Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это учение, которое объясняет тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел движением и взаимодействием атомов, молекул и ионов, из которых состоят тела. В основе МКТ строения вещества лежат три положения:
- Вещество состоит из частиц – молекул, атомов и ионов. В состав этих частиц входят более мелкие элементарные частицы. Молекула – наименьшая устойчивая частица данного вещества. Молекула обладает основными химическими свойствами вещества. Молекула является пределом деления вещества, то есть самой маленькой частью вещества, которая способна сохранять свойства этого вещества. Атом – это наименьшая частица данного химического элемента.
- Частицы, из которых состоит вещество, находятся в непрерывном хаотическом (беспорядочном) движении.
- Частицы вещества взаимодействуют друг с другом – притягиваются и отталкиваются.
Эти основные положения подтверждаются экспериментально и теоретически.
Состав вещества
Современные приборы позволяют наблюдать изображения отдельных атомов и молекул. С помощью электронного микроскопа или ионного проектора (микроскопа) можно получить изображения отдельных атомов и оценить их размеры. Диаметр любого атома имеет порядок d = 10 -8 см (10 -10 м). Размеры молекул больше размеров атомов. Поскольку молекулы состоят из нескольких атомов, то чем больше количество атомов в молекуле, тем больше её размер. Размеры молекул лежат в пределах от 10 -8 см (10 -10 м) до 10 -5 см (10 -7 м).
Хаотическое движение частиц
Непрерывное хаотическое движение частиц подтверждается броуновским движением и диффузией. Хаотичность движения означает, что у молекул не существует каких-либо предпочтительных путей и их движения имеют случайные направления. Это означает, что все направления равновероятны.
Диффузия (от латинского diffusion – растекание, распространение) – явление, когда в результате теплового движения вещества происходит самопроизвольное проникновение одного вещества в другое (если эти вещества соприкасаются).
Взаимное перемешивание веществ происходит по причине непрерывного и беспорядочного движения атомов или молекул (или других частиц) вещества. С течением времени глубина проникновения молекул одного вещества в другое увеличивается. Глубина проникновения зависит от температуры: чем выше температура, тем больше скорость движения частиц вещества и тем быстрее протекает диффузия.
Диффузия наблюдается во всех состояниях вещества – в газах, жидкостях и твёрдых телах. Примером диффузии в газах служит распространение запахов в воздухе при отсутствии прямого перемешивания. Диффузия в твёрдых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, хромировании и т.п. В газах и жидкостях диффузия происходит намного быстрее, чем в твёрдых телах.
Существование устойчивых жидких и твёрдых тел объясняется наличием сил межмолекулярного взаимодействия (сил взаимного притяжения и отталкивания). Этими же причинами объясняется малая сжимаемость жидкостей и способность твёрдых тел сопротивляться деформациям сжатия и растяжения.
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу – это силы электрического происхождения. Причиной этого является то, что молекулы и атомы состоят из заряженных частиц с противоположными знаками зарядов – электронов и положительно заряженных атомных ядер. В целом молекулы электрически нейтральны. По электрическим свойствам молекулу можно приближённо рассматривать как электрический диполь.
Сила взаимодействия между молекулами имеет определённую зависимость от расстояния между молекулами. Эта зависимость изображена на рис. 1.1. Здесь показаны проекции сил взаимодействия на прямую, которая проходит через центры молекул.
Рис. 1.1. Зависимость межмолекулярных сил от расстояния между взаимодействующими атомами.
Как видим, по мере уменьшения расстояния между молекулами r сила притяжения F r пр увеличивается (красная линия на рисунке). Как уже было сказано, силы притяжения принято считать отрицательными, поэтому по мере уменьшения расстояния кривая уходит вниз, то есть в отрицательную зону графика.
Силы притяжения действуют по мере сближения двух атомов или молекул, пока расстояние r между центрами молекул находится в районе 10 -9 м (2-3 диаметра молекул). По мере увеличения этого расстояния силы притяжения ослабевают. Силы притяжения являются короткодействующими силами.
где a – коэффициент, зависящий от вида сил притяжения и строения взаимодействующих молекул.
При дальнейшем сближении атомов или молекул на расстояниях между центрами молекул порядка 10 -10 м (это расстояние сравнимо с линейными размерами неорганических молекул) появляются силы отталкивания F r от (синяя линия на рис. 1.1). Эти силы появляются за счёт взаимного отталкивания положительно заряженных атомов в молекуле и убывают с увеличением расстояния r ещё быстрее, чем силы притяжения (что видно на графике – синяя линия более «круто» стремится к нулю, чем красная).
где b – коэффициент, зависящий от вида сил отталкивания и строения взаимодействующих молекул.
На расстоянии r = r 0 (это расстояние примерно равно сумме радиусов молекул) силы притяжения уравновешивают силы отталкивания, а проекция результирующей силы F r = 0. Этому состоянию соответствует наиболее устойчивое расположение взаимодействующих молекул.
В общем случае результирующая сила равна:
При r > r 0 притяжение молекул превосходит отталкивание, при r < r 0 – отталкивание молекул превосходит их притяжение.
Зависимость сил взаимодействия молекул от расстояния между ними качественно объясняет молекулярный механизм появления сил упругости в твёрдых телах.
При растяжении твёрдого тела частицы удаляются друг от друга на расстояния, превышающие r 0 . При этом появляются силы притяжения молекул, которые возвращают частицы в первоначальное положение.
При сжатии твёрдого тела частицы сближаются на расстояния, меньшие расстояния r 0 . Это приводит к увеличению сил отталкивания, которые возвращают частицы в первоначальное положение и препятствуют дальнейшему сжатию.
Если смещение молекул из положений равновесия мало, то силы взаимодействия растут линейно с увеличением смещения. На графике этот отрезок показан утолщённой линией светло-зелёного цвета.
Поэтому при малых деформациях (в миллионы раз превышающих размер молекул) выполняется закон Гука, согласно которому сила упругости пропорциональна деформации. При больших смещениях закон Гука не действует.
Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов. 2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними. Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей
смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавле-ния или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле, v.
Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С 12 . Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называютпостоянной Авогадро:
n a = N/v. na =6,02 10 23 моль -1 .
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества.Молярной массойназывают величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
m 0 = m/N = m/vN A = М/N A
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: т = 29,9 10 -27 кг.
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr. Относительная молярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С 12 . Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.
2) Колебательное движение молекул в природе и технике. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний. Опредеолить опытным путём частоту предложенной колебательной системы.
Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно или приблизительно одинаково через одинаковые промежутки времени. Силы, действующие между телами внутри рассматриваемой системы тел, называют внутренними силами. Силы, действующие на тела системы со стороны других тел, называют внешними силами. Свободными колебаниями называют колебания, возникшие под воздействием внутренних сил, например – маятник на нитке. Колебания под действиями внешних сил – вынужденные колебания, например – поршень в двигателе. Общим признаков всех видов колебаний является повторяемость процесса движения через определенный интервал времени. Гармоническими называются колебания, описываемые уравнением. В частности колебания, возникающие в системе с одной возвращающей силой, пропорциональной деформации, являются гармоническими. Минимальный интервал, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний Т . Физическая величина, обратная периоду колебаний и характеризующая количество колебаний в единицу времени, называется частотой. Частота измеряется в герцах, 1 Гц = 1 с -1 . Используется также понятие циклической частоты, определяющей число колебаний за 2p секунд. Модуль максимального смещения от положения равновесия называется амплитудой. Величина, стоящая под знаком косинуса – фаза колебаний, j 0 – начальная фаза колебаний. Производные также гармонически изменяются, причем, а полная механическая энергия при произвольном отклонении х (угол, координата, и т.д.) равна, где А и В – константы, определяемые параметрами системы. Продифференцировав это выражение и приняв во внимание отсутствие внешних сил, возможно записать, что, откуда.
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ)
и их опытное обоснование.
Цели урока:
Образовательные:
сформулировать основные положения МКТ;
раскрыть научное и мировоззренческое значение броуновского движения;
установить характер зависимости сил притяжения и отталкивания от расстояния между молекулами; учиться решать качественные задачи;
Развивающие:
развивать умение применять знания теории на практике; наблюдательность, самостоятельность; мышление учеников посредством логических учебных действий, умение извлекать информацию и делать выводы
Воспитательные: продолжить формирование представлений о единстве и взаимосвязи явлений природы.
Планируемые результаты:
Знать: основные положения молекулярно кинетической теории и их опытные обоснования; понятия диффузии, броуновского движения.
Уметь: формулировать гипотезы и делать выводы, решать качественные задачи.
Тип урока: урок - семинар, изучение нового материала
Регламент : 2 урока
Комплексно-методическое обеспечение : мультимедийный проектор, компьютер, экран, рисунки с описанием опытов, приборы для опытов.
Пояснительная записка.
Класс разбивается на 3 группы по 4-5 человек. Каждая группа получает задание подготовить рассказ об опытном обосновании одного из положений МКТ. Роли между собой распределяют самостоятельно: один готовит теоретический материал, другой - презентацию (или слайды для интерактивной доски), остальные - готовят опыты. Так как материал в общих чертах ребятам уже знаком (по 7 классу), задание вполне им по силам.
В течение недели каждая группа должна выполнить свое задание.
На уроке каждая группа получает на выступление по 20 минут.
После выступления ребят (которое конспектируется всеми остальными) идет 5-минутное обсуждение и ответы на вопросы товарищей
Затем вопросы задает учитель (всем, в том числе и творческой группе)
В конце урока учитель подводит итоги, делает общие выводы
Вступление учителя
Американский физик Рейман считал, что «…Если человечество и плоды его трудов исчезнут и для будущих поколений разрешено будет оставить одну фразу, то это будет следующее:
А) Вещество состоит из частиц;
Б) Частицы движутся;
В) Взаимодействуют между собой»
Все вещества состоят из частиц: молекул, атомов, ионов, между которыми есть промежутки.
1) Механическое дробление (мел, пластилин)
2) Растворение вещества (марганцовка, сахар)
3) Смешивание разных жидкостей (воды и спирта) показывает, что объём смеси меньше суммарного объёма, занимаемого двумя жидкостями до их смешивания. Это можно объяснить тем, что между молекулами жидкостей есть пустоты, и при смешивании жидкостей молекулы одной из них проникают в свободное пространство между молекулами другой жидкости.
При нагревании тела расширяются (промежутки между молекулами увеличиваются, размеры молекул не изменяются)
4) Опыт. Нагреваем стальной шарик, который в не нагретом состоянии спокойно проходит сквозь стальное кольцо. После нагревания шарик застревает в кольце. Остыв, шарик проваливается в кольцо.
5) Колбу, в которую вставлена резиновая пробка со стеклянной трубкой, устанавливают так, что конец трубки оказывается опущенным в воду. При нагревании колбы воздух, находящийся в ней, расширяется и начинает выходить из неё. Об этом можно судить по пузырькам, которые образовываются на конце трубки опущенной в воду, отрываются и всплывают. После прекращения нагревания, вода, находящаяся в стакане, начнет подниматься по трубке и заполнять колбу.
Ввод: Газы, как и твердые тела, при нагревании также увеличиваются в объеме, а при охлаждении уменьшаются в объеме.
Примеры веществ, состоящих из различного числа атомов:
1-атомные: инертные газы (Не, Ne…); металлы.
Анальгин-38 атомов
Белки-тысячи атомов
Полимеры-десятки тысяч атомов
Каучук-1/2 миллиона атомов
Размеры молекул . Размеры молекул очень малы (порядка 10 нм)
объем капли оливкового масла V=1мм² растекается по площади 0,6м²
толщина слоя h=V/S =1,7∙10^-7см (порядка 6 молекул)
d молекул = 10 н м
Число молекул. Число молекул даже в небольшом объеме огромно (например, в наперстке воды порядка 1023 молекул)
Капля воды m=1г занимает объем V=1см³
Одна молекула занимает объем V0 ≈ d³ ≈ 27∙10^-24см³
Число молекул N=V/V0 = 3,7∙10^22
Масса молекул.
m0=m/N= 1г/3,7∙10^22≈ 27∙10-23 г m 0 ≈10^ -26 кг
Относительная молекулярная масса - сравнивается с 1/12 массы атома углерода.
М r = 12 m 0 / m с
1 аем = 1,66∙10^ -27 кг
Количество вещества
1 моль - количества вещества, в котором содержится столько же атомов (молекул), сколько в 12г углерода.
Число Авогадро N А - число молекул в 1 моле вещества.
N А = 6 , 02 ∙10 2 3
Количество вещества ν - число молей ν = N / N А = m / M
Молярная масса М - масса 1 моля М = m0N А (Определяется по таблице Менделеева в г/моль)
Масса 1 молекулы m0=М/ N А
В каком всем известном приборе используется тепловое расширение жидкостей? (в термометре)
Приведите примеры теплового расширения (провисание проводов летом)
Зачем между рельсами оставляют зазор? (чтобы при тепловом расширении летом они не деформировались)
II. Молекулы беспорядочно и непрерывно движутся
Опытные обоснования: диффузия; броуновское движение.
Диффузия - взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Примеры: распространение запахов; засолка овощей и др
Диффузия происходит благодаря хаотическому движению молекул. При нагревании скорость диффузии повышается, т.к. увеличивается интенсивность беспорядочного движения молекул. Нетрудно понять, что притяжение молекул препятствует диффузии, поэтому диффузия в твердых телах происходит очень медленно; для ее ускорения необходимо разогреть две поверхности и сильно прижать друг к другу. Диффузию - самопроизвольное перемешивание веществ за счет движения молекул - надо отличать от принудительного перемешивания веществ. Когда мы перемешиваем ложечкой сахар в чае − это не диффузия. Казалось бы, по скорости диффузии можно сделать вывод и о скоростях молекул. Проходят часы, прежде чем частицы марганцовки распространятся на несколько сантиметров в воде. Несколько минут нужно, чтобы почувствовать запах духов, разлитых на расстоянии нескольких метров.
Броуновское движение - движение частиц, вызванное ударами молекул Например: пылинки в неподвижном воздухе. Причина броуновского движения: удары молекул не компенсируются.
Одним из первых непосредственных доказательств наличия теплового хаотического движения частиц в веществе явилось открытие в 1827 английским ботаником Броуном так называемого броуновского движения. Оно заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, которое не зависит от внешних причин и оказывается проявлением внутренних движений в веществе. Броуновское движение вызывается толчками, испытываемыми взвешенными частицами со стороны окружающих молекул, находящихся в тепловом движении. Эти толчки никогда в точности не уравновешивают друг друга, поэтому под влиянием ударов молекул окружающей среды скорость броуновской частицы непрерывно и беспорядочно меняется по величине и направлению. Последнюю точку в дискуссии о непрерывности и дискретности материи поставила теория броуновского движения, разработанная Эйнштейном и Смолуховским в 1905 году и экспериментально подтвержденная Перреном в 1912 году. Это явление состоит в том, что мелкие частицы, взвешенные в жидкости или газе, совершают беспорядочные молекул. Возможность изучения движения этих частиц существенно зависит от их размеров. Слишком крупные частицы могут только колебаться, слишком мелкие частицы движутся почти так же быстро, как и молекулы, и плохо поддаются наблюдениям. Размеры броуновских частиц в тысячи раз превышают размеры молекул, поэтому они видны в обычный микроскоп и за их скачками удобно следить. Понятно, что при нагревании интенсивность броуновского движения повышается. Скорость движения связана с температурой.
Опыт Штерна(1920)
Если цилиндры неподвижны, то атомы попадают в точку n.
При вращении цилиндров со ско-ростью ω атомы попадают в точку n1. Так как скорости атомов неодинаковы, то полоска размыта.
Время прохождения молекулой расстояния ℓ равно времени поворота диска 2 на угол α.
Скорость молекул серебра 600м/с.
Распределения молекул по скоростям
График распределения молекул по скоростям. Английский физик Дж. Максвелл и австрийский физик Л. Больцман. Кривая распределения Максвелла соответствует результатам, полученным в опыте Штерна. Количество частиц, имеющих скорости в интервале Dυ, рав-но DN, υ - одна из скоростей этого интервала. Из графика видно, что количество частиц, имеющих ско-рости в равных интервалах Dυ1 и Dυ2, различно. Скорость, около которой расположены наиболее «населенные» интервалы,— наиболее вероятная скорость теплового движения молекул.
υнв наиболее вероятная скорость; υср средняя скорость
∆N - число молекул со скоростью в интервале от υ + ∆υ; ∆υ = υ ∆α / α
Ос новные выводы
1. Распределение по скоростям имеет определенную закономерность.
2. Среди молекул газа имеются как очень быстрые, так и очень медленные молекулы.
3. Распределение молекул по скоростям зависит от температуры.
4. Чем больше Т, тем больше максимум кривой распределения смещается в сторону больших скоростей.
6) Брызгают дезодорантом и все в классе чувствуют запах
7 ) В колбу помещают листочки бумаги, смоченные фенолфталеином - веществом, которое при соединении с аммиаком окрашивается в оранжевый цвет. Это свойство фенолфталеина служить индикатором присутствия аммиака, демонстрируем предварительно на отдельном листочке бумаги, смоченным этим веществом. После этого у горлышка колбы закрепляют ватку с аммиаком. Через некоторое время листочки бумаги, смоченные фенолфталеином, окрашиваются в оранжевый цвет
8) Окрашивание воды марганцовкой
В различных агрегатных состояниях характер этого движения различен:
В твердых телах молекулы колеблются вблизи положений равновесия; твердые тела
сохраняют форму и объем (их трудно деформировать);
В жидкостях молекулы колеблются почти так же, как в твердых телах, но сами
положения равновесия постоянно перемещаются (молекулы жидкости - это
"кочевники"); жидкости имеют конечный объем и мало сжимаемы;
В газах молекулы свободно и хаотически (беспорядочно) движутся; газ занимает
весь предоставленный ему объем.
Благодаря различию в молекулярном строении вещества, находящиеся в различных
агрегатных состояниях, ведут себя по-разному. Так, при одинаковых температурах
диффузия в газах происходит в десятки тысяч раз быстрее, чем в жидкостях, и в
миллиарды раз быстрее, чем в твердых телах.
Почему так мала скорость диффузии в газах, если молекулы имеют столь большие скорости?
Объясните процесс сварки металлов путем их расплавления или путем давления
Объясните изменение плотности земной атмосферы с высотой. (Диффузия газа в гравитационном поле)
III.Молекулы взаимодействуют.
Молекулы взаимодействуют друг с другом: между ними действуют силы отталкивания и притяжения, которые быстро убывают при увеличении расстояний между молекулами. Природа этих сил электромагнитная. Силы притяжения препятствуют испарению жидкости, растяжению твердого тела.
При попытке сжать твердое или жидкое тело мы ощущаем значительные силы отталкивания.
В притяжении молекул легко убедиться при наблюдении опытов, связанных с поверхностным натяжением и смачиванием.
9) Сжатие и растяжение тел (пружина)
10) Соединение стальных цилиндров
11) Опыт с пластинками и водой (Смачивают две стеклянные пластинки и прижимают их друг к другу. После пытаются их отсоединить, для этого прилагают некоторые усилия).
12) Явление отсутствия смачивания монетка, смазанная маслом, плавает на поверхности воды
13) Капиллярные явления - подъем подкрашенной воды в капилярах
Объясните действие клея.
Пофантазируйте:
что было бы, если бы между молекулами не существовало сил притяжения?
что было бы, если бы между молекулами не существовало сил отталкивания?
03.02.2015
Урок 39 (10 класс)
Тема. Основные положения МКТ строения вещества и её опытное обоснование
1. Задачи курса молекулярная физика и МКТ; макро- и микротела
Для начала давайте вспомним все предыдущие разделы физики, которые мы изучали, и поймём, что всё это время мы рассматривали процессы, происходящие с макроскопическими телами (или объектами макромира). Теперь же мы будем изучать их строение и процессы, протекающие внутри них.
Определение. Макроскопическое тело – тело, состоящее из большого числа частиц. Например: машина, человек, планета, бильярдный шар…
Микроскопическое тело – тело, состоящее из одной или нескольких частиц. Например: атом, молекула, электрон… (рис. 1)
Рис. 1. Примеры микро- и макрообъектов соответственно
Определив таким образом предмет изучения курса МКТ, следует теперь поговорить об основных целях, которые ставит перед собой курс МКТ, а именно:
1. Изучение процессов, происходящих внутри макроскопического тела (движение и взаимодействие частиц)
2. Свойства тел (плотность, масса, давление (для газов)…)
3. Изучение тепловых явлений (нагревание-охлаждение, изменения агрегатных состояний тела)
Изучение этих вопросов, которое будет проходить на протяжении всей темы, начнётся сейчас с того, что мы сформулируем так называемые основные положения МКТ, то есть некоторые утверждения, истинность которых уже давно не подвергается сомнениям, и, отталкиваясь от которых, будет строиться весь дальнейший курс.
Разберём их по очереди:
2. Первое основное положение МКТ; молекулы, атомы
Все вещества состоят из большого количества частиц – молекул и атомов.
Определение.Атом – мельчайшая частица химического элемента. Размеры атомов (их диаметр) имеет порядок см. Стоит отметить, что различных типов атомов, в отличие от молекул, относительно немного. Все их разновидности, которые на сегодняшний день известны человеку, собраны в так называемой таблице Менделеева (см. рис. 2)
Рис. 2. Периодическая таблица химических элементов (по сути разновидностей атомов) Д. И. Менделеева
Молекула – структурная единица вещества, состоящая из атомов. В отличие от атомов, они больше и тяжелее последних, а главное, они обладают огромным разнообразием.
Вещество, молекулы которого состоят из одного атома, называются атомарными
, из большего количества – молекулярными
. Например: кислород, вода, поваренная соль () – молекулярные; гелий серебро (He, Ag) – атомарные. 
Причём следует понимать, что свойства макроскопических тел будут зависеть не только от количественной характеристики их микроскопического состава, но и от качественной.
Если в строении атомов вещество имеет какую-то определённую геометрию (кристаллическую решётку ), или же, наоборот, не имеет, то этим телам будут присущи различные свойства. Например, аморфные тела не имеют строгой температуры плавления. Самый известный пример – это аморфный графит и кристаллический алмаз. Оба вещества состоят из атомов углерода.
Рис. 3. Графит и алмаз соответственно
Таким образом «из скольких, в каком взаимном расположении и каких атомов и молекул состоит вещество?» - первый вопрос, ответ на который приблизит нас к пониманию свойств тел.
3. Второе основное положение МКТ
Все частицы находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении.
Так же, как и в рассматриваемых выше примерах, важно понимание не только количественных аспектов этого движения, но и качественных для различных веществ.
Молекулы и атомы твёрдых тел совершают лишь небольшие колебания относительно своего постоянного положения; жидких – также совершают колебания, но из-за больших размеров межмолекулярного пространства иногда меняются местами друг с другом; частички газа, в свою очередь, практически не сталкиваясь, свободно перемещаются в пространстве.
4. Третье основное положение МКТ
Частицы взаимодействуют друг с другом.
Взаимодействие это носит электромагнитный характер (взаимодействия ядер и электронов атома) и действует в обе стороны (как притягивание, так и отталкивание).
Здесь: d – расстояние между частицами; a – размеры частиц (диаметр).
Впервые понятие «атом» было введено древнегреческим философом и естествоведом Демокритом (рис. 4). В более поздний период активно задался вопросом о структуре микромира русский учёный Ломоносов (рис. 5).
Рис. 4. Демокрит Рис. 5. Ломоносов
5. Различные варианты обоснования положений МКТ
Для начала вспомним основные положения МКТ, а именно:
1. Все тела состоят из маленьких частиц – молекул и атомов,
2. Эти частицы находятся в постоянном хаотическом движении,
3. Эти частицы непрерывно взаимодействуют между собой.
Так как же получить опытное подтверждение этих утверждений? На самом деле с одним из способов знаком каждый без исключения человек. Это диффузия, или смешивание, говоря простым языком.
Определение. Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в пространство между молекулами другого (рис. 6).
Рис. 6. Процесс диффузии в газах
Диффузия может происходить как в газах (мы можем наблюдать этот процесс, чувствуя распространение запахов), в жидкостях (смешивание окрашенной воды разных цветов) и даже в твёрдых телах (если на длительное время положить друг на друга очень гладкие листы стекла или металла, то невозможно будет отличить, где кончается один лист и начинается другой). Более того, существует также смешанная диффузия, то есть проникновение молекул газа в твёрдые и жидкие тела (иначе рыба в воде не могла бы дышать) и т. д. (Рис. 7)
Рис. 7. различные примеры диффузии
Действительно, если предположить, что вещество – некая сплошная структура, становится совершенно непонятно, как объяснить все вышеупомянутые явления.
Однако основным аргументом в объяснении основных положений МКТ является броуновское движение.
6. Описание опыта Броуна
Определение. Броуновское движение – непрерывное тепловое хаотическое движение молекул вещества (Рис. 8).
Этот термин вошёл в обиход после того, как в 1827 г. шотландский ботаник Роберт Броун, смешав пыльцу плавуна с водой и рассмотрев каплю смеси под микроскопом, наблюдал вышеупомянутое движение.
Рис. 8. Траектория частицы при броуновском движении
7. Объяснение опыта Броуна
Однако, так как Броун мог рассмотреть в микроскоп лишь частицы пыльцы, он неправильно трактовал своё открытие (думал, что пыльца живая). Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории.
Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга .
На рисунке 8.4 схематически показано положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул. При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы, например слева и справа, неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.
Рис. 9. Броуновская частица пыльцы в воде
Среднее давление имеет определенное значение как в газе, так и в жидкости. Но всегда происходят незначительные случайные отклонения от этого среднего значения. Чем меньше площадь поверхности тела, тем заметнее относительные изменения силы давления, действующей на данную площадь. Так, например, если площадка имеет размер порядка нескольких диаметров молекулы, то действующая на нее сила давления меняется скачкообразно от нуля до некоторого значения при попадании молекулы в эту площадку.
Построение теории броуновского движения и ее экспериментальное подтверждение французским физиком Ж. Перреном окончательно завершили победу молекулярно-кинетической теории. Спустя почти век уже немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879-1955) понял, что крупную частицу пыльцы просто-напросто толкают намного более мелкие молекулы воды, которые сами уже непосредственно движутся хаотически (Рис. 9).
Подобные наблюдения можно проводить множеством других способов: капните краской в воду и взгляните на смесь под микроскопом, понаблюдайте за отдельной пылинкой, движущейся у вас в квартире…
8. Доказательство основных положений
Таким образом, наличие броуновского движения полностью подтверждают введённые положения МКТ. Сам факт движения пыльцы подтверждает их. Раз пыльца движется, значит, на неё действуют силы. Единственная возможная причина возникновения этих сил – это соударения каких-либо маленьких тел. Следовательно, уже невозможно сомневаться в первых двух положениях. А так как частица пыльцы меняет своё направление, значит в различные моменты времени количество ударов по пыльце с определённой стороны разное, а значит, нельзя сомневаться и в том, что молекулы воды взаимодействуют друг с другом.
Броуновское движение - тепловое движение, и оно не может прекратиться. С увеличением температуры интенсивность его растет. На рисунке 8.3 приведена схема движения броуновских частиц. Положения частиц, отмеченные точками, определены через равные промежутки времени - 30 с. Эти точки соединены прямыми линиями. В действительности траектория частиц гораздо сложнее.
Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Его совершают взвешенные в воздухе частицы пыли или дыма. Красочно описывает броуновское движение немецкий физик Р. Поль (1884-1976): «Немногие явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы
того, что совершается в природе. Перед ним открывается новый мир - безостановочная сутолока огромного числа частиц. Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частицы, почти мгновенно меняя направление движения. Медленнее продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют направление движения. Большие частицы практически толкутся на месте. Их выступы явно показывают вращение частиц вокруг своей оси, которая постоянно меняет направление в пространстве. Нигде нет и следа системы или порядка. Господство слепого случая - вот какое сильное, подавляющее впечатление производит эта картина на наблюдателя». В настоящее время понятие броуновское движение используется в более широком смысле. Например, броуновским движением является дрожание стрелок чувствительных измерительных приборов, которое происходит из-за теплового движения атомов деталей приборов и окружающей среды.
Опыты Перрена.
Идея опытов Перрена состоит в следующем.
Известно, что концентрация молекул газа в атмосфере уменьшается с высотой. Если бы не было теплового движения, то все молекулы упали бы на Землю и атмосфера исчезла бы. Однако если бы не было притяжения к Земле, то за счет теплового движения молекулы покидали бы Землю, так как газ способен к неограниченному расширению. В результате действия этих противоположных факторов устанавливается определенное распределение молекул по высоте, о чем сказано выше, т. е. концентрация молекул довольно быстро уменьшается с высотой. Причем, чем больше масса молекул, тем быстрее с высотой убывает их концентрация.
Броуновские частицы участвуют в тепловом движении. Так как их взаимодействие пренебрежимо мало, то совокупность этих частиц в газе или жидкости можно рассматривать как идеальный газ из очень тяжелых молекул. Следовательно, концентрация броуновских частиц в газе или жидкости в поле тяжести Земли должна убывать по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Закон этот известен.
Перрен с помощью микроскопа большого увеличения и малой глубины поля зрения (малой глубины резкости) наблюдал броуновские частицы в очень тонких слоях жидкости. Подсчитывая концентрацию частиц на разных высотах, он нашел, что эта концентрация убывает с высотой по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Отличие в том, что за счет большой массы броуновских частиц убывание происходит очень быстро.
Более того, подсчет броуновских частиц на разных высотах позволил Перрену определить постоянную Авогадро совершенно новым методом. Значение этой постоянной совпало с известным.
Все эти факты свидетельствуют о правильности теории броуновского движения и, соответственно, о том, что броуновские частицы участвуют в тепловом движении молекул.
Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.
Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса - масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.
Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды:
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.