Основные положения мкт. Доказательство существования молекул. Размеры и масса молекул.

Основные положения молекулярно-кинетической теории.

1). Любое вещество имеет дискретное (прерывистое) строение. Оно состоит из мельчайших частиц — молекул и атомов, разделенных между собой промежутками. Молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами данного вещества. Атомы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами химических элементов, входящих в состав данного вещества.

2). Молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, называемого тепловым. При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются. Степень нагретости тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул этого тела.

3). Между молекулами в процессе их взаимодействия возникают силы притяжения и отталкивания.

Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетической теории

Наличие у веществ проницаемости, сжимаемости и растворимости свидетельствует о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и ионный микроскопы) удалось получить изображения наиболее крупных молекул.

Наблюдения броуновского движения и диффузии частиц показали, что молекулы находятся в непрерывном движении.

Наличие прочности и упругости тел, смачиваемости, прилипания, поверхностного натяжения в жидкостях и т. д. — все это доказывает существование сил взаимодействия между молекулами.

Броуновское движение.

В 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что крупинки пыльцы непрерывно хаотически движутся. Беспорядочное движение взвешенных в жидкости очень маленьких частиц твердого тела и получило название броуновского движения. Было установлено, что броуновское движение происходит неограниченно долго. Интенсивность движения взвешенных в жидкости частиц не зависит от вещества этих частиц, а зависит от их размеров. Крупные частицы остаются неподвижными. Интенсивность броуновского движения увеличивается при повышении температуры жидкости и уменьшается при ее понижении. Взвешенные в жидкости частицы движутся под действием молекул жидкости, которые сталкиваются с ними. Молекулы движутся хаотично, поэтому силы, с которыми они действуют на взвешенные частицы, непрерывно изменяются по модулю и направлению. Это и приводит к беспорядочному движению взвешенных частиц. Таким образом, броуновское движение наглядно подтверждает существование моле­кул и хаотический характер их теплового движения. (Количественную теорию броуновского движения разработал в 1905 г. Эйнштейн.)

Диффузией называют явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул граничащих между собой веществ в межмолекулярные промежутки друг друга. (Диффузию, происходящую через полупроницаемые перегородки, называют осмосом.) Примером диффузии в газах является распространение запахов. В жидкостях наглядным проявлением диффузии является перемешивание против действия силы тяжести жидкостей разной плотности (при этом молекулы более тяжелой жидкости поднимаются вверх, а более легкой — опускаются вниз). Диффузия происходит и в твердых телах. Это доказывает та­кой опыт: две отполированные плоские пластинки из золота и свинца, положенные друг на друга, выдерживались при комнатной температуре в течение 5 лет. За это время пластинки срослись, образовав единое целое, причем молекулы золота проникли в свинец, а молекулы свинца — в золото на глубину до 1 см. 1 Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры. С повышением температуры скорость диффузии возрастает, а с понижением — уменьшается.

Размеры и масса молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают следующим образом. 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 и обозначают о (при этом условно считают, что молекулы имеют сферическую форму). За исключением молекул органических веществ, содержащих очень большое число атомов, большинство молекул по порядку величины имеют диаметр 10^-10 м и массу 10^-26 кг.

Относительная молекулярная масса

Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, 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 (т. е. пользуются углеродной шкалой атомных масс). Относительной молекулярной (или атомной) массой М_r (или А_r) вещества называют величину, равную отношению массы молекулы (или атома) этого вещества к 1/12 массы атома углерода ¹²С. Относительная молекулярная (атомная) масса является величиной, не имеющей размерности. Относительная атомная масса каждого химического элемента указана в таблице Менделеева. Если вещество состоит из молекул, образованных из атомов различных химических элементов, относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав данного вещества.

Количество вещества

Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул в этом теле (или числом атомов). Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в этом теле с числом атомов в 0,012 кг углерода. Иными словами, количеством вещества v называют величину, равную отношению числа молекул (или атомов) N в данном теле к числу атомов N_A в 12 г углерода, т. е.

v = N/N_A. Количество вещества выражают в молях. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Постоянная Авогадро. Молярная масса

Согласно определению понятия моль, в 1 моль любого вещества содержится одинаковое число молекул или атомов. Это число N_A, равное числу атомов в 0,012 кг (т. е. в 1 моль) углерода, называют постоянной Авогадро. Молярной массой М какого-либо вещества называют массу 1 моль этого вещества . Молярную массу вещества выражают в килограммах на моль.

Количество вещества можно найти как

Массу одной молекулы можно найти как или учитывая что относительная молекулярная масса числена равна массе одной молекулы выраженной в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,6610^-27 кг).

Силы взаимодействия молекул. График зависимости молекулярных сил от расстояния между молекулами.

Между молекулами одновременно действуют и силы притяжения, и силы отталкивания. Силы взаимодействия молекул являются короткодействующими, их действие проявляется лишь на расстояниях, не превышающих нескольких собственных размеров молекулы. Область пространства, в которой проявляется действие молекулярных сил, называют сферой молекулярного действия. Радиус этой сферы равен примерно 10^-9 м. Силы молекулярного взаимодействия зависят от расстояния между молекулами. При этом характер зависимости от расстояния у сил притяжения и сил отталкивания различен. При увеличении расстояния между молекулами силы отталкивания убывают быстрее, чем силы притяжения, а при уменьшении этого расстояния возрастают быстрее, чем силы притяжения. Установлено, что силы взаимодействия молекул обратно пропорциональны n-й степени расстояния г между центрами масс молекул, т. е. F. Для сил притяжения n = 7, а для сил отталкивания n принимает значения от 9 до 15. (Например, для молекулы воды F_пр, a F_от. Сила отталкивания считается положительной, а сила притяжения отрицательной. На рис. изображены графики зависимостей от расстояния между молекулами силы отталкивания (кривая 1), силы притяжения (кривая 2) и результирующей этих сил (кривая 3). Существует такое расстояние между молекулами го, на котором сила притяжения равна силе отталкивания, т. е. их результирующая сила равна нулю. Если расстояние между молекулами r > r₀, преобладают силы их взаимного притяжения, если же r < r₀, преобладают силы отталкивания. Таким образом, результирующая сил молекулярного взаимодействия на больших расстояниях является силой притяжения, а на малых — силой отталкивания. Следовательно, r₀ — это такое равновесное расстояние между молекулами, на котором они находились бы, если бы тепловое движение молекул не нарушало этого равновесия. Описанный характер зависимости сил взаимодействия молекул от их расстояния друг от друга объясняет появление силы упругости при деформации тел. Если под действием внешних сил тело сжимается, расстояние между молекула становится меньше, чем r₀ и появляется сила, препятствующая взаимному сближению молекул. Если же под действием внешних сил тело растягивается, то расстояние r становится больше, чем r₀, и появляется сила, препятствующая взаимному удалению молекул. Вблизи точки r₀ на графике участок кривой 3 является почти прямолинейным, так как при небольшом смещении молекул из положения равновесия силы притяжения или отталкивания между ними возрастают линейно с увеличением смещения. Именно по этой причине при малых деформациях тела (т. е. в пределах его упругости) выполняется закон Гука.