SA. Основные положения МКТ

Основные положения МКТ и их опытное обоснование

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ) все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой.

МКТ обосновывается многочисленными опытами и огромным количеством физических явлений. Рассмотрим ее три основных положения.

Все вещества состоят из частиц

1) Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов, ионов и др., разделенных между собой промежутками.

Молекула — мельчайшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его основные химические 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 (116) и их изотопов (около 1500).

Атомы представляют собой весьма сложные образования, но классическая MKT использует модель атомов в виде твердых неделимых частичек сферической формы.

Наличие промежутков между молекулами следует, например, из опытов смещения различных жидкостей: объем смеси всегда меньше суммы объемов смешанных жидкостей. Явления проницаемости, сжимаемости и растворимости веществ также свидетельствуют о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц.

С помощью современных методов исследования (электронный и зондовый микроскопы) удалось получить изображения молекул.

*Закон кратных отношений

Существование молекул блестяще подтверждается законом кратных отношений. Он гласит: "при образовании из двух элементов различных соединений (веществ) массы одного из элементов в разных соединениях относятся как целые числа, т.е. находятся в кратных отношениях". Например, азот и кислород дают пять соединений: N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅. В них с одним и тем же количеством азота кислород вступает в соединение в количествах, находящихся между собой в кратных отношениях 1:2:3:4:5. Закон кратных отношений легко объяснить. Всякое вещество состоит из одинаковых молекул, имеющих соответствующий атомный состав. Так как все молекулы данного вещества одинаковы, то отношение весовых количеств простых элементов, входящих в состав всего тела, такое же, как и в отдельной молекуле, и, значит, является кратным атомных весов, что и подтверждается опытом.

Масса молекул

Определить 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 определены массы m₀ всех атомов таблицы Менделеева.

Так, для изотопа углерода \(~^{12}_6C\) m₀ = 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 \(~\dfrac{1}{12}\) часть массы атома изотопа углерода \(~^{12}_6C\):

1 а.е.м. = 1/12 m_0C = 1,660·10^-27 кг.

Относительной молекулярной (или атомной) массой M_r называют величину, показывающую, во сколько раз масса молекулы (или атома) больше атомной единицы массы:

\(~M_r = \dfrac{m_0}{\dfrac{1}{12} \cdot m_{0C}} . \qquad (1)\)

Относительная молекулярная (атомная) масса является безразмерной величиной.

Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева. Так, у водорода она равна 1,008, у гелия — 4,0026. При расчетах относительную атомную массу округляют до ближайшего целого числа. Например, у водорода до 1, у гелия до 4.

Относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы данного вещества. Ее рассчитывают, пользуясь таблицей Менделеева и химической формулой вещества.

Так, для воды Н₂O относительная молекулярная масса равна M_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 изотопа углерода \(~^{12}_6C\).

Количество вещества ν — величина, равная отношению числа молекул (атомов) N в данном теле к числу атомов N_A в 0,012 кг изотопа углерода \(~^{12}_6C\):

\(~\nu = \dfrac{N}{N_A} . \qquad (2)\)

В СИ единицей количества вещества является моль. 1 моль — количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько атомов в 0,012 кг изотопа углерода \(~^{12}_6C\).

Число частиц в одном моле вещества называется постоянной Авогадро.

\(~N_A = \dfrac{0,012}{m_{0C}}= \dfrac{0,012}{1,995 \cdot 10^{-26}}\) = 6,02·10²³ моль^-1. (3)

Таким образом, 1 моль любого вещества содержит одно и то же число частиц — N_A частиц. Так как масса m₀ частицы у разных веществ различна, то и масса N_A частиц у различных веществ различна.

Массу вещества, взятого в количестве 1 моль, называют молярной массой М:

\(~M = m_0 N_A . \qquad (4)\)

В СИ единицей молярной массы является килограмм на моль (кг/моль).

Между молярной массой Μ и относительной молекулярной массой M_r существует следующая связь:

\(~M = M_r \cdot 10^{-3} .\)

Так, молекулярная масса углекислого газа 44, молярная 44·10^-3 кг/моль.

Зная массу вещества и его молярную массу М, можно найти число молей (количество вещества) в теле\[~\nu = \dfrac{m}{M}\].

Тогда из формулы (2) число частиц в теле

\(~N = \nu N_A = \dfrac{m}{M} N_A .\)

Зная молярную массу и постоянную Авогадро, можно рассчитать массу одной молекулы:

\(~m_0 = \dfrac{M}{N_A} = \dfrac{m}{N} .\)

Размеры молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают так. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния d (рис. 1).

Рис. 1

Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы d (при этом считают, что молекулы имеют сферическую форму).

Размеры молекул различных веществ неодинаковы, но все они порядка 10^-10 м, т.е. очень малы.

См. также

1. Кикоин А.К. Масса и количество вещества, или Об одной «ошибке» Ньютона //Квант. — 1984. — № 10. — С. 26-27
2. Кикоин А.К. Простой способ определения размеров молекул // Квант. — 1983. — № 9. — C.29-30

Молекулы беспорядочно движутся

2) Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (тепловом) движении.

Вид 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 и от температуры тела.

Приведем некоторые из доказательств беспорядочного (хаотического) движения молекул: а) стремление газа занять весь предоставленный ему объем; б) диффузия; в) броуновское движение.

Диффузия

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ, приводящее к выравниванию концентрации вещества по всему объему. При диффузии молекулы граничащих между собой тел, находясь в непрерывном движении, проникают в межмолекулярные промежутки друг друга и распределяются между ними.

Диффузия проявляется во всех телах — в газах, жидкостях, твердых телах, но в разной степени.

Диффузию в газах можно обнаружить, 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, то через некоторое время исчезнет резкая граница между раствором медного купороса и водой, а через несколько дней жидкости перемешаются.

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 расстояния между поверхностями отшлифованных тел близки к межмолекулярному расстоянию (10^-8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.

Диффузия играет большую роль в природе и технике. В природе благодаря диффузии, например, осуществляется питание растений из почвы. Организм человека и животных всасывает через стенки пищеварительного тракта питательные вещества. В технике с помощью диффузии, например, поверхностный слой металлических изделий насыщается углеродом (цементация) и т.д.

• Разновидностью диффузии является осмос — проникновение жидкостей и растворов через пористую полупроницаемую перегородку.

Броуновское движение

Броуновское движение открыто в 1827 г. английским ботаником Р. Броуном, теоретическое обоснование с точки зрения MKT дано в 1905 г. А. Эйнштейном и М. Смолуховским.

Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших твердых частиц, "взвешенных" в жидкостях (газах).

"Взвешенные" частицы — это частицы, плотность вещества которых сравнима с плотностью среды, в которой они находятся. Такие частицы находятся в равновесии, и малейшее внешнее воздействие на нее приводит к их движению.

Для броуновского движения характерно следующее:

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 вещества частиц и внешних условий.
   
   

   Рис. 2
   
   На рисунке 2 показаны положения броуновской частицы через каждые 30 с, а на врезке — положения этой частицы на участке АВ, зафиксированные через каждую секунду. Эти положения соединены прямыми линиями. Траектория же частицы еще более сложная;
3. броуновское движение наблюдается в жидкостях и газах.

Причинами броуновского движения являются:

1. тепловое хаотическое движение молекул среды, в которой находится броуновская частица;
2. отсутствие полной компенсации ударов молекул среды об эту частицу с различных сторон, так как движение молекул носит случайный характер.

Движущиеся молекулы жидкости при столкновении с какими-либо твердыми частицами передают им некоторое количество движения. Случайно с одной стороны о частицу ударит заметно большее число молекул, чем с другой, и частица придет в движение.

• Если частица достаточно велика, то число молекул, налетающих на нее со всех сторон, чрезвычайно велико, их удары в каждый данный момент компенсируются, и такая частица практически остается неподвижной.

См. также

1. Бронштейн М.П. Как был взвешен атом //Квант. — 1970. — № 2. — С. 26-35

Частицы взаимодействуют

3) Частицы в веществе связаны друг с другом силами молекулярного взаимодействия — притяжения и отталкивания.

Между молекулами вещества действуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. Эти силы в большой степени зависят от расстояний между молекулами. Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям межмолекулярные силы взаимодействия обратно пропорциональны n-й степени расстояния между молекулами:

\(~F_r \sim \pm \dfrac{1}{r^n},\)

где для сил притяжения n = 7, а для сил отталкивания n = 9 ÷ 15. Таким образом, сила отталкивания сильнее изменяется при изменении расстояния.

Между молекулами существуют одновременно и силы притяжения, и силы отталкивания. Существует некоторое расстояние r₀ между молекулами, на котором силы отталкивания по модулю равны силам притяжения. Это расстояние соответствует устойчивому равновесному положению молекул.

При увеличении расстояния r между молекулами как силы притяжения, так и силы отталкивания уменьшаются, причем силы отталкивания уменьшаются быстрее и становятся меньше сил притяжения. Равнодействующая сила (притяжения и отталкивания) стремится сблизить молекулы в исходное состояние. Но, начиная с некоторого расстояния r_m, взаимодействие молекул становится настолько мало, что им можно пренебречь. Наибольшее расстояние r_m, на котором молекулы еще взаимодействуют, называется радиусом молекулярного действия (r_m ~ 1,57·10^-9 м).

При уменьшении расстояния r между молекулами как силы притяжения, так и силы отталкивания увеличиваются, и силы отталкивания увеличиваются быстрее и становятся больше сил притяжения. Равнодействующая сила теперь стремится оттолкнуть молекулы друг от друга.

Доказательства силового взаимодействия молекул:

а) деформация тел под влиянием силового воздействия;

б) сохранение формы твердыми телами (силы притяжения);

в) наличие промежутков между молекул (силы отталкивания).

*График проекции сил взаимодействия

Взаимодействие двух молекул можно описать при помощи графика зависимости проекции равнодействующей F_r сил притяжения и отталкивания молекул от расстояния r между их центрами. Направим ось r от молекулы 2, центр которой совпадает с началом координат, к находящемуся от него на расстоянии r₁ центру молекулы 2 (рис. 3, а).

Рис. 3

Будем считать, что молекула 1 неподвижна, а молекула 2 изменяет свое положение относительно молекулы 1.

Тогда проекция силы отталкивания молекулы 2 от молекулы 1 на ось r будет положительной. Проекция силы притяжения молекулы 2 к молекуле 1 будет отрицательной.

Силы отталкивания (рис. 3, б) гораздо больше сил притяжения на малых расстояниях (r < r₀), но гораздо быстрее убывают с увеличением r. Начиная с некоторого расстояния r_m, взаимодействием молекул можно пренебречь.

См. также

1. Городецкий Е.Е. Силы молекулярного взаимодействия //Квант. — 1987. — № 1. — С. 31, 34

Различие в строении газов, жидкостей и твердых тел

В различных агрегатных состояниях вещества расстояние между его молекулами различно. Отсюда и различие в силовом взаимодействии молекул и существенное различие в характере движения молекул газов, жидкостей и твердых тел.

В газах расстояния между молекулами в несколько раз превышают размеры самих молекул. Вследствие этого силы взаимодействия между молекулами газа малы и кинетическая энергия теплового движения молекул намного превышает потенциальную энергию их взаимодействия. Каждая молекула движется свободно от других молекул с огромными скоростями (сотни метров в секунду), меняя направление и модуль скорости при столкновениях с другими молекулами. Длина свободного пробега λ молекул газа зависит от давления и температуры газа. При нормальных условиях λ ~ 10^-7 м.

В твердых телах силы взаимодействия между молекулами настолько велики, что кинетическая энергия движения молекул намного меньше потенциальной энергии их взаимодействия. Молекулы совершают непрерывные колебания с малой амплитудой около некоторого постоянного положения равновесия — узла кристаллической решетки.

Время, в течение которого частица колеблется около одного положения равновесия, — время «оседлой жизни» частицы — в твердых телах очень велико. Поэтому твердые тела сохраняют свою форму, и они не текут в обычных условиях. Время «оседлой жизни» молекулы зависит от температуры. Вблизи температуры плавления оно порядка 10^–1 – 10^–3 c, при более низких температурах может составлять часы, сутки, месяцы.

В жидкостях расстояние между молекулами значительно меньше, чем в газах, и примерно такое же, как в твердых телах. Поэтому силы взаимодействия между молекулами велики. Молекулы жидкости, как и молекулы твердого тела, совершают колебания около некоторого положения равновесия. Но кинетическая энергия движения частиц соизмерима с потенциальной энергией их взаимодействия, и молекулы чаще переходят в новые положения равновесия (время «оседлой жизни» 10^–10 – 10^–12 с). Это позволяет объяснить текучесть жидкость.

См. также

1. Кикоин А.К. Об агрегатных состояниях вещества //Квант. — 1984. — № 9. — С. 20-21

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 119-126.