Kvant. Насколько малы молекулы
А так ли хорошо знаете вы, насколько малы молекулы? // Квант. — 1988. — № 10. — C.32-33.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
...начала вещей недоступны для глаза...
Лукреций Кар
...вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров.
М. В. Ломоносов
Вот несколько штрихов к обобщенному портрету молекул.
Они так малы, что если бы у каждого человека на земном шаре потребовать по миллиарду молекул, то набралось бы всего несколько миллиардных долей грамма...
Их так много, что если вылить а Мировой океан стакан воды с «помеченными» молекулами, то через длительное время а том же стакане с зачерпнутой из океана водой окажется не менее 200 «меченых»...
Им так «тесно», что при обычных условиях каждая молекула газа испытывает до 10 миллиардов столкновений в секунду со своими соседками...
Они так быстры, что молекула газа поднялась бы, не сталкиваясь, на высоту около 5 километров, прежде чем сила тяжести остановила бы ее...
Однако, несмотря на такую малость и «юркость», молекулы очень многим «выдают» себя. Надеемся, решение предложенных задач не позволит молекулам ускользнуть от вашего вооруженного знаниями взора.
Вопросы и задачи
- Почему объем раствора спирта в воде меньше объемов воды и спирта, взятых по отдельности?
- Отчего сильно надутый и плотно завязанный резиновый шарик окажется через несколько дней «сдутым»?
- Если по микропористой трубе, окруженной герметическим резервуаром, из которого откачан воздух, пропускать смесь газов, то в резервуаре будет накапливаться газ с большим, чем в трубе, относительным содержанием «легких» молекул. Как это объяснить?
- Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 и 3. Ионы какого из этих изотопов медленнее других продвигаются к катоду при электролизе воды?
- Стеклянную пластинку покрывают с одной стороны (В) слоем меди и подвешивают на нити, как показано на рисунке. В воздухе пластинка неподвижна, а в хлоре поворачивается на некоторый угол омедненной стороной «вперед». Объяснить явление, учитывая, что молекулы хлора поглощаются медью, а стеклом отражаются.
-
- Чтобы «приварить» один кусок железа к другому, нагревают оба куска добела в пламени горна, накладывают один на другой на наковальне и обрабатывают сильными ударами кузнечного молота. Почему в этом случае получается прочное соединение?
- На равноплечих весах установлены два одинаковых сосуда. Один заполнен сухим воздухом, другой — влажным, имеющим такие же давление и температуру, что и сухой. Какой из этих сосудов тяжелее?
-
- В каких слоях атмосферы воздух ближе к идеальному газу: у поверхности Земли или на больших высотах?
- Магнитное поле в камерах Вильсона — Скобельцына однородно. Почему же трек частицы имеет в них непостоянный (постепенно уменьшающийся) радиус кривизны?
-
Микроопыт
Доведите воду в чайнике до кипения и выключите газовую горелку. Почему из чайника сразу же вырывается сильная струя пара, хотя до этого пара не было видно?
Любопытно, что…
...в долине реки Теннесси (США) был воздвигнут гигантский завод по разделению изотопов, где два урановых газа (уран-238 и уран-235) непрерывно циркулировали через пористые камеры, в которых более легкий газ диффундировал быстрее, в результате чего газовая смесь постоянно обогащалась легким изотопом урана.
...в газопылевых облаках межзвездной среды были обнаружены не только сравнительно простые молекулы, например воды и аммиака, но и сложные органические соединения. «Выдали» их спектральные линии испускания или поглощения в диапазоне радиочастот.
Что читать в «Кванте» о молекулах
- «К 175-летию закона Авогадро» — 1986, № 12, с. 12;
- «Силы молекулярного взаимодействия» — 1987, № 1, с. 31;
- «Давление газа в сосуде» — 1987, № 9. с. 41;
- «Из жизни молекул» — 1988, № 7. с. 46;
- «Абсолютная температура» — 1988, № 9, с. 60.
Ответы
- В растворе молекулы воды и спирта «упакованы» плотнее за счет того, что между молекулами воды и спирта, взятыми по отдельности, существуют промежутки.
- Из-за разности давлений внутри шарика и снаружи молекулы воздуха «просачиваются» через оболочку шарика и давление в нем падает.
- Молекулы компонентов с меньшей молярной массой подвижнее более массивных молекул и поэтому чаще проходят сквозь поры трубы.
- Медленнее всего продвигаются ионы наиболее массивного изотопа \(~^3_1H\).
- Общее давление на омедненную часть пластинки примерно в два раза меньше, чем на вторую половину, из-за неупругого столкновения молекул хлора и меди.
- Ударами молота достигается хороший контакт привариваемых кусков. При температуре белого каления взаимная диффузия частиц происходит с большой скоростью и на большую глубину.
- При равных давлении и температуре в равных объемах содержится одинаковое число молей любого газа. Средняя молярная масса воздуха больше средней молярной массы смеси воздуха с водяным паром. Поэтому сосуд с влажным воздухом легче сосуда с сухим.
- На больших высотах, так как там воздух разрежен.
- Частица при столкновении с молекулами газа расходует свою кинетическую энергию на ионизацию молекул.
Микроопыт
Сам водяной пар невидим. При выключении газа исчезают струи нагретого воздуха, обтекавшие чайник. Выходящий из чайника водяной пар охлаждается и конденсируется. Мы наблюдаем возникающее при этом облако мельчайших капель.
