Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) вещества состоят в следующем:
1)Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов, ионов и др.
Молекула — мельчайшая частица вещества, способная к самостоятельному существованию и сохраняющая некоторые его свойства. Молекулы, образующие данное вещество, совершенно одинаковы; различные вещества состоят из различных молекул. В природе существует чрезвычайно большое количество различных молекул. Молекулы состоят из более мелких частиц - атомов.
Атомы — мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства. Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов (105) и их изотопов (около 1500). Атомы представляют собой весьма сложные образования, но классическая МКТ рассматривает их как твердые неделимые частички сферической формы, взаимодействующие между собой по законам механики.
|
|
Доказательством молекулярного строения вещества является диффузия, распространение запахов, при котором отдельные молекулы раздражают центры обоняния, а также фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа и ионного проектора.
2)Молекулы находятся на определенных расстояниях друг от друга.
Доказательством этого является возможность сжатия твердых тел и растворения одних веществ в других.
Величина этих расстояний зависит от степени нагретости тела и агрегатного состояния вещества.
3)Молекулы связаны друг с другом силами молекулярного взаимодействия - притяжения и отталкивания.
Эти силы зависят от расстояния между частицами (см.ниже, 6.4).
Опытным доказательством этого положения является трудность сжатия и растяжения твердых и жидких тел.
4)Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (тепловом) движении.
Характер теплового движения (поступательное, колебательное, вращательное) молекул зависит от характера их взаимодействия и изменяется при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Интенсивность теплового движения зависит от степени нагретости тела, характеризуемой абсолютной температурой. Доказательством этого положения является броуновское движение, диффузия, распространение запахов, испарение веществ и др. В настоящее время МКТ обоснована не какими-то отдельными экспериментами, а успешным развитием и применением на практике больших разделов физики и химии, использующих основные представления МКТ.
Диффузия
Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ. При диффузии молекулы одного тела, находясь в непрерывном движении, проникают в промежутки между молекулами другого соприкасающегося с ним тела и распределяются между ними. В одном и том же неоднородном веществе вследствие движения молекул концентрация вещества выравнивается — вещество становится однородным.
|
|
Диффузия проявляется во всех телах — в газах, жидкостях и твердых телах, — но в разной степени. Диффузию в газах можно наблюдать, если, например, сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.
Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах. Например, если в стакан налить сначала слой раствора медного купороса, а затем очень осторожно добавить слой воды и оставить стакан в помещении с неизменной температурой, где бы он не подвергался никаким сотрясением, то через некоторое время исчезнет резкая граница между купоросом и водой, а через несколько дней жидкости перемешиваются, несмотря на то, что плотность купороса больше плотности воды.
Диффузия в твердых телах происходит еще медленнее, чем в жидкостях (от нескольких, часов до нескольких лет). Она может наблюдаться только в хорошо отшлифованных телах, когда расстояние между поверхностями отшлифованных тел близки к расстоянию между молекулами (10~8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.
Броуновское движение
Броуновское движение открыто в 1827 г. английским ботаником Р.Броуном, теоретическое обоснование с точки зрения МКТ дано в 1905 г. aaЭйнштейном и Смолуховским.
Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших твердых частиц "взвешенных" в жидкостях (газах).
"Взвешенные" частицы — это частицы, распределенные по объему жидкости, не оседающие на дно и не всплывающие на поверхность жидкости.
Для броуновского движения характерно:
1) броуновские частицы совершают непрерывное хаотическое движение, интенсивность которого зависит от температуры и от размеров броуновской частицы;
2) траектория движения броуновской частицы очень сложная, не зависит от природы частиц и внешних условий.
3) Броуновское движение наблюдается в жидкостях и газах. Причинами броуновского движения являются:
1) хаотическое движение молекул среды 2)Нескомпенсированость ударов малекул на данную частичу Броуновское движение свидетельствует, что молекулы действительно существуют и что они непрерывно и хаотически движутся.
Масса молекул
Измерить массу молекулы обычным путем, т.е. взвешиванием, конечно, невозможно. Она для этого слишком мала. В настоящее время существует много методов определения масс молекул, в частности - с помощью масс-спектрографа. С их помощью определены массы то всех атомов таблицы Менделеева.
Так, для изотопа углерода 12/6* С т0= 1,995 ■ 10~26 кг.
Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, то при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана 1/12 часть массы атома углерода 1 а.е.м. = 1/12 *т 0C= 1,660 • 10'27 кг.
Относительной молекулярной (или атомной) массой М r
называют величину, показывающую, во сколько раз масса молекулы (или атома) больше атомной единицы массы. Относительная молекулярная (атомная) масса является безразмерной величиной.
Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице. Относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав данного вещества. Ее рассчитывают, пользуясь таблицей Менделеева и химической формулой вещества.
|
|
Так, для воды (Н2О) М r= 1*2 + 16 = 18.
Количество вещества. Постоянная Авогадро
Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул (или атомов) в этом теле. Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в нем с числом атомов в 0,012 кг углерода.
Количество вещества υ — величина, равная отношению числа молекул (атомов) N в данном теле к числу атомов NА в 0,012 кг углерода. υ=N/Na [υ]=1моль; υ=m/M
1 моль — количество вещества, содержащее столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12/6*С.
Число молекул в одном моле вещества --- постоянной Авогадро
Na=0.012/m0C; Na=6.02*1023моль-1
Масса вещества, взятого в количестве 1 моля -- молярной массой М.
M=m0N;[M]=1кг/моль;M=Mr*103; N=υNa-число малек;m0=M/Na-мас.1 малек; m=m0N=m0υNa=υM
Размеры молекул
Размер молекулы является величиной условной. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния.
Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы d (при этом считают, что молекулы имеют сферическую форму).
Метод определения размеров малек:
В твердых и жидких телах молекулы расположены очень близко одна к другой, почти вплотную. Поэтому можно считать, что V, занимаемый телом некоторой массы т, приблизительно = сумме объемов всех его молекул.V1=V/N; N=m/M*Na;V1=VM/mNa;
ρ=m/V-плотность тела. малекула—шар, то d=2r; V1=4/3πr^3=πd^3/6;
d= ; Размеры молекул очень малы.
Идеальный газ
Форму и объем тела определяет совместное действие двух факторов: 1) взаимодействие молекул, которое стремится удержать молекулы на определенных расстояниях друг от друга; 2) хаотическое движение молекул, которое разбрасывает их по всему объему.
Молекулы газа разлетаются по всему предоставленному для него объему. Следовательно, главную роль в поведении газа играет хаотическое движение молекул, а силы взаимодействия малы, и ими можно пренебречь. Это означает, что молекулы газа движутся равномерно и прямолинейно, пока не столкнутся с другими молекулами. При столкновении изменяется величина и направление скорости движения молекулы, и она снова движется равномерно прямолинейно до следующего столкновения. Длина свободного пробега (расстояние между двумя последовательными столкновениями молекулы) X ~ 10~7 м. При такой длине свободного пробега только 0,04% пространства, занятого газом, приходится на собственный объем его молекул. Это дает право воспользоваться моделью идеального газа.
|
|
Идеальный газ — это газ с достаточно простыми свойствами:
1) молекулы его исчезающе малы и их собственным объемом можно пренебречь, по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ;
2) между молекулами идеального газа нет сил взаимодействия;
3) молекулы идеального газа ведут себя при столкновениях как абсолютно упругие шарики.
При небольших давлениях и не очень низких температурах реальные газы близки к идеальному газу.При высоких давлениях молекулы газа сближаются, что пренебречь их собственным объемом нельзя и между ними возникают заметные силы притяжения.При низких температурах кинетическая энергия уменьшается и становится сравнимой с потенциальной энергией и пренебречь последней нельзя.
Для описания свойств газов можно пользоваться:1) микроскопическими параметрами (скорость, масса молекулы, ее энергия и др.), которые являются индивидуальными характеристиками молекул и численные значения которых находятся только расчетным путем; 2) макроскопическими параметрами (давление, температура, объем газа), значение которых определяется совместным действием огромного числа молекул. Макропараметры — это параметры газа как физического тела. Численные значения их находят простым измерением с помощью приборов.
Давление газа — это средняя сила ударов молекул о тело (например, о стенки сосуда), отнесенная к единице его поверхности.
Абсолютная температура Т — мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул (см. раздел 6.11).
Под объемом газа понимают объем сосуда, в котором находится газ.