Раздел 2. Основы молекулярно-кинетической теории.

2.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории. Броуновское движение. Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия. Размеры и масса молекул. Постоянная Авогадро. Идеальный газ. Давление газа. Межзвездный газ*.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытные обоснования.

Развитие представлений о строении вещества. Предположе­ние о том, что любое веще­ство состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов, было высказано около 2500 лет назад древнегреческими филосо­фами Левкиппом и Демокри­том. По их представлениям все тела образуются в результате соединения атомов. Различия в свойствах тел объясняются тем, что тела состоят из различ­ных атомов или одинаковые атомы по-разному соединены между собой в пространстве.

Су­щественный вклад в развитие молекулярно-кинетических пред­ставлений сделал в середине XVIII в. великий русский уче­ный Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Он объяснил основные свойства газа, предположив, что все молекулы газа движутся беспорядочно, ха­отично и при столкновениях от­талкиваются друг от друга. Бес­порядочным движением молекул М. В. Ломоносов впервые объяс­нил природу теплоты. Так как скорости теплового движения мо­лекул могут быть сколько угодно велики, температура вещества по его представлениям не имеет ог­раничения сверху. При умень­шении скорости молекул до нуля должно быть достигнуто мини­мальное возможное значение тем­пературы вещества.

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Макроскопическими телами называются большие тела, состоящие из огромного числа молекул. (Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, земной шар).

Тепловыми явлениями называют явления связанные с нагреванием и охлаждением тел, с изменением их температуры.

Тепловое движение – это беспорядочное движение молекул.

Молекулярно-кинетической теорией называется учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как наимень­ших частиц химического веще­ства.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строе­ния вещества:

*вещество состоит из частиц - атомов и молекул;

*эти частицы хаотически движут­ся;

частицы взаимодействуют друг с другом.

Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц и оно не может прекратиться, т.к. связано с температурой тела. Впервые это явление наблюдал английский ботаник Роберт Броун в 1927 г., рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Броуновское движение никогда не прекращается, т.к. оно является тепловым движением. С увеличением температуры интенсивность его растет.

Пример броуновского движения в газах – движение взвешенных в воздухе частиц пыли и дыма. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу некомпенсируют друг друга. (рис 4.1)

Диффузия – это перемешивание молекул газов, жидкостей и твердых тел при непосредственном контакте, т.е. проникновение молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого. Скорость протекания диффузии зависит от температуры и состояния вещества. Это явление объясняется беспорядочным движением молекул.

Размеры и масса молекул.

Размер атома . Если пальцы сжать в кулак и увеличить его до размеров земного шара, то атом при том же увеличении станет размером с кулак.

Число молекул. При очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. При каждом вдохе мы вы захватываете столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две- три молекулы, побывавшие в ваших легких.

Относительной молекулярной(или атомной) массой вещества М r называют отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к массы атома углерода m 0 c:

Количество вещества (ν) – равно отношению числа молекул N в данном теле к постоянной Авогадро N A (или отношению массы вещества к его молярной массе) .

Один моль – это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Постоянная Авогадро.

Постоянная Авогадро равна числу молекул в 1 моле вещества. ;

Молярной массой вещества(М) называют массу вещества, взятого в количестве одного моля.

; ; М= m/ν, где m –масса вещества, ν- количество вещества

Идеальный газ. Идеальный газ – это газ, взаимодействие, между молекулами которого пренебрежимо мало. Молекулы этого газа – крошечные шарики, которые обладают пренебрежимо малым объемом по сравнению с объемом сосуда. Идеальный газ – это физическая модель реального газа. Разряженные газы ведут себя подобно идеальному газу.

Давление газа. Пусть газ находится в закрытом сосуде. Молекул газа очень много, и удары их о стенку следуют один за другим с очень большой частотой. Среднее значение геометрической суммы сил, действующих со стороны отдельных молекул при их столкновениях со стенкой сосуда, и является силой давления газа. Давление будет тем больше, чем больше молекул ударяется о стенку за некоторый промежуток времени и чем больше скорости соударяющихся со стенкой молекул.

Межзвёздный газ - это разреженная газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или несколько процентов суммарной массы всех звёзд нашей Галактики. Средняя концентрация атомов межзвёздного газа составляет менее 1 атома в см³. Основная его масса заключена вблизи плоскости Галактики в слое толщиной несколько сотен парсек. Плотность газа в среднем составляет около 10−21 кг/м³. Химический состав примерно такой же, как и у большинства звёзд: он состоит из водорода и гелия (90 % и 10 % по числу атомов, соответственно) с небольшой примесью более тяжёлых элементов. В зависимости от температуры и плотности межзвёздный газ пребывает в молекулярном, атомарном или ионизованном состояниях. Наблюдаются холодные молекулярные облака, разреженный межоблачный газ, облака ионизованного водорода с температурой около 10 тыс. К. (Туманность Ориона), и обширные области разреженного и очень горячего газа с температурой около миллиона К. Ультрафиолетовые лучи, в отличие от лучей видимого света, поглощаются газом и отдают ему свою энергию. Благодаря этому горячие звёзды своим ультрафиолетовым излучением нагревают окружающий газ до температуры примерно 10 000 К. Нагретый газ начинает сам излучать свет, и мы наблюдаем его как светлую газовую туманность. Более холодный, «невидимый» газ наблюдают радиоастрономическими методами. Атомы водорода в разреженной среде излучают радиоволны на длине волны около 21 см. Поэтому от областей межзвёздного газа непрерывно распространяются потоки радиоволн. Принимая и анализируя это излучение, учёные узнают о плотности, температуре и движении межзвёздного газа в космическом пространстве.

На рисунке справа частицы тела схематично изображены упорядоченно расположенными шариками. Стрелками показаны силы отталкивания, действующие на частицу со стороны её «соседок». Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то силы отталкивания взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица).

Однако, согласно второму положению МКТ, частицы постоянно и беспорядочно движутся. Из-за этого расстояния от каждой частицы до её соседок постоянно меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются, стремясь вернуть частицу в положение равновесия. То есть, потенциальная энергия частиц твёрдых и жидких тел, существуя всегда, постоянно меняется. Сравните: в газах потенциальная энергия частиц практически отсутствует, поскольку они находятся вдалеке друг от друга (см. § 7-б).

Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рис.). Поэтому меняются силы притяжения-отталкивания частиц, совместное действие которых и является силой упругости.

Частицы резины изгибаемого ластика (см. также рис.«г») мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Вблизи нижней грани ластика частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате одновременного действия сил отталкивания вблизи верхней грани и сил притяжения вблизи нижней грани ластик «хочет» выпрямиться. А это и значит, что в нём возникает сила упругости, направленная противоположно силе давления.

Проверьте свои знания:

1. Основная цель этого параграфа – обсудить...
2. Что мы заметим при сжатии торцов цилиндриков?
3. Прочно ли цилиндрики сцепляются друг с другом?
4. Какой вывод следует из опыта с цилиндриками?
5. При каком условии возникает притяжение частиц тел и веществ?
6. Какое наблюдение свидетельствует об отталкивании частиц?
7. Почему мы считаем, что частицы веществ могут отталкиваться друг от друга?
8. При каком условии наблюдается взаимодействие частиц?
9. Как изменяется характер взаимодействия частиц вещества в зависимости от расстояния между ними?
10. В каком случае взаимодействие частиц веществ отсутствует?
11. Почему частицы веществ могут обладать потенциальной энергией?
12. Почему у частиц твёрдых и жидких веществ всегда имеется потенциальная энергия?
13. Что символизируют чёрные стрелки на рисунке с частицами твёрдого тела?
14. Поскольку частицы любого тела или вещества постоянно движутся, ...
15. Поскольку расстояния между частицами постоянно меняются, ...
16. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц твёрдых тел и жидкостей. Она, ...
17. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц газов.
18. В каких случаях мы изменяем расстояние между частицами тела?
19. При этом силы притяжения-отталкивания частиц тела меняются, так как...
20. Сила упругости тела – это одновременно действующие...
21. Что происходит с частицами вблизи верхней части ластика? Они...
22. Сила упругости в ластике возникает из-за...

Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу. Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок.

Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.

Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем. Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды, после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.

А есть ли между молекулами отталкивание?

Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать. Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму. Значит, между частицами существует отталкивание . Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием. При отдалении молекул отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул отталкивание становится больше притяжения.

Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной. При расстояниях r > r 0 (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу, а при расстояниях r < r 0 (пружина сжата) - отталкиваются.

Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) - отталкивание.

Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг.

«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.

Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу . Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок. Проделайте этот опыт сами.

Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.

Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем (рис. 106, а). Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды (рис. 106, б), после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

Рис. 106

А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.

А есть ли между молекулами отталкивание?

Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать (рис. 107, а). Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму (рис. 107, б). Значит, между частицами мячика существует отталкивание . Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.

Рис. 107

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием (рис. 108, а). При отдалении молекул (рис. 108, б) отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул (рис. 108, в) отталкивание становится больше притяжения.

Рис. 108

Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной (рис. 109, а). При расстояниях r > r 0 (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу (рис. 109, б), а при расстояниях r < r 0 (пружина сжата) - отталкиваются (рис. 109, в).

Рис. 109

Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) - отталкивание.

Подумайте и ответьте

1. Какие известные вам факты объясняются взаимным притяжением частиц вещества? Взаимным отталкиванием?
2. Почему газ всегда занимает весь предоставленный объем?
3. Почему металлический трос растянуть гораздо труднее, чем резиновый таких же размеров?
4. В медицинский шприц (без иголки) наберите воду. Закройте пальцем отверстие и сжимайте поршнем воду. Почему вода практически не сжимается?
5. Сожмите ластик и отпустите. Что заставило ластик вернуться к первоначальной форме и размерам?
6. Покажите на опыте, что сухие листы бумаги не прилипают друг к другу, а смоченные водой - прилипают. Объясните наблюдаемый эффект.
7. Смочите два листочка бумаги: один - водой, другой - растительным маслом. Слипнутся ли они? Предложите гипотезу, объясняющую данное явление.

Сделайте дома сами

1. Приведите в соприкосновение два куска парафиновой свечи. Соединились ли они? Почему?
2. Нагрейте конец одного куска свечи на пламени спиртовки (или другой свечи) до мягкого состояния. Соедините куски. Что получилось в результате? Почему?

Интересно знать!

Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг (рис. 110).

Рис. 110

«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.

Взаимодействие частиц вещества

Современная теория строения вещества опирается на пять основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Все известные химические элементы перечислены в таблице Менделеева. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекула может состоять из одного или нескольких атомов.

2. Между частицами вещества есть промежутки.

3. Частицы вещества двигаются непрерывно и хаотично.

4. Движение частиц вещества становится интенсивнее с ростом температуры. Движение частиц вещества называют тепловым.

5. Частицы вещества взаимодействуют между собой: притягиваются и отталкиваются. Притяжение и отталкивание действуют одновременно и постоянно. Силы взаимодействия определяют свойства агрегатных состояний вещества. Так как в состав атомов и молекул входят частицы, обладающие электрическими зарядами, межмолекулярные взаимодействия имеют электромагнитную природу. Силы притяжения и отталкивания по-разному зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, примерно равном размеру частицы, притяжение и отталкивание равны. Этому расстоянию соответствует наиболее устойчивое расположение частиц, с уменьшение расстояния преобладает отталкивание частиц. С увеличением – притяжение. На расстояниях, превышающих размер частицы в десять и более раз, силы взаимодействия ничтожно малы.

Каждое из пяти положений теории строения вещества имеет экспериментальные доказательства.

1. Фотографии веществ с большим увеличением. Такие явления, как стачивание, растворение, растекание жидкостей до образования тонких плёнок.

2. Фотографии вещества. Тепловое расширение веществ. Уменьшение суммарного объёма при смешивании различных жидкостей.

3. Диффузия и броуновское движение.

4. Возрастание скорости диффузии и интенсивности броуновского движения при увеличении температуры вещества.

5. Слипание веществ при их тесном контакте, упругие деформации, смачивание жидкостями твёрдых поверхностей.