Teoria cinetică moleculară (MKT) este o doctrină care explică fenomene termiceîn corpurile macroscopice și proprietățile interne ale acestor corpuri prin mișcarea și interacțiunea atomilor, moleculelor și ionilor din care sunt compuse corpurile. Structura MCT a materiei se bazează pe trei principii:
- Materia este formată din particule - molecule, atomi și ioni. Aceste particule conțin mai mici particule elementare. Moleculă - cea mai mică particulă stabilă a acestei substante. Molecula are bazică proprietăți chimice substante. O moleculă este limita de diviziune a unei substanțe, adică cea mai mică parte a unei substanțe care este capabilă să mențină proprietățile acestei substanțe. Atomul este cea mai mică particulă a acestui element chimic.
- Particulele care alcătuiesc materia se află într-o mișcare haotică (dezordonată) continuă.
- Particulele de materie interacționează între ele - se atrag și se resping.
Aceste prevederi de bază sunt confirmate experimental și teoretic.
Compoziția substanței
Instrumentele moderne fac posibilă observarea imaginilor unor atomi și molecule individuali. Folosind un microscop electronic sau un proiector de ioni (microscop), puteți imagina atomi individuali și estima dimensiunile acestora. Diametrul oricărui atom este de ordinul lui d = 10 -8 cm (10 -10 m). Moleculele sunt mai mari decât atomii. Deoarece moleculele sunt formate din mai mulți atomi, cu cât numărul de atomi dintr-o moleculă este mai mare, cu atât este mai mare dimensiunea acesteia. Dimensiunile moleculelor variază de la 10 -8 cm (10 -10 m) la 10 -5 cm (10 -7 m).
Mișcarea haotică a particulelor
Mișcarea haotică continuă a particulelor este confirmată de mișcarea browniană și difuzie. Mișcarea aleatorie înseamnă că moleculele nu au căi preferate și mișcările lor au direcții aleatorii. Aceasta înseamnă că toate direcțiile sunt la fel de probabile.
Difuzia(din latinescul difuzie - răspândire, răspândire) - fenomen în care, ca urmare a mișcării termice a unei substanțe, are loc pătrunderea spontană a unei substanțe în alta (dacă aceste substanțe sunt în contact).
Amestecarea reciprocă a substanțelor are loc datorită mișcării continue și aleatorii a atomilor sau moleculelor (sau a altor particule) substanței. În timp, adâncimea de penetrare a moleculelor unei substanțe în alta crește. Adâncimea de penetrare depinde de temperatură: cu cât temperatura este mai mare, cu atât viteza de mișcare a particulelor substanței este mai mare și difuzia are loc mai rapid.
Difuzia se observă în toate stările materiei - în gaze, lichide și solide. Un exemplu de difuzie în gaze este răspândirea mirosurilor în aer în absența amestecării directe. Difuzia în solide asigură îmbinarea metalelor în timpul sudării, lipirii, cromării etc. Difuzia are loc mult mai rapid în gaze și lichide decât în solide.
Existența unor corpuri lichide și solide stabile se explică prin prezența forțelor de interacțiune intermoleculară (forțe de atracție și repulsie reciprocă). Aceleași motive explică compresibilitatea scăzută a lichidelor și capacitatea solidelor de a rezista la deformații la compresiune și la tracțiune.
Forțele interacțiunii intermoleculare sunt de natură electromagnetică - sunt forțe de origine electrică. Motivul pentru aceasta este că moleculele și atomii constau din particule încărcate cu semne opuse de sarcini - electroni și încărcate pozitiv nuclee atomice. În general, moleculele sunt neutre din punct de vedere electric. Pe baza proprietăților sale electrice, o moleculă poate fi considerată aproximativ ca un dipol electric.
Forța de interacțiune dintre molecule are o anumită dependență de distanța dintre molecule. Această dependență este prezentată în Fig. 1.1. Aici sunt prezentate proiecțiile forțelor de interacțiune pe o linie dreaptă care trece prin centrele moleculelor.
Orez. 1.1. Dependența forțelor intermoleculare de distanța dintre atomii care interacționează.
După cum vedem, pe măsură ce distanța dintre moleculele r scade, forța de atracție F r pr crește (linia roșie în figură). După cum sa menționat deja, forțele de atracție sunt considerate negative, prin urmare, pe măsură ce distanța scade, curba coboară, adică în zona negativă a graficului.
Forțele atractive acționează pe măsură ce doi atomi sau molecule se apropie unul de celălalt, atâta timp cât distanța r dintre centrele moleculelor este în regiunea de 10 -9 m (2-3 diametre moleculare). Pe măsură ce această distanță crește, forțele de atracție slăbesc. Forțele atractive sunt forțe cu rază scurtă de acțiune.
Unde o– coeficient în funcție de tipul forțelor de atracție și de structura moleculelor care interacționează.
Odată cu apropierea suplimentară a atomilor sau moleculelor la distanțe între centrele moleculelor de ordinul a 10 -10 m (această distanță este comparabilă cu dimensiunile liniare ale moleculelor anorganice), apar forțele de repulsie Fr de la (linia albastră din Fig. 1.1). . Aceste forțe apar datorită respingerii reciproce a atomilor încărcați pozitiv din moleculă și scad odată cu creșterea distanței r chiar mai repede decât forțele de atracție (după cum se poate observa pe grafic - linia albastră tinde să se zero mai „abrupt” decât cea roșie ).
Unde b– coeficient în funcție de tipul forțelor de respingere și de structura moleculelor care interacționează.
La o distanță r = r 0 (această distanță este aproximativ egală cu suma razelor moleculelor), forțele de atracție echilibrează forțele de respingere, iar proiecția forței rezultate F r = 0. Această stare corespunde celei mai aranjarea stabilă a moleculelor care interacționează.
În general, forța rezultată este:
Pentru r > r 0, atracția moleculelor depășește repulsia pentru r< r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.
Dependența forțelor de interacțiune dintre molecule de distanța dintre ele explică calitativ mecanismul molecular al apariției forțelor elastice în solide.
Când un corp solid este întins, particulele se îndepărtează unele de altele la distanțe care depășesc r 0 . În acest caz, apar forțe atractive ale moleculelor, care readuc particulele în poziția lor inițială.
Când un corp solid este comprimat, particulele se apropie unele de altele la distanțe mai mici decât distanța r 0 . Acest lucru duce la o creștere a forțelor de respingere, care readuc particulele în poziția inițială și previn comprimarea ulterioară.
Dacă deplasarea moleculelor din pozițiile de echilibru este mică, atunci forțele de interacțiune cresc liniar odată cu creșterea deplasării. Pe grafic, acest segment este prezentat ca o linie groasă, verde deschis.
Prin urmare, la deformații mici (de milioane de ori mai mari decât dimensiunea moleculelor) este îndeplinită legea lui Hooke, conform căreia forța elastică este proporțională cu deformația. La deplasări mari, legea lui Hooke nu se aplică.
Teoria cinetică moleculară este o ramură a fizicii care studiază proprietățile diferitelor stări ale materiei, bazându-se pe ideea existenței moleculelor și atomilor ca cele mai mici particule de materie. TIC se bazează pe trei principii principale: 1. Toate substanțele sunt formate din particule minuscule: molecule, atomi sau ioni. 2. Aceste particule se află în mișcare haotică continuă, a căror viteză determină temperatura substanței.3. Între particule există forțe de atracție și repulsie, a căror natură depinde de distanța dintre ele. Principalele prevederi ale TIC sunt confirmate de multe fapte experimentale. Existența moleculelor, atomilor și ionilor a fost dovedită experimental, moleculele au fost suficient studiate și chiar fotografiate cu ajutorul microscoapelor electronice. Capacitatea gazelor de a se extinde și de a ocupa pe termen nelimitat toate volumul oferit de acesta se explică prin mișcarea haotică continuă a moleculelor. Elasticitate gaze, solide și lichide, capacitatea lichidelor
umezirea unor solide, procesele de colorare, lipire, menținere a formei de către solide și multe altele indică existența unor forțe de atracție și respingere între molecule. Fenomenul de difuzie - capacitatea moleculelor unei substanțe de a pătrunde în spațiile dintre moleculele alteia - confirmă, de asemenea, principalele prevederi ale MCT. Fenomenul de difuzie explică, de exemplu, răspândirea mirosurilor, amestecarea lichidelor diferite și procesul de dizolvare. solideîn lichide, sudarea metalelor prin topire sau prin presiune. Confirmarea mișcării haotice continue a moleculelor este și mișcarea browniană - mișcarea haotică continuă a particulelor microscopice insolubile în lichid.
Mișcarea particulelor browniene este explicată prin mișcarea haotică a particulelor lichide care se ciocnesc de particule microscopice și le pun în mișcare. S-a dovedit experimental că viteza particulelor browniene depinde de temperatura lichidului. Teoria mișcării browniene a fost dezvoltată de A. Einstein. Legile mișcării particulelor sunt de natură statistică și probabilistică. Există o singură modalitate cunoscută de a reduce intensitatea Mișcarea browniană- scaderea temperaturii. Existența mișcării browniene confirmă în mod convingător mișcarea moleculelor.
Prin urmare, orice substanță constă din particule cantitatea de substanta Este în general acceptat că este proporțional cu numărul de particule, adică elementele structurale conținute în corp, v.
Unitatea de măsură a unei substanțe este mol.Mol- aceasta este cantitatea de substanță care conține același număr de elemente structurale ale oricărei substanțe ca și atomi în 12 g de carbon C 12. Raportul dintre numărul de molecule ale unei substanțe și cantitatea de substanță se numește constanta lui Avogadro:
n a = N/v. na = 6,02 10 23 mol -1.
Constanta lui Avogadro arată câți atomi și molecule sunt conținute într-un mol de substanță. Se numește masa molară o valoare egală cu raportul dintre masa unei substanțe și cantitatea de substanță:
Masa molară se exprimă în kg/mol. Cunoscând masa molară, puteți calcula masa unei molecule:
m 0 = m/N = m/vN A = M/N A
Masa moleculară medie este de obicei determinată metode chimice, constanta lui Avogadro a fost determinată cu mare precizie prin mai multe metode fizice. Masele moleculelor și atomilor sunt determinate cu un grad semnificativ de precizie folosind un spectrograf de masă. Masele moleculelor sunt foarte mici. De exemplu, masa unei molecule de apă: t = 29,9 10 -27 kg.
Masa molară este legată de masa moleculară relativă a lui Mr. Masa molară relativă este o valoare egală cu raportul dintre masa unei molecule a unei substanțe date și 1/12 din masa atomului de carbon C 12. Daca se stie formula chimica substanță, apoi folosind tabelul periodic se poate determina masa relativă, care, exprimat în kilograme, arată masa molară a acestei substanțe.
2) Mișcarea vibrațională a moleculelor în natură și tehnologie. Vibrații armonice. Amplitudinea, perioada, frecventa si faza oscilatiilor. Determinați experimental frecvența sistemului oscilator propus.
Vibrațiile mecanice sunt mișcări ale corpurilor care se repetă exact sau aproximativ la fel la intervale regulate. Forțele care acționează între corpuri în cadrul sistemului de corpuri luate în considerare se numesc forțe interne. Forțele care acționează asupra corpurilor sistemului din alte corpuri se numesc forțe externe. Vibrații libere numite vibrații care au apărut sub influența forțelor interne, de exemplu, un pendul pe o sfoară. Vibrațiile sub influența forțelor externe sunt oscilații forțate, de exemplu, un piston într-un motor. Semne generale Toate tipurile de oscilații reprezintă repetabilitatea procesului de mișcare după un anumit interval de timp. Oscilațiile descrise de ecuație se numesc armonice. În special, oscilațiile care apar într-un sistem cu o forță de restabilire proporțională cu deformația sunt armonice. Intervalul minim prin care se repetă mișcarea unui corp se numește perioadă de oscilație T. Cantitatea fizică, inversul perioadei de oscilație și care caracterizează numărul de oscilații pe unitatea de timp, se numește frecvență. Frecvența se măsoară în herți, 1 Hz = 1 s -1. Se folosește și conceptul de frecvență ciclică, care determină numărul de oscilații în 2p secunde. Mărimea deplasării maxime de la poziția de echilibru se numește amplitudine. Valoarea sub semnul cosinus este faza de oscilație, j 0 este faza inițială a oscilației. Derivatele se modifică, de asemenea, armonic, iar energia mecanică totală pentru o abatere arbitrară X(unghi, coordonată etc.) este egal cu, unde OŞi ÎN– constante determinate de parametrii sistemului. Diferențiând această expresie și ținând cont de absența forțelor exterioare, se poate nota din ce provine.
Principii de bază ale moleculare teoria cinetică(MKT)
si ei justificare experimentală.
Obiectivele lecției:
Educațional:
formularea principalelor prevederi ale TIC;
dezvăluie semnificația științifică și ideologică a mișcării browniene;
stabiliți natura dependenței forțelor de atracție și repulsie de distanța dintre molecule; invata sa rezolvi problemele de calitate;
Educațional:
dezvoltarea capacității de a aplica cunoștințele teoretice în practică; observație, independență; gândirea elevilor prin logică activități educaționale, capacitatea de a extrage informații și de a trage concluzii
Educațional: continuă să-și formeze idei despre unitatea și interconectarea fenomenelor naturale.
Rezultate planificate:
Cunoaște: principiile de bază ale teoriei cinetice moleculare și justificarea lor experimentală; concepte de difuzie, mișcare browniană.
Să fie capabil: să formuleze ipoteze și să tragă concluzii, să rezolve probleme calitative.
Tip de lecție: lectie - seminar, invatare material nou
Regulamente: 2 lecții
Suport metodologic cuprinzător: proiector multimedia, calculator, ecran, desene care descriu experimente, instrumente pentru experimente.
Notă explicativă.
Clasa este împărțită în 3 grupe de 4-5 persoane. Fiecare grup are sarcina de a pregăti o poveste despre fundamentarea experimentală a uneia dintre prevederile TIC. Rolurile sunt distribuite între ele în mod independent: unul gătește material teoretic, celălalt este o prezentare (sau diapozitive pentru tablă interactivă), restul pregătesc experimente. Din moment ce materialul din schiță generală Băieții sunt deja familiarizați cu el (în clasa a VII-a), iar sarcina este destul de în limitele capacităților lor.
În decurs de o săptămână, fiecare grup trebuie să își îndeplinească sarcina.
În timpul lecției, fiecare grup are 20 de minute pentru a vorbi.
După prezentarea băieților (care este preluată de toți ceilalți), există o discuție de 5 minute și răspunsuri la întrebările camarazilor lor.
Apoi profesorul pune întrebări (tuturor, inclusiv grupului creativ)
La sfârșitul lecției, profesorul însumează rezultatele și trage concluzii generale
Prezentarea profesorului
Fizicianul american Reiman credea că „...Dacă omenirea și roadele muncii sale vor dispărea și o frază este lăsată să rămână pentru generațiile viitoare, va fi următoarea:
A) Materia constă din particule;
B) Particulele se mișcă;
B) Interacționați unul cu celălalt”
Toate substanțele constau din particule: molecule, atomi, ioni, între care există spații.
1) Zdrobire mecanică (cretă, plastilină)
2) Dizolvarea unei substanțe (permanganat de potasiu, zahăr)
3) Amestecarea diferitelor lichide (apă și alcool) arată că volumul amestecului este mai mic decât volumul total ocupat de cele două lichide înainte ca acestea să fie amestecate. Acest lucru se poate explica prin faptul că există goluri între moleculele de lichide, iar la amestecarea lichidelor, moleculele unuia dintre ele pătrund în spațiul liber dintre moleculele celuilalt lichid.
Când sunt încălzite, corpurile se extind (spațiile dintre molecule cresc, dar dimensiunile moleculelor nu se schimbă)
4) Experienţă. Încălzim bila de oțel, care în stare neîncălzită trece calm prin inelul de oțel. După încălzire, mingea rămâne blocată în ring. Odată răcită, mingea cade în inel.
5) Balonul, în care este introdus un dop de cauciuc cu un tub de sticlă, este instalat astfel încât capătul tubului să fie coborât în apă. Când balonul este încălzit, aerul din el se extinde și începe să-l părăsească. Acest lucru poate fi judecat după bulele care se formează la capătul unui tub coborât în apă, se desprind și plutesc în sus. După ce încălzirea se oprește, apa din pahar va începe să se ridice prin tub și să umple balonul.
Intrare: Gazele, ca și solidele, cresc de asemenea în volum atunci când sunt încălzite și scad în volum când sunt răcite.
Exemple de substanțe formate din numere diferite de atomi:
1-atomic: gaze inerte (He, Ne...); metale.
Analgin-38 atomi
Proteine - mii de atomi
Polimeri - zeci de mii de atomi
Cauciuc - 1/2 milion de atomi
Dimensiuni moleculare. Dimensiunile moleculare sunt foarte mici (aproximativ 10 nm)
volumul unei picături de ulei de măsline V=1mm² se întinde pe o suprafață de 0,6m²
grosimea stratului h=V/S =1,7∙10^-7cm (aproximativ 6 molecule)
dmolecule= 10 nm
Numărul de molecule. Numărul de molecule chiar și într-un volum mic este uriaș (de exemplu, într-un degetar de apă există aproximativ 1023 de molecule)
O picătură de apă m=1g ocupă un volum V=1cm ³
O moleculă ocupă un volum V0 ≈ d ³ ≈ 27∙10^-24cm ³
Numărul de molecule N=V/V0 = 3,7∙10^22
Masa de molecule.
m0=m/N= 1g/3,7∙10^22≈ 27∙10-23 g m0 ≈10^ -26 kg
Relativ greutate moleculară - fata de 1/12 din masa unui atom de carbon.
Mr= 12 m0 /mCu
1 mâncăm = 1,66∙10^ -27 kg
Cantitatea de substanță
1 mol- cantitate dintr-o substanță care conține același număr de atomi (molecule) ca 12 g de carbon.
numărul lui AvogadroNO- numarul de molecule dintr-un mol dintr-o substanta.
NO= 6 , 02 ∙10 2 3
Cantitatea de substanțăν - numărul de alunițe ν = N/ NO= m/ M
Masa molara M- masa de 1 mol M = m0 NO(Determinată din tabelul periodic în g/mol)
Masa a 1 moleculă m0 =M/NO
Ce dispozitiv binecunoscut folosește expansiunea termică a lichidelor? (in termometru)
Dați exemple de expansiune termică (sârme lăsate vara)
De ce a rămas un spațiu între șine? (pentru ca în timpul expansiunii termice vara să nu se deformeze)
II. Moleculele se mișcă aleatoriu și continuu
Justificare experimentală: difuzie; Mișcarea browniană.
Difuzia- pătrunderea reciprocă a moleculelor unei substanțe între moleculele alteia. Exemple: diseminarea mirosurilor; murarea legumelor etc.
Difuzia are loc din cauza mișcării haotice a moleculelor. La încălzire, viteza de difuzie crește, deoarece intensitatea mișcării aleatorii a moleculelor crește. Nu este greu de înțeles că atracția moleculelor împiedică difuzia, așa că difuzia în solide are loc foarte lent; Pentru a accelera, trebuie să încălziți cele două suprafețe și să le apăsați ferm una pe cealaltă. Difuzia - amestecarea spontană a substanțelor din cauza mișcării moleculelor - trebuie distinsă de amestecarea forțată a substanțelor. Când amestecăm zahărul în ceai cu o lingură, aceasta nu este difuzie. S-ar părea că din viteza de difuzie se pot trage concluzii despre vitezele moleculelor. Trec ore înainte ca particulele de permanganat de potasiu să se răspândească cu câțiva centimetri în apă. Este nevoie de câteva minute pentru a mirosi parfumul vărsat la o distanță de câțiva metri.
Mișcarea browniană- mișcarea particulelor cauzată de ciocnirile de molecule De exemplu: boabe de praf în aerul nemișcat. Motivul mișcării browniene: impactul moleculelor nu este compensat.
Una dintre primele dovezi directe ale prezenței mișcării haotice termice a particulelor în materie a fost descoperirea în 1827 de către botanistul englez Brown a așa-numitei mișcări browniene. Constă în faptul că particulele foarte mici (vizibile doar prin microscop) suspendate într-un lichid sunt întotdeauna într-o stare de mișcare haotică continuă, care nu depinde de cauze externe și se dovedește a fi o manifestare a mișcărilor interne ale substanței. . Mișcarea browniană este cauzată de șocuri experimentate de particulele în suspensie din moleculele din jur situate în mișcarea termică. Aceste șocuri nu se echilibrează niciodată unul pe celălalt, deci sub influența impactului moleculelor mediu viteza unei particule browniene se schimbă în mod continuu și aleatoriu în mărime și direcție. Ultimul punct Teoria mișcării browniene, dezvoltată de Einstein și Smoluchowski în 1905 și confirmată experimental de Perrin în 1912, a contribuit la dezbaterea despre continuitatea și discretitatea materiei. Acest fenomen este că particulele mici suspendate într-un lichid sau gaz devin molecule dezordonate. Capacitatea de a studia mișcarea acestor particule depinde în mod semnificativ de dimensiunea lor. Particulele prea mari pot vibra doar particulele prea mici se mișcă aproape la fel de repede ca moleculele și sunt greu de observat. Dimensiunile particulelor browniene sunt de mii de ori mai mari decât dimensiunile moleculelor, așa că sunt vizibile la un microscop obișnuit și este convenabil să le monitorizezi salturile. Este clar că atunci când este încălzit, intensitatea mișcării browniene crește. Viteza de mișcare este legată de temperatură.
Experiență severă (1920)
Dacă cilindrii sunt nemișcați, atunci atomii ajung în punctul n.
Când cilindrii se rotesc cu o viteză ω, atomii ajung în punctul n1. Deoarece vitezele atomilor nu sunt aceleași, banda este neclară.
Timpul necesar unei molecule pentru a parcurge distanța ℓ este egal cu timpul necesar discului 2 să se rotească printr-un unghi α.
Viteza moleculelor de argint este de 600 m/s.
Distribuțiile de viteză moleculară
Graficul distribuției moleculelor după viteză. Fizicianul englez J. Maxwell și fizicianul austriac L. Boltzmann. Curba de distribuție Maxwell corespunde rezultatelor obținute în experimentul lui Stern. Numărul de particule care au viteze în intervalul Dυ este egal cu DN, υ este una dintre vitezele acestui interval. Din grafic este clar că numărul de particule cu viteze în intervale egale Dυ1 și Dυ2 este diferit. Viteza în jurul căreia se află cele mai „populate” intervale este cea mai probabilă viteză de mișcare termică a moleculelor.
υнв cea mai probabilă viteză; υav viteza medie
∆N - numărul de molecule cu viteză în intervalul υ + ∆υ; ∆υ = υ ∆α / α
OSnoi descoperiri
1. Distribuția vitezelor are un anumit tipar.
2. Printre moleculele de gaz există atât molecule foarte rapide, cât și foarte lente.
3. Distribuția moleculelor după viteză depinde de temperatură.
4. Cu cât T este mai mare, cu atât maximul curbei de distribuție se deplasează către viteze mai mari.
6) Pulverizează deodorant și toată lumea din clasă îl miroase.
7 ) În balon se pun bucăți de hârtie umezite cu fenolftaleină, o substanță care devine portocalie atunci când este combinată cu amoniac. Această proprietate a fenolftaleinei de a servi ca indicator al prezenței amoniacului este demonstrată în prealabil pe o bucată separată de hârtie umezită cu această substanță. După aceasta, la gâtul balonului se fixează o vată cu amoniac. După ceva timp, bucățile de hârtie înmuiate în fenolftaleină devin portocalii.
8) Apa de colorare cu permanganat de potasiu
În diferite stări de agregare, natura acestei mișcări este diferită:
În solide, moleculele vibrează în apropierea pozițiilor de echilibru; solide
își păstrează forma și volumul (sunt greu de deformat);
În lichide, moleculele vibrează aproape în același mod ca și în solide, dar ele însele
pozițiile de echilibru se mișcă constant (moleculele lichide sunt
„nomazi”); lichidele au un volum finit și sunt ușor compresibile;
În gaze, moleculele se mișcă liber și haotic; ia gaz
întregul volum oferit lui.
Datorită diferenței în structura moleculara substanţe găsite în diverse
stările de agregare, se comportă diferit. Deci, la aceleași temperaturi
difuzia în gaze are loc de zeci de mii de ori mai rapid decât în lichide și
de miliarde de ori mai rapid decât în solide.
De ce este rata de difuzie în gaze atât de scăzută dacă moleculele au viteze atât de mari?
Explicați procesul de sudare a metalelor prin topirea lor sau prin aplicarea presiunii
Explicați modificarea densității atmosferei terestre cu altitudinea. (Difuzia gazului într-un câmp gravitațional)
III. Moleculele interacționează.
Moleculele interacționează între ele: între ele există forțe de respingere și atractive, care scad rapid pe măsură ce distanțele dintre molecule cresc. Natura acestor forțe este electromagnetică. Forțele atractive împiedică evaporarea unui lichid și întinderea unui solid.
Când încercăm să comprimăm un corp solid sau lichid, experimentăm forțe repulsive semnificative.
Atracția moleculelor este ușor de verificat prin observarea experimentelor legate de tensiunea superficială și umectare.
9) Compresia si extensia corpurilor (primavara)
10) Conectarea cilindrilor de oțel
11) Experimentați cu farfurii și apă (Udați două farfurii de sticlă și apăsați-le una pe cealaltă. Apoi încercați să le deconectați, făcând un efort pentru a face acest lucru).
12) Fenomen de neumezire O monedă lubrifiată cu ulei plutește la suprafața apei
13) Fenomene capilare - creșterea apei colorate în capilare
Explicați acțiunea lipiciului.
Imagina:
ce s-ar întâmpla dacă nu ar exista forțe atractive între molecule?
ce s-ar întâmpla dacă nu ar exista forțe de respingere între molecule?
03.02.2015
Lecția 39 (clasa a X-a)
Subiect. Principiile de bază ale structurii MCT a materiei și fundamentarea ei experimentală
1. Obiectivele cursului fizica molecularași MKT; macro- și microcorpi
În primul rând, să ne amintim toate secțiunile anterioare ale fizicii pe care le-am studiat și să înțelegem că în tot acest timp am luat în considerare procesele care au loc cu corpurile macroscopice (sau obiectele macrolumii). Acum vom studia structura lor și procesele care au loc în interiorul lor.
Definiţie. Corp macroscopic- un corp format din număr mare particule. De exemplu: o mașină, o persoană, o planetă, o minge de biliard...
Corp microscopic - un corp format din una sau mai multe particule. De exemplu: atom, moleculă, electron... (Fig. 1)
Orez. 1. Exemple de micro- și respectiv macro-obiecte
După ce am definit astfel subiectul de studiu al cursului MCT, ar trebui să vorbim acum despre principalele obiective pe care cursul MCT și le propune, și anume:
1. Studiul proceselor care au loc în interiorul unui corp macroscopic (mișcarea și interacțiunea particulelor)
2. Proprietățile corpurilor (densitate, masă, presiune (pentru gaze)…)
3. Studiul fenomenelor termice (încălzire-răcire, modificări stări de agregare corp)
Studiul acestor probleme, care va avea loc pe parcursul întregii teme, va începe acum cu faptul că vom formula așa-numitele prevederi de bază ale TIC, adică niște afirmații al căror adevăr a fost de mult timp dincolo de orice îndoială și, pornind de la care se va construi întregul curs ulterior.
Să le privim unul câte unul:
2. Prima poziție de bază a TIC; molecule, atomi
Toate substanțele sunt formate din cantitate mare particule - molecule și atomi.
Definiţie. Atom- cea mai mică particulă a unui element chimic. Dimensiunile atomilor (diametrul lor) sunt de ordinul cm. Este de remarcat faptul că, spre deosebire de molecule, există relativ puține tipuri diferite de atomi. Toate soiurile lor, care sunt cunoscute în prezent de om, sunt colectate în așa-numitul tabel periodic (vezi Fig. 2)
Orez. 2. Tabel periodic elemente chimice(în esență varietăți de atomi) D. I. Mendeleev
Moleculă– o unitate structurală a materiei formată din atomi. Spre deosebire de atomi, ei sunt mai mari și mai grei și, cel mai important, au o varietate uriașă.
Se numește o substanță ale cărei molecule constau dintr-un atom atomic, dintr-un număr mai mare – molecular. De exemplu: oxigen, apă, sare de masă () - moleculară; argint heliu (He, Ag) – atomic. 
Mai mult, trebuie înțeles că proprietățile corpurilor macroscopice vor depinde nu numai de caracteristicile cantitative ale compoziției lor microscopice, ci și de cea calitativă.
Dacă în structura atomilor o substanță are o anumită geometrie ( rețea cristalină ), sau, dimpotrivă, nu are, atunci aceste corpuri vor avea proprietăți diferite. De exemplu, corpurile amorfe nu au un punct de topire strict. Cel mai faimos exemplu este grafitul amorf și diamantul cristalin. Ambele substanțe sunt formate din atomi de carbon.
Orez. 3. Grafit și, respectiv, diamant
Astfel, „din câți atomi și molecule constă materia, în ce aranjament relativ și ce fel de atomi și molecule?” - prima întrebare, al cărei răspuns ne va aduce mai aproape de înțelegerea proprietăților corpurilor.
3. A doua prevedere principală a TIC
Toate particulele sunt în mișcare haotică termică continuă.
La fel ca în exemplele discutate mai sus, este important să înțelegem nu numai aspectele cantitative ale acestei mișcări, ci și cele calitative pentru diferite substanțe.
Moleculele și atomii solidelor suferă doar ușoare vibrații în raport cu poziția lor constantă; lichid - de asemenea vibrează, dar datorită dimensiunii mari a spațiului intermolecular, acestea își schimbă uneori locurile între ele; Particulele de gaz, la rândul lor, se mișcă liber în spațiu fără practic să se ciocnească.
4. A treia prevedere principală a TIC
Particulele interacționează între ele.
Această interacțiune este de natură electromagnetică (interacțiunea dintre nucleele și electronii unui atom) și acționează în ambele direcții (atât de atracție, cât și de repulsie).
Aici: d– distanța dintre particule; o– dimensiunea particulelor (diametrul).
Conceptul de „atom” a fost introdus pentru prima dată de către filozoful și om de știință naturist grec antic Democrit (Fig. 4). Într-o perioadă ulterioară, omul de știință rus Lomonosov sa întrebat în mod activ despre structura microlumii (Fig. 5).
Orez. 4. Democrit Fig. 5. Lomonosov
5. Diverse variante de justificare a prevederilor ILC
Pentru început, să reamintim principalele prevederi ale TIC, și anume:
1. Toate corpurile constau din particule mici - molecule și atomi,
2. Aceste particule sunt în mișcare haotică constantă,
3. Aceste particule interacționează continuu între ele.
Deci, cum putem obține o confirmare experimentală a acestor afirmații? De fapt, fiecare persoană, fără excepție, este familiarizată cu una dintre metode. Aceasta este difuzia, sau amestecarea, în termeni simpli.
Definiţie. Difuzia– procesul de pătrundere reciprocă a moleculelor unei substanțe în spațiul dintre moleculele alteia (Fig. 6).
Orez. 6. Procesul de difuzie în gaze
Difuzia se poate produce atât în gaze (putem observa acest proces simțind răspândirea mirosurilor), în lichide (amestecarea apei colorate). culori diferite) și chiar și în solide (dacă foi de sticlă sau metal foarte netede sunt așezate una peste alta pentru o lungă perioadă de timp, va fi imposibil să distingem unde se termină o foaie și unde începe alta). Mai mult, există și difuzie mixtă, adică pătrunderea moleculelor de gaz în corpurile solide și lichide (altfel peștii din apă nu ar putea respira), etc. (Fig. 7)
Orez. 7. diverse exemple difuziune
Într-adevăr, dacă presupunem că materia este un fel de structură continuă, devine complet neclar cum să explicăm toate fenomenele menționate mai sus.
Cu toate acestea, principalul argument în explicarea principalelor prevederi ale MKT este mișcarea browniană.
6. Descrierea experimentului lui Brown
Definiţie. Mișcarea browniană– mișcare haotică termică continuă a moleculelor de materie (Fig. 8).
Acest termen a intrat în uz după ce în 1827, botanistul scoțian Robert Brown, amestecând polenul de înotător cu apă și examinând o picătură din amestec la microscop, a observat mișcarea menționată mai sus.
Orez. 8. Traiectoria particulelor în timpul mișcării browniene
7. Explicația experimentului lui Brown
Cu toate acestea, deoarece Brown a putut examina particulele de polen doar printr-un microscop, el și-a interpretat incorect descoperirea (a crezut că polenul este viu). Mișcarea browniană poate fi explicată doar pe baza teoriei cinetice moleculare.
Motivul pentru mișcarea browniană a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc..
Figura 8.4 prezintă schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta. Când moleculele se mișcă aleatoriu, impulsurile pe care le transmit particulei browniene, de exemplu, din stânga și din dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată a moleculelor lichide pe o particulă browniană este diferită de zero. Această forță provoacă o schimbare în mișcarea particulei.
Orez. 9. Particulă de polen brownian în apă
Presiunea medie are o anumită valoare atât în gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna abateri minore aleatorii de la această medie. Cu cât suprafața corpului este mai mică, cu atât sunt mai vizibile modificările relative ale forței de presiune care acționează asupra acesteia zonă dată. Deci, de exemplu, dacă zona are o dimensiune de ordinul mai multor diametre ale moleculei, atunci forța de presiune care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula lovește această zonă.
Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei cinetice moleculare. Aproape un secol mai târziu, fizicianul german Albert Einstein (1879-1955) a realizat că o particulă mare de polen este pur și simplu împinsă de molecule de apă mult mai mici, care ele însele se mișcă deja haotic (Fig. 9).
Observații similare se poate face în multe alte moduri: aruncați vopsea în apă și priviți amestecul la microscop, urmăriți o bucată de praf care se mișcă în apartamentul dvs....
8. Dovada punctelor principale
Astfel, prezența mișcării browniene confirmă pe deplin prevederile introduse în MKT. Însuși faptul mișcării polenului le confirmă. Deoarece polenul se mișcă, înseamnă că asupra lui acționează forțele. Singurul motiv posibil pentru apariția acestor forțe este ciocnirea oricăror corpuri mici. În consecință, nu se mai poate pune la îndoială primele două dispoziții. Și deoarece particulele de polen își schimbă direcția, înseamnă că în momente diferite numărul de impacturi asupra polenului dintr-o anumită parte este diferit, ceea ce înseamnă că nu există nicio îndoială că moleculele de apă interacționează între ele.
Mișcarea browniană este mișcare termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește. Figura 8.3 prezintă o diagramă a mișcării particulelor browniene. Pozițiile particulelor, marcate cu puncte, sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoria particulelor este mult mai complexă.
Mișcarea browniană poate fi observată și în gaz. Este cauzată de particulele de praf sau fum suspendate în aer. Fizicianul german R. Pohl (1884-1976) descrie plin de culoare mișcarea browniană: „Puține fenomene sunt capabile să captiveze un observator la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici observatorului i se permite să privească în culise
ce se întâmplă în natură. Se deschide înaintea lui lume nouă- forfota non-stop a unui număr mare de particule. Cele mai mici particule zboară rapid prin câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai lent, dar schimbă și în mod constant direcția de mișcare. Particulele mari sunt practic zdrobite pe loc. Proeminențele lor arată clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nu există nicio urmă de sistem sau ordine nicăieri. Dominanța șansei oarbe – aceasta este impresia puternică și copleșitoare pe care această imagine o face observatorului.” În prezent conceptul Mișcarea browniană folosit într-un sens mai larg. De exemplu, mișcarea browniană este vibrația acelor instrumentelor de măsură sensibile, care are loc datorită mișcării termice a atomilor părților instrumentului și a mediului.
experimentele lui Perrin. Ideea experimentelor lui Perrin este următoarea.
Se știe că concentrația de molecule de gaz în atmosferă scade odată cu altitudinea. Dacă nu ar exista mișcare termică, atunci toate moleculele ar cădea pe Pământ și atmosfera ar dispărea. Cu toate acestea, dacă nu ar exista atracție pentru Pământ, atunci din cauza mișcării termice moleculele ar părăsi Pământul, deoarece gazul este capabil de expansiune nelimitată. Ca urmare a acțiunii acestor factori opuși, se stabilește o anumită distribuție a moleculelor în înălțime, așa cum am menționat mai sus, adică concentrația moleculelor scade destul de repede odată cu înălțimea. Mai mult, cu cât masa moleculelor este mai mare, cu atât concentrația lor scade mai repede odată cu înălțimea.
Particulele browniene participă la mișcarea termică. Deoarece interacțiunea lor este neglijabil de mică, colecția acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerată un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid în câmpul gravitațional al Pământului ar trebui să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.
Perrin, folosind un microscop de mare mărire cu o adâncime mică de câmp (profunzime mică de câmp), a observat particule browniene în straturi foarte subțiri de lichid. Calculând concentrația particulelor la diferite înălțimi, a descoperit că această concentrație scade odată cu înălțimea conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Diferența este că, datorită masei mari de particule browniene, scăderea are loc foarte rapid.
Mai mult, numărarea particulelor browniene la diferite înălțimi a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro folosind o metodă complet nouă. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută.
Toate aceste fapte indică corectitudinea teoriei mișcării browniene și, în consecință, că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.
Teoria cinetică moleculară este o ramură a fizicii care studiază proprietățile diferitelor stări ale materiei, bazându-se pe ideea existenței moleculelor și atomilor ca cele mai mici particule de materie. TIC se bazează pe trei principii principale:
1. Toate substanțele constau din particule minuscule: molecule, atomi sau ioni.
2. Aceste particule sunt în mișcare haotică continuă, a căror viteză determină temperatura substanței.
3. Între particule există forțe de atracție și repulsie, a căror natură depinde de distanța dintre ele.
Principalele prevederi ale TIC sunt confirmate de multe fapte experimentale. Existența moleculelor, atomilor și ionilor a fost dovedită experimental, moleculele au fost suficient studiate și chiar fotografiate cu ajutorul microscoapelor electronice. Capacitatea gazelor de a se extinde la infinit și de a ocupa întregul volum care le este furnizat se explică prin mișcarea haotică continuă a moleculelor. Elasticitatea gazelor, solidelor și lichidelor, capacitatea lichidelor de a umezi unele solide, procesele de colorare, lipire, reținere a formei de către solide și multe altele indică existența unor forțe de atracție și respingere între molecule. Fenomenul de difuzie - capacitatea moleculelor unei substanțe de a pătrunde în spațiile dintre moleculele alteia - confirmă, de asemenea, principalele prevederi ale MCT. Fenomenul de difuzie explică, de exemplu, răspândirea mirosurilor, amestecarea lichidelor diferite, procesul de dizolvare a solidelor în lichide și sudarea metalelor prin topire sau prin presiune. Confirmarea mișcării haotice continue a moleculelor este și mișcarea browniană - mișcarea haotică continuă a particulelor microscopice insolubile în lichid.
Mișcarea particulelor browniene este explicată prin mișcarea haotică a particulelor lichide care se ciocnesc de particule microscopice și le pun în mișcare. S-a dovedit experimental că viteza particulelor browniene depinde de temperatura lichidului. Teoria mișcării browniene a fost dezvoltată de A. Einstein. Legile mișcării particulelor sunt de natură statistică și probabilistică. Există o singură modalitate cunoscută de a reduce intensitatea mișcării browniene - scăderea temperaturii. Existența mișcării browniene confirmă în mod convingător mișcarea moleculelor.
Orice substanță constă din particule, prin urmare cantitatea de substanță v este considerată proporțională cu numărul de particule, adică elementele structurale conținute în corp.
Unitatea de măsură a unei substanțe este molul. Un mol este cantitatea dintr-o substanță care conține același număr de elemente structurale ale oricărei substanțe ca și atomi în 12 g de carbon C12. Raportul dintre numărul de molecule ale unei substanțe și cantitatea de substanță se numește constanta lui Avogadro:
Constanta lui Avogadro arată câți atomi și molecule sunt conținute într-un mol de substanță. Masa molară este masa unui mol dintr-o substanță, egală cu raportul dintre masa substanței și cantitatea de substanță:
Masa molară se exprimă în kg/mol. Cunoscând masa molară, puteți calcula masa unei molecule:
Masa medie a moleculelor este de obicei determinată prin metode chimice constanta lui Avogadro a fost determinată cu mare precizie de mai mulți prin metode fizice. Masele moleculelor și atomilor sunt determinate cu un grad semnificativ de acuratețe folosind un spectrograf de masă.
Masele de molecule sunt foarte mici. De exemplu, masa unei molecule de apă:
Masa molară este legată de masa moleculară relativă a Mg. Masa moleculară relativă este o valoare egală cu raportul dintre masa unei molecule a unei substanțe date și 1/12 din masa unui atom de carbon C12. Dacă se cunoaște formula chimică a unei substanțe, atunci folosind tabelul periodic se poate determina masa relativă a acesteia, care, atunci când este exprimată în kilograme, arată valoarea masa molara a acestei substante.