А. Айнщайн. Законите за движението на частиците са статистически и вероятностни по природа. Има само един известен начин за намаляване на интензивността на Брауновото движение - намаляване на температурата. Наличието на Брауново движение убедително потвърждава движението на молекулите.
Всяко вещество се състои от частици, следователно количеството вещество v се счита за пропорционално на броя на частиците, т.е. структурните елементи, съдържащи се в тялото.
Единицата за количество на веществото е молът. Един мол е количеството вещество, съдържащо същия брой структурни елементи на всяко вещество, колкото има атоми в 12 g C12 въглерод. Съотношението на броя на молекулите на веществото към количеството вещество се нарича константа на Авогадро:
Константата на Авогадро показва колко атома и молекули се съдържат в един мол вещество. Моларната маса е масата на един мол вещество, равна на съотношението на масата на веществото към количеството на веществото:
Моларната маса се изразява в kg/mol. Познавайки моларната маса, можете да изчислите масата на една молекула:
Средната маса на молекулите обикновено се определя чрез химически методи; константата на Авогадро е определена с висока точност от няколко чрез физични методи. Масите на молекулите и атомите се определят със значителна степен на точност с помощта на масспектрограф.
Масите на молекулите са много малки. Например масата на водната молекула:
Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса на Mg. Относителното молекулно тегло е стойност, равна на съотношението на масата на молекула на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом C12. Ако е известна химичната формула на веществото, тогава с помощта на периодичната таблица може да се определи неговата относителна маса, която, изразена в килограми, показва стойността моларна масаот това вещество.