Масса и размер молекул.
Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
В физике для описания тепловых явлений используют два основных метода: молекулярно-кинетический (статистический) и термодинамический.
Молекулярно-кинетический метод (статистический) основан на представлении о том, что все вещества состоят из молекул, находящихся в хаотическом движении. Так как число молекул огромно, то можно, применяя законы статистики, найти определенные закономерности для всего вещества в целом.
Термодинамический метод исходит из основных опытных законов, получивших название законов термодинамики. Термодинамический метод подходит к изучению явлений подобно классической механике, которая базируется на опытных законах Ньютона. При таком подходе не рассматривается внутреннее строение вещества.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
И их опытное обоснование. Броуновское движение.
Масса и размер молекул.
Теорию, которая изучает тепловые явления в макроскопических телах и объясняет зависимости внутренних свойств тел от характера движения и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, называют молекулярно-кинетической теорией (сокращённо МКТ) или просто молекулярной физикой.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три важнейшие положения:
Согласно первому положению МКТ, все тела состоят из огромного количества частиц (атомов и молекул), между которыми есть промежутки.
Атом – это электрически нейтральная микрочастица, состоящая из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Совокупность атомов одного вида называют химическим элементом. В естественном состоянии в природе встречаются атомы 90 химических элементов, наиболее тяжёлым из которых является уран. При сближении атомы могут объединяться в устойчивые группы. Системы из небольшого числа связанных друг с другом атомов называют молекулой. Например, молекула воды состоит из трёх атомов (рис.): двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О), поэтому её обозначают Н2О. Молекулыявляютсянаименьшими устойчивыми частицами данного вещества, обладающими его основными химическими свойствами. Например, наименьшая частица воды – это молекула воды, наименьшая частица сахара – молекула сахара.
Про вещества, состоящие из атомов, не объединённых в молекулы, говорят, что они находятся в атомарном состоянии; в противном случае говорят о молекулярном состоянии. В первом случае мельчайшей частицей вещества является атом (например Не), во втором случае – молекула (например Н2О).
Если два тела состоят из одного и того же числа частиц, то говорят, что эти тела содержат одинаковое количество вещества. Количество вещества обозначается греческой буквой ν(ню) и измеряется в молях. За 1 моль принимают количество вещества в 12 г углерода. Так как в 12 г углерода содержится приблизительно 6∙1023 атомов, то для количества вещества (т.е. числа молей) в теле, состоящем из N частиц, можно написать
моль. (1)
Если ввести обозначения NA= 6∙1023 моль-1.
то соотношение (1) примет вид следующей простой формулы:
(2)
Таким образом, количество вещества— это отношение числа N молекул (атомов) в данном макроскопическом теле к числу NA атомов в 0,012 кг атомов углерода:
В 1 моле любого вещества содержится NA = 6,02·1023 молекул. Число NA называют постоянной Авогадро.Физический смысл постоянной Авогадро заключается в том, что её значение показывает число частиц (атомов- в атомарном веществе, молекул –в молекулярном), содержащееся в 1 моле любого вещества.
Массу одного моля вещества называют молярной массой. Если молярную массу обозначить буквой μ, то для количества вещества в теле массой m можно записать:
(3)
Из формул (2) и (3) следует, что число частиц в любом теле можно определить по формуле:
(4)
Молярная масса определяется по формуле
М=Мг ·10-3кг/моль
Здесь через Мг обозначена относительная молекулярная (атомная) масса вещества, измеренная в а.е.м. (атомные единицы массы), которой в молекулярной физике принято характеризовать массу молекул (атомов).Относительную молекулярную массуМг можно определить, если среднюю массу молекулы ( mm) данного вещества разделить на 1/12 массы изотопа углерода 12С:
1/12 m12C = 1а.е.м =1,66·10-27 кг.
При решении задач эту величину находят с помощью таблицы Менделеева. В этой таблице указаны относительные атомные массы элементов. Складывая их в соответствии с химической формулой молекулы данного вещества, и получают относительную молекулярную Мг.Например, для
углерода (С) Мг=12·10-3кг/моль
воды (Н2О)Мг=(1·2+16)=18·10-3кг/моль.
Аналогично определяется и относительная атомная масса.
Моль газа при нормальных условиях занимает объем V0 = 22,4·1023 м3
Следовательно, в 1 м3 любого газа при нормальных условиях (определяемых давлением Р=101325 Па =105Па=1атм; температурой 273ºК (0ºС), объёмом 1 моля идеального газа V0=22,4 10-3м3) содержится одинаковое число молекул:
Это число получило название постоянной Лошмидта.
Чётких границ молекулы (как и атомы) не имеют. Размеры молекул твёрдых тел можно ориентировочно оценить следующим образом:
где - объём приходящийся на 1 молекулу, - объём всего тела,
m и ρ – его масса и плотность, N – число молекул в нём.
Атомы и молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом или с помощью оптического микроскопа. Поэтому сомнения многих учёных конца XIX в. в реальности их существования понять можно. Однако в XX в. ситуация стала иной. Сейчас с помощью электронного микроскопа, а также средств голографической микроскопии можно наблюдать изображение не только молекул, но даже отдельных атомов.
Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что 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).
Массы отдельных молекул и атомов очень малы, например абсолютное значение массы молекулы воды порядка 3·10-26 кг. Массу отдельных молекул экспериментально определяют с помощью специального прибора – масс-спектрометра.
Кроме прямых экспериментов, позволяющих наблюдать атомы и молекулы, в пользу их существования говорит и множество других косвенных данных. Таковы, например, факты, касающиеся теплового расширения тел, их сжимаемости, растворения одних веществ в других и т.д.
Согласно второму положению молекулярно-кинетической теории,частицы непрерывно и хаотически (беспорядочно) движутся.
Это положение подтверждается существованием диффузии, испарения, давление газа на стенки сосуда, а также явлением броуновского движения.
Хаотичность движения означает, что у молекул не существует каких-либо предпочтительных путей и их движения имеют случайные направления.
Диффузия (от латинского diffusion – растекание, распространение) – явление, когда в результате теплового движения вещества происходит самопроизвольное проникновение одного вещества в другое (если эти вещества соприкасаются). Согласно молекулярно-кинетической теории, такое перемешивание происходит в результате того, что беспорядочно движущиеся молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого вещества. 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. Наиболее быстро диффузия происходит в газах (именно поэтому так быстро распространяется запах в воздухе). В жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах. Это объясняется тем, что молекулы жидкости расположены значительно гуще, и потому «пробираться» через них значительно труднее. Медленнее всего диффузия происходит в твёрдых телах. В одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили одна на другую и сжали грузом. Через пять лет золото и свинец проникли друг в друга на 1мм. Диффузия в твёрдых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, хромировании и т.п. Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Например, именно благодаря диффузии кислород из лёгких проникает в кровь человека, а из крови - в ткани.
Броуновским движением называют беспорядочное движение взвешенных в жидкости или газе мелких частичек другого вещества. Это движение было открыто в 1827 г. английским ботаником Р.Броуном, который наблюдал в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде. В наше время для таких наблюдений используют маленькие части краски гуммигут, которая не растворяется в воде. В газе броуновское движение совершают, например, взвешенные в воздухе частицы пыли или дыма. Броуновское движение частицы возникает потому, что импульсы, с которыми молекулы жидкости или газа действуют на эту частицу, не компенсируют друг друга. Молекулы среды (то есть молекулы газа или жидкости) движутся хаотично, поэтому их удары приводят броуновскую частицу в беспорядочное движение: броуновская частица быстро меняет свою скорость по направлению и по величине (рис.1).
В ходе изучения броуновского движения было обнаружено, что его интенсивность: а) увеличивается с ростом температуры среды; б) увеличивается при уменьшении размеров самих броуновских частиц; в)уменьшается в более вязкой жидкости и г) совершенно не зависит от материала (плотности) броуновских частиц. Кроме того, было установлено, что это движение универсально (поскольку наблюдается у всех веществ, взвешенных в распыленном состоянии в жидкости), непрерывно (в закрытом со всех сторон кювете, его можно наблюдать неделями, месяцами, годами) и хаотично (беспорядочно).
Согласно третьему положению МКТ, частицы вещества взаимодействуют друг с другом: притягиваются на небольших расстояниях и отталкиваются, когда эти расстояния уменьшаются.
Наличие сил межмолекулярного взаимодействия (сил взаимного притяжения и отталкивания) объясняет существование устойчивых жидких и твёрдых тел.
Этими же причинами объясняется малая сжимаемость жидкостей и способность твёрдых тел сопротивляться деформациям сжатия и растяжения.
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу и сводятся к двум типам: притяжению и отталкиванию. Эти силы проявляются на расстояниях, сравнимых с размерами молекул. Причиной этих сил является то, что молекулы и атомы состоят из заряженных частиц с противоположными знаками зарядов – отрицательных электронов и положительно заряженных атомных ядер. В целом молекулы электрически нейтральны. На рисунке 2.2 с помощью стрелок показано, что ядра атомов, внутри которых находятся положительно заряженные протоны, отталкиваются друг от друга, так же ведут себя и отрицательно заряженные электроны. А вот между ядрами и электронами действуют силы притяжения.
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. При этом появляются силы притяжения молекул, которые возвращают частицы в первоначальное положение. При сжатии твёрдого тела частицы сближаются на расстояния. Это приводит к увеличению сил отталкивания, которые возвращают частицы в первоначальное положение и препятствуют дальнейшему сжатию.
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
О справедливости этого положения свидетельствует сопротивляемость всех тел сжатию, а также (за исключением газов) –их растяжению.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Растворение осадков | | |
Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 7145;