asyan.org
добавить свой файл
1
Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини та її дослідне обґрунтування. Маса та розміри атомів і молекул. Кількість речовини.
1. Молекулярно-кінетична теорія будови речовини (МКТ). Розвиток поглядів на будову речовини.

Молекулярна фізика — це розділ фізики, який розглядає властивості тіл як сумарний результат руху та взаємодії величезної кількості молекул, з яких складаються ці тіла.

Досягненнями молекулярної фізики широко користуються інші науки — хімія, біологія тощо. Основні уявлення молекулярної фізики використовуюся у таких спеціальних галузях науки, як фізика металів, полімерів і плазми, кристалофізика, фізико- хімічна механіка. Саме молекулярна фізика вказує шляхи на створення матеріалів із заданими властивостями.

Основою молекулярної фізики є молекулярно-кінетична теорія будови речовини (МКТ).

Перші уявлення про молекулярну будову речовини зародилися ще за сивої давнини. Понад дві тисячі років тому давньогрецькі філософи, серед яких Демокріт (460–370 рр. до н. е.), припускали, що все у світі складається з дуже маленьких неподільних частинок — атомів. Наявні у світі речі різняться атомами, з яких складаються, їх порядком і положенням. Хоча ще раз слід наголосити, що уявлення давніх атомістів про дискретну будову речовини були лише здогадкою.

У середні віки послідовники атомістичного вчення, яке по суті було глибоко матеріалістичним, переслідувалися інквізицією і владою. Так, у 1026 р. вищий суд Франції під страхом смертної кари заборонив поширення атомістичного учення. Лише в XVII ст. І. Ньютон зробив спробу пояснити розширення газів на основі передбачення, що молекули намагаються заповнити простір.

У XVIIІ ст. прихильник і пропагандист МКТ М. Ломоносов сформулював основні положення цієї теорії, які не зазнали суттєвих змін і до сьогодні.

Мета молекулярно-кінетичної теорії — пояснення властивостей макроскопічних тіл і теплових процесів на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих частинок, які хаотично рухаються.

2. Основні положення МКТ та її дослідне обґрунтування

В основі МКТ речовини лежать три основні положення.

1) Всі речовини дискретні, вони складаються з молекул і атомів.

Молекула — дрібна електронейтральна частинка речовини, яка зберігає її хімічні властивості.

2) Молекули і атоми всіх речовин перебувають у безперервному хаотичному русі.

3) Між молекулами всіх речовин діють сили притягання й відштовхування.

Кожне з цих положень суворо доведено дослідним шляхом.

Реальне існування молекул підтверджується масою експериментальних фактів, з-поміж яких можна виділити можливість механічного дроблення речовини, розчинення речовин у воді та інших розчинниках, стискання і розширення газів. Але найбільш переконливими є такі процеси, як броунівський рух та дифузія.

Припущення про молекулярну будову речовини підтверджу­валося лише побічно. Розміри молекул і атомів настільки дрібні, що розрізнити їх у звичайний мікроскоп неможливо. Тому навіть у ХІХ ст. багато вчених ще сумнівалися в існуванні молекул. Нара­зі техніка досягла рівня, за якого можна розгледіти навіть окремі атоми.

Переконатися в існуванні молекул та оцінити їхні розміри можна досить просто. Помістимо дуже маленьку крапельку олії на поверхню води. Масляна пляма розтікатиметься по поверхні води, але площа масляної плівки не може перевищувати певного зна­чення. Природно припустити, що максимальна площа плівки від­повідає масляному шару завтовшки в одну молекулу. Наприклад, крапелька маслинової олії об’ємом 1 мм3 розтікається по площі не більш ніж 1 м2. Звідси випливає, що розмір молекули олії стано­вить порядку 10-9 м.

Переконатися в тому, що молекули рухаються, дуже просто: капніть крапельку парфумів в одному кінці кімнати, і через кіль­ка секунд цей запах пошириться по всій кімнаті. У повітрі навко­ло нас молекули носяться зі швидкостями артилерійських снаря­дів — сотні метрів на секунду.

Чудовою властивістю руху молекул є те, що він ніколи не при­пиняється. Саме цим рух молекул істотно відрізняється від руху предметів, що оточують нас, адже механічний рух неминуче при­пиняється внаслідок тертя.

У 1827 р. англійський ботанік Роберт Броун, спостерігаючи під мікроскопом рух спор рослин у краплині рідини, виявив, що ці частки перебувають у «нескінченному тан­ці» і що траєкторія руху кожної частинки є ламаною лінією (рис.1).



Причину так званого «броунівського руху» зрозуміли лише че­рез 50 років після його відкриття: окремі удари молекул рідини об частку не компенсують один одного, якщо ця частка досить дрібна. З тих часів броунівський рух розглядається як наочне дослідне під­твердження руху молекул.

Багато дослідів свідчать про наявність сил міжмолекулярної взаємодії. Якби молекули не притягувалися одна до одної, не було б ні рідин, ні твердих тіл — вони просто розсипалися б на окремі молекули. З іншого боку, якби молекули лише притягувалися, вони «злипалися» б у надзвичайно щільні згустки, а молекули газів унаслідок ударів об стінки посудини «прилипали» б до них. Взаємодія молекул має електричну природу. Хоча молекули за­галом електрично нейтральні, розподіл позитивних і негативних електричних зарядів у них такий, що на значних відстанях (по­рівняно з розмірами власне молекул) молекули притягуються, а на малих відстанях — відштовхуються.

^ Броунівський рух — це рух найдрібніших частинок твердої речовини під ударами молекул рідини чи газу, у яких ці частинки містяться.

Запитання до класу

  1. Для яких частинок броунівський рух помітніший: для більш чи менш дрібних? Чому?

  2. Чи залежить броунівський рух від температури рідини чи газу? Як саме?

  3. Чому броунівський рух не спостерігається для чаїнок у склянці чаю?

  4. Підтвердженням яких положень МКТ є броунівський рух?

Дифузія речовин — це явище проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої речовини внаслідок дотикання цих речовин.

Запитання до класу

  1. Підтвердженням яких положень МКТ є дифузія?

  2. Чи може дифузія відбуватися між речовинами, що перебувають у різних агрегатних станах? в одному агрегатному стані? Наведіть приклади.

  3. Від чого залежить швидкість дифузії?

  4. Яке практичне значення має дифузія в життєдіяльності людини (побуті, промисловості)? в природі?

Усі речовини в будь-яких агрегатних станах дифундують, причому із різною швидкістю. Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовин, власне речовин, а також від їх температури.

Параметри газу, пов’язані з індивідуальними характеристика­ми молекул, що складають його, називаються мікроскопічними па­раметрами (маси молекул, їхні швидкості, концентрація).

Параметри, які характеризують стан макроскопічних тіл без урахування їхньої молекулярної будови, називаються макроско­пічними параметрами (об’єм, тиск, температура).

Співвідношення між макроскопічними параметрами — темпе­ратурою, об’ємом і тиском — називається рівнянням стану.

^ Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії:

установити зв’язок між макроскопічними та мікроскопічни­ми параметрами речовини й, виходячи з цього, визначити рів­няння стану цієї речовини.

Наприклад, знаючи масу молекул, їхні середні швидкості й концентрацію, можна обчислити об’єм, тиск і температуру маси газу, а також виразити тиск газу через його об’єм і температуру.

3. Відносна молекулярна й атомна маса

Розміри молекул і атомів надзвичайно малі. Наведемо декілька цікавих фактів.

  • Молекула менша за яблуко у стільки разів, у скільки разів яблуко менше за Землю.

  • Якщо уявити, що олія створює на поверхні води плівку завтовшки в одну молекулу, то така плівка буде тонша за людську волосину приблизно в 40 000 разів.

  • У 1 см2 повітря стільки молекул, що, взявши таку саму кількість піщинок, можна було б засипати територію великого підприємства.

  • Якщо взяти таку кількість цеглин, скільки молекул міститься в 1 cм3 повітря, то цегла б щільно вкрила поверхню Землі шаром заввишки 120 м (висота 40-поверхового будинку).

  • У краплі води діаметром 0,1 мм приблизно 1016 молекул, що майже в мільйон разів більше, ніж людей, які мешкають на Землі.

Відповідно надзвичайно малі і маси атомів і молекул, тому для розв’язання задач молекулярної фізики замість власне масс атомів і молекул використовують їхні відносні величини, порівнюючи масу атома або молекули із 1/12 маси атома Карбону. Таке порівняння було прийнято в 1961 році за пропозицією Д. Дальтона. Подібний вибір обумовлено тим, що Карбон входить до складу багатьох хімічних сполук. А множник 1/12 введено для того, щоб відносні атомні маси наближалися до цілих чисел.

^ Відносна молекулярна маса Mrце відношення маси молекули до 1/12 частини маси атома Карбону:

де mМмаса молекули речовини, mС — маса атома Карбону.

^ Відносна атомна маса Arце відношення маси молекули до 1/12 частини маси атома Карбону.

Через малу масу молекул і атомів їхні маси часто вимірюють не в одиницях СІ — кілограмах, а в атомних одиницях маси (а. о. м.) — маси 1/12 частини атома Карбону mС .

Значення відносної атомної маси для певної речовини можна знайти за допомогою таблиці Менделєєва, округливши наведене в ній значення до цілого. Наприклад, відносні атомні маси Гелію, Карбону й Оксигену відповідно дорівнюють 4, 12 і 16.

Щоб визначити відносну молекулярну масу речовини, потрібно знати її хімічну формулу й відносні атомні маси атомів, що входять до складу молекули цієї речовини.

Наприклад, відносна молекулярна маса води дорівнює 18, тому що відповідно до хімічної формули води (H2O) молекула води скла­дається з двох атомів Гідрогену (з відносною атомною масою 1) і од­ного атома Оксигену (з відносною атомною масою 16).

4. Кількість речовини. Молярна маса

Кількість речовини найбільш природно було б вимірювати числом атомів чи молекул в тілі. Але їх число в макроскопічному тілі настільки велике, що в розрахунках використовується не абсолютне, а відносне число молекул.

Фізичну величину, що визначає число молекул у певному тілі, називають кількістю речовини.

Як одиницю вимірювання кількості речовини вибрали таку кількість молекул, щоб їхня загальна маса, виражена в грамах, чи­сельно дорівнювала відносній молекулярній масі.

Оскільки маси окремих молекул відрізняються одна від одної, то однакові кількості різних речовин мають різну масу. Напри­клад, 1025 молекул водню і 1025 молекул кисню вважаються од­наковою кількістю речовини, хоча вони мають різні маси (33,45 г і 531,45 г відповідно). Отже, маса не є мірою кількості речовини. У СІ кількість речовини виражають у молях.

Молем називається кількість речовини, яка містить стільки ж молекул (атомів), скільки їх міститься в 12 г вуглецю.

Для більшості розрахунків (у тому числі для розв’язання задач) можна прийняти, що один моль містить стільки ж молекул, скіль­ки атомів Гідрогену міститься в 1 г водню.

^ Молярна маса M дорівнює відношенню маси речовини m до кількості молей ν у ній:

де ν — кількість речовини.

^ Фізичний зміст молярної маси: молярна маса — це маса одного моля речовини.

Одиниця молярної маси в СІ — кілограм на моль (кг/моль), M=Mr ⋅10-3 .

^ Об’єм одного моля речовини VМ можна знайти, розділивши молярну масу речовини М на її густину ρ : .

5. Стала Авогадро, її фізичний зміст

Італійський фізик і хімік Амадео Авогадро в ХІХ ст. визначив кількість молекул в одному молі речовини. Цю кількість назвали сталою Авогадро NА : NА=6,02⋅10-23 1/моль або моль-1

Маса одного моль води, що містить NА молекул, дорівнює 18 г, а маса однієї молекули води дорівнює 18 а.о.м. Отже, стала Аво­гадро є перекладним множником між грамом і атомною одиницею маси: в одному грамі міститься NА атомних одиниць маси.

Оскільки стала Авогадро чисельно дорівнює числу молекул в одному моль, то



Якщо кількість речовини у певному тілі відома, легко обчис­лити число молекул N у цьому тілі:

^ Фізичний зміст сталої Авогадро: число Авогадро показує, що в одному молі будь-якої речовини міститься 6,02⋅10-23 молекул.

Знання сталої Авогадро дозволяє обчислити масу однієї моле­кули.

Нехай тіло містить 1 моль речовини. Тоді маса тіла чисельно дорівнює M, а число молекул у ньому чисельно дорівнює NА. По­значаючи масу однієї молекули m0, дістаємо:



Можна сказати, що NА — це «місток» між макросвітом (сві­том тіл, що оточують нас) і мікросвітом (світом атомів і молекул). Якщо тіло містить моль речовини, то число молекул N у цьому тілі визначається виразом:

Відношення числа молекул N до об’єму V, який займають ці молекули, називається концентрацією молекул і позначається :

Концентрація молекул вимірюється в 1/м3.

Також Авогадро встановив закон, який назвали законом Авогадро.

^ Закон Авогадро: у рівних об’ємах різних газів за однакових умов завжди міститься однакова кількість молекул.

6. Обчислення маси молекули та кількості молекул в об’ємі речовини

Інколи для розв’язування задач молекулярної фізики необхідно вміти обчислювати масу молекули та кількість молекул, яка міститься в речовині.

Визначити масу молекули mМ можна у такий спосіб.

1) Молярну масу речовини М розділити на число молекул в одному молі речовини, тобто на число Авогадро NА :

2) Масу всієї речовини m розділити на число молекул в ній N:

3) Густину речовини ρ розділити на концентрацію молекул n, тобто на їх число в одиниці об’єму:

Число молекул N у деякому об’ємі речовини можна знайти також у декілька способів. Розглянемо три з них.

1) Число молекул N у речовині даної маси або даного об’єму дорівнює добутку числа молекул в одному молі, тобто числа Авогадро NА , на число молей у речовині ν:

2) Число молекул N дорівнює відношенню маси речовини m до маси однієї молекул mМ :

3) Число молекул N дорівнює добутку числа молекул в одиниці об’єму речовини, тобто їх концентрації n на їхній об’єм V: .