Teoria kinetyki molekularnej pozwala zrozumieć, dlaczego substancja może znajdować się w stanie gazowym, ciekłym i stałym. Z punktu widzenia MKT stany agregacji różnią się pod względem wartość średniej odległości między cząsteczkami i charakter ruchu cząsteczek względem siebie.

Główne założenia teorii kinetyki molekularnej zostały wielokrotnie potwierdzone przez różne eksperymenty fizyczne. Na przykład badania:

A) dyfuzja

B) Ruchy Browna

Krótkie podsumowanie

Teoria kinetyki molekularnej wyjaśnia budowę i właściwości ciał na podstawie ruchu i interakcji atomów, cząsteczek i jonów. MKT opiera się na trzy pozycje, które są w pełni potwierdzone eksperymentalnie i teoretycznie:

1) wszystkie ciała składają się z cząstek - cząsteczek, atomów, jonów;

2) cząstki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu termicznym;

3) między cząstkami dowolnego ciała występują siły oddziaływania - przyciąganie i odpychanie.

Strukturę molekularną substancji potwierdza bezpośrednia obserwacja cząsteczek w mikroskopach elektronowych, a także rozpuszczanie ciała stałe w cieczach, ściśliwość i przepuszczalność substancji. Ruchy termiczne - ruchy Browna i dyfuzja. Obecność siły i sprężystości oddziaływań międzycząsteczkowych ciał stałych, napięcie powierzchniowe cieczy.

Zarys odniesienia do lekcji:

Pytania do samokontroli w bloku „Podstawowe założenia teorii kinetyki molekularnej i ich eksperymentalne uzasadnienie”

1. Sformułować główne założenia teorii kinetyki molekularnej.
2. Jakie obserwacje i eksperymenty potwierdzają główne założenia teorii kinetyki molekularnej?
3. Co to jest cząsteczka? atom?
4. Co nazywa się względną masą cząsteczkową? Jaka formuła wyraża to pojęcie?
5. Jaka jest ilość substancji? Jaka formuła wyraża to pojęcie? Jaka jest jednostka miary substancji?
6. Co nazywa się stałą Avogadra?
7. Jaka jest masa molowa substancji? Jaka formuła wyraża znaczenie tego pojęcia? Jaka jest jednostka masy molowej?
8. Jaka jest natura sił międzycząsteczkowych?
9. Jakie są właściwości sił molekularnych?
10. Jak siły oddziaływania zależą od odległości między nimi?
11. Opisz naturę ruchu cząsteczek w gazach, cieczach i ciałach stałych.
12. Jaka jest natura upakowania cząstek w gazach, cieczach i ciałach stałych?
13. Jaka jest średnia odległość między cząsteczkami w gazach, cieczach i ciałach stałych?
14. Wymień główne właściwości gazów, cieczy, ciał stałych.
15. Co nazywamy ruchami Browna?
16. O czym świadczą ruchy Browna?
17. Co nazywa się dyfuzją? Podaj przykłady dyfuzji w gazach, cieczach i ciałach stałych.
18. 18. Jak szybkość dyfuzji zależy od temperatury ciał?

Teoria kinetyki molekularnej(w skrócie MKT) - teoria, która powstała w XIX wieku i rozważa budowę materii, głównie gazów, z punktu widzenia trzech głównych w przybliżeniu poprawnych przepisów:

Wszystkie ciała składają się z cząstek. atomy, Cząsteczki I jony;

cząstki są ciągłe chaotyczny ruch (termiczny);

cząsteczki oddziałują ze sobą zderzenia absolutnie sprężyste.

MKT stała się jedną z odnoszących największe sukcesy teorii fizycznych i została potwierdzona wieloma faktami doświadczalnymi. Głównymi dowodami istnienia przepisów ICT były:

Dyfuzja

ruchy Browna

Zmiana stany zagregowane Substancje

W oparciu o MCT rozwinęło się wiele gałęzi współczesnej fizyki, w szczególności kinetyka fizyczna I mechanika statystyczna. W tych gałęziach fizyki badane są nie tylko układy molekularne (atomowe lub jonowe), które nie tylko poruszają się „termicznie”, ale oddziałują nie tylko poprzez zderzenia absolutnie sprężyste. Termin teoria kinetyki molekularnej praktycznie nie jest używany we współczesnej fizyce teoretycznej, chociaż można go znaleźć w podręcznikach do kursów fizyki ogólnej.

Gaz doskonały - model matematyczny gaz, co zakłada, że: 1) energia potencjalna interakcje Cząsteczki można pominąć w porównaniu energia kinetyczna; 2) całkowita objętość cząsteczek gazu jest pomijalna. Pomiędzy cząsteczkami nie występują siły przyciągania lub odpychania, zderzenia cząstek między sobą oraz ze ściankami naczynia absolutnie elastyczny, a czas interakcji między cząsteczkami jest znikomy w porównaniu ze średnim czasem między zderzeniami. W rozszerzonym modelu gazu doskonałego cząstki, z których się on składa, również mają kształt sprężysty kule Lub elipsoidy, co pozwala uwzględnić energię nie tylko ruchu translacyjnego, ale także obrotowo-oscylacyjnego, a także nie tylko centralnych, ale także niecentralnych zderzeń cząstek itp.

Istnieje klasyczny gaz doskonały (jego właściwości wywodzą się z praw mechaniki klasycznej i są opisane statystyki Boltzmanna) i kwantowy gaz doskonały (właściwości określają prawa mechaniki kwantowej, opisane przez statystyków Fermiego - Diraca Lub Bose - Einstein)

Klasyczny gaz doskonały

Objętość gazu doskonałego zależy liniowo od temperatury przy stałym ciśnieniu

Właściwości gazu doskonałego w oparciu o molekularne koncepcje kinetyki wyznacza się na podstawie fizycznego modelu gazu doskonałego, w którym przyjmuje się następujące założenia:

W tym przypadku cząstki gazu poruszają się niezależnie od siebie, ciśnienie gazu na ściance jest równe całkowitemu pędowi przeniesionemu podczas zderzenia cząstek ze ścianą w jednostce czasu, energia wewnętrzna- suma energii cząstek gazu.

Zgodnie z równoważnym sformułowaniem gaz doskonały to taki, który jednocześnie jest posłuszny Prawo Boyle'a - Mariotte I Gay Lussac , to jest:

gdzie to ciśnienie, a to temperatura bezwzględna. Opisano właściwości gazu doskonałego równanie Mendelejewa-Clapeyrona

,

Gdzie - , - waga,- masa cząsteczkowa.

Gdzie - stężenie cząstek, -stała Boltzmanna.

Dla dowolnego gazu doskonałego współczynnik Mayera:

Gdzie - uniwersalna stała gazowa, - molowy pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu, - molowa pojemność cieplna przy stałej objętości.

Obliczenia statystyczne rozkładu prędkości cząsteczek wykonał Maxwell.

Rozważmy wynik uzyskany przez Maxwella w postaci wykresu.

Cząsteczki gazu nieustannie zderzają się podczas ruchu. Prędkość każdej cząsteczki zmienia się po zderzeniu. Może wznosić się i opadać. Jednak prędkość RMS pozostaje niezmieniona. Wyjaśnia to fakt, że w gazie w określonej temperaturze pewien stacjonarny rozkład prędkości cząsteczek nie zmienia się w czasie, co jest zgodne z pewnym prawem statystycznym. Prędkość pojedynczej cząsteczki może zmieniać się w czasie, ale proporcja cząsteczek o prędkościach w pewnym zakresie prędkości pozostaje niezmieniona.

Nie można postawić pytania: ile cząsteczek ma określoną prędkość. Faktem jest, że chociaż liczba cząsteczek jest bardzo duża w każdej nawet małej objętości, ale liczba wartości prędkości jest dowolnie duża (jak liczby w szeregu sekwencyjnym) i może się zdarzyć, że żadna cząsteczka nie ma określonej prędkości.

Bazując na doświadczeniu Sterna, można oczekiwać, że największa liczba cząsteczek będzie miała jakąś średnią prędkość, a proporcja cząsteczek szybkich i wolnych nie będzie zbyt duża. Niezbędne pomiary wykazały, że ułamek cząsteczek , odniósł się do przedziału prędkości Δ w, tj. , ma postać pokazaną na ryc. 3.3. Maxwell w 1859 roku teoretycznie wyznaczył tę funkcję na podstawie teorii prawdopodobieństwa. Od tego czasu nazywa się to funkcją rozkładu prędkości cząsteczek lub prawem Maxwella.

Wyprowadźmy funkcję rozkładu prędkości cząsteczek gazu doskonałego

- interwał prędkości w pobliżu prędkości .

to liczba cząsteczek, których prędkości mieszczą się w przedziale
.

jest liczbą cząsteczek w rozpatrywanej objętości.

- kąt cząsteczek, których prędkości należą do przedziału
.

jest ułamkiem cząsteczek w przedziale prędkości jednostkowej w pobliżu prędkości .

- wzór Maxwella.

Wykorzystując metody statystyczne Maxwella otrzymujemy następujący wzór:

.

jest masą jednej cząsteczki,
jest stałą Boltzmanna.

Najbardziej prawdopodobna prędkość jest określana na podstawie warunku
.

Rozwiązanie, które otrzymujemy
;
.

Oznacz cz/b
.

Następnie
.

Obliczmy ułamek cząsteczek w danym zakresie prędkości bliskich danej prędkości w danym kierunku.

.

.

jest proporcją cząsteczek, które mają prędkości w przedziale
,
,
.

Rozwijając idee Maxwella, Boltzmann obliczył rozkład prędkości cząsteczek w polu siłowym. W przeciwieństwie do rozkładu Maxwella, rozkład Boltzmanna wykorzystuje sumę energii kinetycznej i potencjalnej zamiast energii kinetycznej cząsteczek.

W rozkładzie Maxwella:
.

W rozkładzie Boltzmanna:
.

W polu grawitacyjnym

.

Wzór na stężenie cząsteczek gazu doskonałego to:

I odpowiednio.

jest rozkładem Boltzmanna.

to stężenie cząsteczek na powierzchni Ziemi.

- stężenie cząsteczek na wysokości .

Pojemność cieplna.

Nazywa się pojemność cieplna ciała wielkość fizyczna, równe stosunkowi

,
.

Pojemność cieplna jednego mola - molowa pojemność cieplna

.

Ponieważ
- funkcja procesu
, To
.

Rozważając

;

;



.

- wzór Mayera.

To. problem obliczenia pojemności cieplnej sprowadza się do znalezienia .

.

Dla jednego mola:

, stąd
.

Gaz dwuatomowy (O 2, N 2, Cl 2, CO itp.).

(model z twardymi hantlami).

Całkowita liczba stopni swobody:

.

Następnie
, To

;
.

Oznacza to, że pojemność cieplna musi być stała. Jednak doświadczenie pokazuje, że pojemność cieplna zależy od temperatury.

Kiedy temperatura spada, najpierw „zamrażane” są wibracyjne stopnie swobody, a następnie obrotowe stopnie swobody.

Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej energia oscylatora harmonicznego o częstotliwości klasycznej może przyjmować tylko dyskretny zbiór wartości

Gazy wieloatomowe (H 2 O, CH 4, C 4 H 10 O itp.).

;
;
;

Porównajmy dane teoretyczne z danymi eksperymentalnymi.

Jest oczywiste, że 2 gazy atomowe są równe , ale zmienia się z niskie temperatury wbrew teorii pojemności cieplnej.

Taki przebieg krzywej z świadczy o „zamrożeniu” stopni swobody. Wręcz przeciwnie, w wysokich temperaturach łączą się dodatkowe stopnie swobody dane te podają w wątpliwość twierdzenie o jednolitym rozkładzie. Współczesna fizyka umożliwia wyjaśnienie tej zależności z używając pojęć kwantowych.

Statystyka kwantowa wyeliminowała trudności w wyjaśnieniu zależności pojemności cieplnej gazów (zwłaszcza gazów dwuatomowych) od temperatury. Zgodnie z założeniami mechaniki kwantowej energia ruchu obrotowego cząsteczek i energia drgań atomów mogą przyjmować tylko wartości dyskretne. Jeśli energia ruchu termicznego jest znacznie mniejsza niż różnica między energiami sąsiednich poziomów energetycznych (), to zderzenie cząsteczek praktycznie nie wzbudza obrotowych i wibracyjnych stopni swobody. Dlatego w niskich temperaturach zachowanie gazu dwuatomowego jest podobne do zachowania gazu jednoatomowego. Ponieważ różnica między sąsiednimi poziomami energii rotacyjnej jest znacznie mniejsza niż między sąsiednimi poziomami wibracyjnymi ( ), wówczas obrotowe stopnie swobody są najpierw wzbudzane wraz ze wzrostem temperatury. W rezultacie wzrasta pojemność cieplna. Wraz z dalszym wzrostem temperatury wzbudzane są również stopnie swobody drgań i następuje dalszy wzrost pojemności cieplnej. A. Einstein w przybliżeniu uważał, że drgania atomów sieci krystalicznej są niezależne. Korzystając z modelu kryształu jako zestawu oscylatorów harmonicznych niezależnie oscylujących z tą samą częstotliwością, stworzył jakościową kwantową teorię pojemności cieplnej sieci krystalicznej. Teoria ta została następnie rozwinięta przez Debye'a, który wziął pod uwagę, że wibracje atomów w sieci krystalicznej nie są niezależne. Rozważając ciągłe spektrum częstotliwości oscylatorów, Debye wykazał, że główny wkład w średnią energię oscylatora kwantowego mają oscylacje o niskich częstotliwościach odpowiadających falom sprężystym. Wzbudzenie termiczne ciała stałego można opisać jako fale sprężyste rozchodzące się w krysztale. Zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym właściwości materii porównuje się fale sprężyste w krysztale kwazicząstki-fonony które mają energię. Fonon to kwant energii fali sprężystej, będący elementarnym wzbudzeniem, które zachowuje się jak mikrocząstka. Tak jak kwantyzacja promieniowania elektromagnetycznego doprowadziła do powstania fotonów, tak kwantyzacja fal sprężystych (w wyniku termicznych drgań cząsteczek ciał stałych) doprowadziła do powstania fononów. Energia sieci krystalicznej jest sumą energii gazu fononowego. Kwazicząstki (w szczególności fonony) bardzo różnią się od zwykłych mikrocząstek (elektronów, protonów, neutronów itp.), ponieważ są związane ze zbiorowym ruchem wielu cząstek układu.

Fonony nie mogą powstać w próżni, istnieją tylko w krysztale.

Pęd fononu ma szczególną właściwość: kiedy fonony zderzają się w krysztale, ich pęd może zostać przeniesiony na sieć krystaliczną w dyskretnych częściach - w tym przypadku pęd nie jest zachowany. Dlatego w przypadku fononów mówi się o quasi-pędzie.

Fonony mają zerowy spin i są bozonami, dlatego gaz fononowy jest zgodny ze statystykami Bosego-Einsteina.

Fonony mogą być emitowane i absorbowane, ale ich liczba nie jest stała.

Zastosowanie statystyki Bosego-Einsteina do gazu fononowego (gazu niezależnych cząstek Bosego) doprowadziło Debye'a do następującego wniosku ilościowego. W wysokich temperaturach, znacznie wyższych od charakterystycznej temperatury Debye'a (obszar klasyczny), pojemność cieplną ciał stałych opisuje prawo Dulonga i Petita, zgodnie z którym molowa pojemność cieplna jest chemicznie proste ciała w stanie krystalicznym jest taki sam i nie zależy od temperatury. W niskich temperaturach, gdy (obszar kwantowy) pojemność cieplna jest proporcjonalna do trzeciej potęgi temperatury termodynamicznej: Charakterystyczna temperatura Debye'a wynosi: , gdzie jest graniczną częstotliwością drgań sprężystych sieci krystalicznej.

Główną koncepcją tego tematu jest koncepcja cząsteczki; złożoność jej przyswajania przez dzieci w wieku szkolnym wynika z faktu, że cząsteczka jest obiektem, którego nie można bezpośrednio zaobserwować. Dlatego nauczyciel musi przekonać dziesiątoklasistów o realności mikrokosmosu, o możliwości jego poznania. W związku z tym wiele uwagi poświęca się rozważaniom eksperymentów, które dowodzą istnienia i ruchu cząsteczek oraz umożliwiają obliczenie ich głównych cech (klasyczne eksperymenty Perrina, Rayleigha i Sterna). Ponadto wskazane jest zapoznanie studentów z metodami obliczeniowymi służącymi do wyznaczania charakterystyk cząsteczek. Rozważając dowody na istnienie i ruch cząsteczek, uczniowie dowiadują się o obserwacjach Browna dotyczących przypadkowego ruchu małych zawieszonych cząstek, który nie ustał przez cały czas obserwacji. W tym czasie nie podano poprawnego wyjaśnienia przyczyny tego ruchu, a dopiero po prawie 80 latach A. Einstein i M. Smoluchovsky zbudowali, a J. Perrin eksperymentalnie potwierdził teorię ruchu Browna. Z rozważenia doświadczeń Browna należy wyciągnąć następujące wnioski: a) ruch cząstek Browna jest spowodowany zderzeniami cząsteczek substancji, w której cząstki te są zawieszone; b) ruch Browna jest ciągły i losowy, zależy od właściwości substancji, w której cząstki są zawieszone; c) ruch cząstek Browna umożliwia ocenę ruchu cząsteczek ośrodka, w którym te cząstki się znajdują; d) Ruchy Browna dowodzą istnienia cząsteczek, ich ruchu oraz ciągłego i chaotycznego charakteru tego ruchu. Potwierdzenie takiego charakteru ruchu cząsteczek uzyskano w eksperymencie francuskiego fizyka Dunoyera (1911), który wykazał, że cząsteczki gazu poruszają się w różnych kierunkach i przy braku kolizji ich ruch jest prostoliniowy. Obecnie nikt nie wątpi w fakt istnienia cząsteczek. Postęp technologiczny umożliwił bezpośrednią obserwację dużych cząsteczek. Opowiadaniu o ruchach Browna warto towarzyszyć pokaz modelu ruchu Browna w rzucie pionowym z użyciem lampy projekcyjnej lub kodoskopu, a także pokazanie fragmentu filmu „Ruchy Browna” z filmu „Molekuły i ruch molekularny”. Ponadto przydatne jest obserwowanie ruchów Browna w cieczach za pomocą mikroskopu. Lek składa się z mieszaniny równych części dwóch roztworów: 1% roztworu kwasu siarkowego i 2% wodnego roztworu podsiarczynu. W wyniku reakcji powstają cząsteczki siarki zawieszone w roztworze. Dwie krople tej mieszaniny umieszcza się na szkiełku podstawowym i obserwuje zachowanie cząstek siarki. Preparat można sporządzić z mocno rozcieńczonego roztworu mleka w wodzie lub z wodnego roztworu farby akwarelowej. Omawiając wielkość cząsteczek, bierze się pod uwagę istotę eksperymentu R. Rayleigha, która polega na tym, że kroplę oliwy z oliwek umieszcza się na powierzchni wody wlanej do dużego naczynia. Kropla rozprzestrzenia się po powierzchni wody i tworzy okrągły film. Rayleigh zasugerował, że kiedy kropla przestaje się rozprzestrzeniać, jej grubość staje się równa średnicy jednej cząsteczki. Eksperymenty pokazują, że cząsteczki różnych substancji mają różne rozmiary, ale aby oszacować wielkość cząsteczek, przyjmują one wartość równą 10 -10 m. Podobny eksperyment można przeprowadzić na zajęciach. Aby zademonstrować metodę obliczania wielkości cząsteczek, podano przykład obliczania średnic cząsteczek różnych substancji na podstawie ich gęstości i stałej Avogadra. Uczniom trudno jest wyobrazić sobie małe rozmiary cząsteczek, dlatego warto podać kilka przykładów o charakterze porównawczym. Na przykład, gdyby wszystkie wymiary zostały zwiększone tak wiele razy, że cząsteczka była widoczna (tj. Do 0,1 mm), to ziarnko piasku zamieniłoby się w stumetrową skałę, mrówka wzrosłaby do rozmiarów statku oceanicznego, człowiek miałby wysokość 1700 km. Liczbę cząsteczek w ilości 1 mola substancji można określić na podstawie wyników eksperymentu z warstwą monomolekularną. Znając średnicę cząsteczki, możesz znaleźć jej objętość i objętość ilości substancji 1 mol, co jest równe, gdzie p jest gęstością cieczy. Stąd wyznaczana jest stała Avogadro. Metoda obliczeniowa polega na określeniu liczby cząsteczek w ilości 1 mola substancji ze znanych wartości masy molowej i masy jednej cząsteczki substancji. Wartość stałej Avogadro, według współczesnych danych, wynosi 6,022169 * 10 23 mol -1. Studentów można zapoznać z metodą obliczeniową służącą do wyznaczania stałej Avogadro, proponując jej obliczenie z wartości mas molowych różnych substancji. Dzieci w wieku szkolnym należy zapoznać z liczbą Loschmidta, która pokazuje, ile cząsteczek zawiera jednostka objętości gazu w temperaturze normalne warunki(jest to równe 2,68799*10 -25 m -3). Dziesiątoklasiści mogą samodzielnie określić liczbę Loschmidta dla kilku gazów i wykazać, że jest ona taka sama we wszystkich przypadkach. Podając przykłady, możesz dać chłopakom wyobrażenie o tym, jak duża jest liczba cząsteczek w jednostce objętości. Jeśli w gumie balon na gorące powietrze zrobić nakłucie tak cienkie, że 1 000 000 cząsteczek wydostanie się przez nie w każdej sekundzie, to zajmie to około 30 miliardów lat, zanim wszystkie cząsteczki wyjdą. Jedna z metod określania masy cząsteczek opiera się na doświadczeniu Perrina, który wyszedł z faktu, że krople żywicy w wodzie zachowują się tak samo, jak cząsteczki w atmosferze. Perrin zliczył liczbę kropel w różnych warstwach emulsji, zaznaczając pod mikroskopem warstwy o grubości 0,0001 cm. Wysokość, na której takich kropel jest dwa razy mniej niż na dnie, wynosiła h = 3 * 10 -5 m. Masa jednej kropli żywicy okazała się M = 8,5 * 10 -18 kg. Gdyby nasza atmosfera składała się tylko z cząsteczek tlenu, to na wysokości H = 5 km gęstość tlenu byłaby o połowę mniejsza niż na powierzchni Ziemi. Zapisuje się proporcję m/M=h/H, z której oblicza się masę cząsteczki tlenu m=5,1*10 -26 kg. Uczniom proponuje się samodzielne obliczenie masy cząsteczki wodoru, której gęstość jest o połowę mniejsza niż gęstość powierzchni Ziemi, na wysokości H = 80 km. Obecnie doprecyzowano wartości mas cząsteczek. Na przykład tlen jest ustawiony na 5,31*10 -26 kg, a wodór na 0,33*10 -26 kg. Omawiając problematykę prędkości ruchu cząsteczek, uczniowie zapoznają się z klasycznym doświadczeniem Sterna. Podczas wyjaśniania eksperymentu wskazane jest stworzenie jego modelu za pomocą urządzenia „Rotujący dysk z akcesoriami”. Kilka zapałek jest zamocowanych na krawędzi dysku w pozycji pionowej, pośrodku dysku - rurka z rowkiem. Kiedy dysk jest nieruchomy, kula opuszczona do rurki, staczając się po rynnie, przewraca jedną z zapałek. Następnie dysk jest wprawiany w ruch obrotowy z określoną prędkością, ustaloną przez obrotomierz. Nowo wystrzelona piłka zboczy z pierwotnego kierunku ruchu (względem krążka) i strąci zapałkę znajdującą się w pewnej odległości od pierwszej. Znając tę ​​odległość, promień tarczy i prędkość kuli na obrzeżu tarczy, można wyznaczyć prędkość kuli wzdłuż promienia. Następnie wskazane jest rozważenie istoty eksperymentu Sterna i projektu jego instalacji, wykorzystując jako ilustrację fragment filmu „Eksperyment Sterna”. Omawiając wyniki eksperymentu Sterna zwraca się uwagę na fakt, że istnieje pewien rozkład cząsteczek w zależności od prędkości, o czym świadczy obecność paska osadzonych atomów o określonej szerokości, przy czym grubość tego paska jest różna. Ponadto należy zauważyć, że cząsteczki poruszające się z dużą prędkością osadzają się bliżej miejsca naprzeciwko szczeliny. Największa liczba cząsteczek ma najbardziej prawdopodobną prędkość. Należy poinformować studentów, że teoretycznie prawo rozkładu cząsteczek według prędkości zostało odkryte przez J. K. Maxwella. Rozkład prędkości cząsteczek można modelować na tablicy Galtona. Kwestia interakcji cząsteczek była już badana przez uczniów w klasie 7, w klasie 10 wiedza na ten temat jest pogłębiana i poszerzana. Konieczne jest podkreślenie następujących punktów: a) oddziaływanie międzycząsteczkowe ma charakter elektromagnetyczny; b) oddziaływanie międzycząsteczkowe charakteryzuje się siłami przyciągania i odpychania; c) siły oddziaływania międzycząsteczkowego działają na odległościach nie większych niż 2-3 średnice cząsteczek, a na tej odległości zauważalna jest tylko siła przyciągania, siły odpychania są praktycznie równe zeru; d) gdy odległość między cząsteczkami maleje, siły oddziaływania rosną, a siła odpychania rośnie szybciej (proporcjonalnie do r -9) niż siła przyciągania (proporcjonalnie do r -7 ). Dlatego, gdy odległość między cząsteczkami maleje, najpierw przeważa siła przyciągania, następnie w pewnej odległości r o siła przyciągania jest równa sile odpychania, a przy dalszym zbliżaniu się przeważa siła odpychania. Celowe jest zilustrowanie wszystkiego powyższego wykresem zależności od odległości, najpierw siły przyciągania, siły odpychania, a następnie siły wypadkowej. Przydatne jest skonstruowanie wykresu energii potencjalnej oddziaływania, który można później wykorzystać przy rozważaniu skupionych stanów materii. Uwagę dziesiątoklasistów zwraca się na fakt, że stan stabilnej równowagi oddziałujących cząstek odpowiada zerowym wynikowym siłom oddziaływania i najmniejszej wartości ich wzajemnej energii potencjalnej. W ciele stałym energia oddziaływania cząstek (energia wiązania) jest znacznie większa niż energia kinetyczna ich ruchu termicznego, dlatego ruch cząstek ciała stałego jest oscylacją względem węzłów sieci krystalicznej. Jeżeli energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek jest znacznie większa niż energia potencjalna ich oddziaływania, to ruch cząsteczek jest całkowicie przypadkowy i substancja istnieje w stanie gazowym. Jeśli energia kinetyczna termiczny ruch cząstek jest porównywalny z energią potencjalną ich oddziaływania, wówczas substancja znajduje się w stanie ciekłym.

Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej (MKT) wszystkie substancje składają się z najmniejszych cząstek - cząsteczek. Cząsteczki są w ciągłym ruchu i oddziałują na siebie.

MKT jest poparte licznymi eksperymentami i ogromną liczbą zjawisk fizycznych. Przyjrzyjmy się jego trzem głównym punktom.

Wszystkie substancje składają się z cząstek.

1) Wszystkie substancje składają się z najmniejszych cząstek: cząsteczek, atomów, jonów itp., oddzielonych przerwami.

Cząsteczka- najmniejsza stabilna cząsteczka substancji, która zachowuje swoje podstawowe właściwości chemiczne.

Cząsteczki, z których składa się dana substancja, są dokładnie takie same; różne substancje składają się z różnych cząsteczek. W naturze występują niezwykle duża liczba różne molekuły.

Cząsteczki składają się z mniejszych cząstek zwanych atomami.

atomy- najmniejsze cząstki pierwiastka chemicznego, które zachowują swoje właściwości chemiczne.

Liczba różnych atomów jest stosunkowo niewielka i równa liczbie pierwiastków chemicznych (116) i ich izotopów (około 1500).

Atomy są bardzo złożonymi formacjami, ale klasyczny MKT wykorzystuje model atomów w postaci stałych niepodzielnych cząstek o kulistym kształcie.

Obecność przerw między cząsteczkami wynika na przykład z eksperymentów wypierania różnych cieczy: objętość mieszaniny jest zawsze mniejsza niż suma objętości zmieszanych cieczy. Zjawiska przepuszczalności, ściśliwości i rozpuszczalności substancji wskazują również, że nie są one ciągłe, ale składają się z pojedynczych cząstek oddzielonych przerwami.

Używając nowoczesne metody badania (mikroskopy elektronowe i sondy) pozwoliły uzyskać obrazy cząsteczek.

*Prawo wielu stosunków

Istnienie cząsteczek doskonale potwierdza prawo wielokrotnych stosunków. Brzmi on: „gdy z dwóch pierwiastków powstają różne związki (substancje), masa jednego z pierwiastków w różne połączenia są traktowane jako liczby całkowite, tj. są w wielu proporcjach. „Na przykład azot i tlen dają pięć związków: N 2 O, N 2 O 2, N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O 5. W nich, przy tej samej ilości azotu, tlen wchodzi do związku w ilościach, które są w wielokrotnych stosunkach 1: 2: 3: 4: 5. Prawo wielokrotnych stosunków jest łatwe do wyjaśnienia. Każda substancja składa się z identycznych cząsteczek o odpowiednim składzie atomowym. Ponieważ wszystkie cząsteczki danego substancji są takie same, to stosunek ilości wagowych pierwiastków prostych tworzących całe ciało jest taki sam jak w oddzielnej cząsteczce, a zatem jest wielokrotnością mas atomowych, co potwierdza doświadczenie.

Masa cząsteczek

Wyznacz masę cząsteczki w zwykły sposób, tj. ważenie jest oczywiście niemożliwe. Jest na to za mała. Obecnie istnieje wiele metod określania mas cząsteczek, w szczególności za pomocą spektrografu mas M 0 wszystkich atomów układu okresowego.

Zatem dla izotopu węgla \(~^(12)_6C\) M 0 \u003d 1,995 · 10 -26 kg. Ponieważ masy atomów i cząsteczek są bardzo małe, w obliczeniach zwykle stosuje się nie bezwzględne, ale względne wartości masy, uzyskane przez porównanie mas atomów i cząsteczek z jednostką masy atomowej, która jest wybierana jako \(~\dfrac(1)(12)\) część masy atomu izotopu węgla \(~^(12)_6C\):

1 mies = 1/12 M 0C = 1,660 10 -27 kg.

Względny molekularny(lub atomowy) waga M r jest wartością pokazującą, ile razy masa cząsteczki (lub atomu) jest większa od jednostki masy atomowej:

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

Względna masa cząsteczkowa (atomowa) jest wielkością bezwymiarową.

Względne masy atomowe wszystkich pierwiastków chemicznych podano w układzie okresowym. Tak więc dla wodoru jest to 1,008, dla helu - 4,0026. W obliczeniach względna masa atomowa jest zaokrąglana do najbliższej liczby całkowitej. Na przykład wodór ma do 1, hel do 4.

Względna masa cząsteczkowa danej substancji jest równa sumie względnych mas atomowych pierwiastków tworzących cząsteczkę tej substancji. Oblicza się go za pomocą układu okresowego i wzór chemiczny Substancje.

Tak, dla wody. H2O względna masa cząsteczkowa wynosi M r = 1 2 + 16 = 18.

Ilość substancji. stała Avogadra

Ilość materii zawartej w ciele jest określona przez liczbę cząsteczek (lub atomów) w tym ciele. Ponieważ liczba cząsteczek w ciałach makroskopowych jest bardzo duża, aby określić ilość materii w ciele, liczbę zawartych w nim cząsteczek porównuje się z liczbą atomów w 0,012 kg izotopu węgla \(~^(12)_6C\).

Ilość substancji ν - wartość równa stosunkowi liczby cząsteczek (atomów) N V to ciało do liczby atomów N A w 0,012 kg izotopu węgla \(~^(12)_6C\):

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

W układzie SI jednostką ilości substancji jest mol. 1 mol- ilość substancji, która zawiera tyle elementów strukturalnych (atomów, cząsteczek, jonów), ile jest atomów w 0,012 kg izotopu węgla \(~^(12)_6C\).

Nazywa się liczbę cząstek w jednym molu substancji stałe Avogadra.

\(~N_A = \dfrac(0,012)(m_(0C))= \dfrac(0,012)(1,995 \cdot 10^(-26))\) = 6,02 10 23 mol -1 . (3)

Zatem 1 mol dowolnej substancji zawiera taką samą liczbę cząstek - N Cząsteczki. Od mszy M 0 cząstki są różne dla różnych substancji, a następnie masa N Cząsteczki y różne substancje różny.

Nazywa się masę substancji pobranej w ilości 1 mola masa cząsteczkowa M:

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

Jednostką masy molowej w układzie SI jest kilogram na mol (kg/mol).

między masą molową Μ i względna masa cząsteczkowa M r zachodzi następująca zależność:

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

A więc masa cząsteczkowa dwutlenek węgla 44, molowy 44 10 -3 kg/mol.

Znajomość masy substancji i jej masy molowej M, możesz znaleźć liczbę moli (ilość substancji) w ciele\[~\nu = \dfrac(m)(M)\].

Następnie ze wzoru (2) liczbę cząstek w ciele

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

Znając masę molową i stałą Avogadra możemy obliczyć masę jednej cząsteczki:

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

Rozmiary cząsteczek

Wielkość cząsteczki jest wartością warunkową. Jest to cenione w ten sposób. Pomiędzy cząsteczkami obok sił przyciągania działają też siły odpychające, więc cząsteczki mogą się do siebie zbliżyć tylko na pewną odległość. D(Rys. 1).

Odległość najbliższego zbliżenia się środków dwóch cząsteczek nazywa się Efektywna średnica Cząsteczki D(w tym przypadku zakłada się, że cząsteczki mają kształt kulisty).

Rozmiary cząsteczek różnych substancji nie są takie same, ale wszystkie mają około 10-10 m, tj. bardzo mały.

Zobacz też

1. Kikoin AK Masa i ilość substancji, czyli o jednym „błędzie” Newtona // Kvant. - 1984. - Nr 10. - S. 26-27
2. Kikoin AK Prosta metoda określania wielkości cząsteczek // Kvant. - 1983. - Nr 9. - C.29-30

Cząsteczki poruszają się losowo

2) Cząsteczki znajdują się w ciągłym losowym ruchu (termicznym).

Rodzaj ruchu termicznego (translacyjny, oscylacyjny, obrotowy) cząsteczek zależy od charakteru ich interakcji i zmian podczas przejścia substancji z jednego stanu skupienia do drugiego. Intensywność ruchu termicznego zależy również od temperatury ciała.

Oto kilka dowodów na przypadkowy (chaotyczny) ruch cząsteczek: a) pragnienie, aby gaz zajmował całą dostarczoną mu objętość; b) dyfuzja; c) ruchy Browna.

Dyfuzja

Dyfuzja- spontaniczne wzajemne przenikanie się cząsteczek przylegających substancji, prowadzące do wyrównania stężenia substancji w całej objętości. Podczas dyfuzji cząsteczki sąsiednich ciał, będąc w ciągłym ruchu, wnikają między siebie w szczeliny międzycząsteczkowe i są rozdzielane między nimi.

Dyfuzja przejawia się we wszystkich ciałach - w gazach, cieczach, ciałach stałych, ale w różnym stopniu.

Dyfuzję w gazach można wykryć, jeśli na przykład naczynie z gazem o nieprzyjemnym zapachu zostanie otwarte w pomieszczeniu. Po chwili gaz rozprzestrzeni się po całym pomieszczeniu.

Dyfuzja w cieczach jest znacznie wolniejsza niż w gazach. Na przykład, jeśli najpierw wlejesz do szklanki warstwę roztworu siarczanu miedzi, a następnie bardzo ostrożnie dodasz warstwę wody i pozostawisz szklankę w pomieszczeniu o stałej temperaturze, to po chwili zniknie ostra granica między roztworem siarczanu miedzi a wodą, a po kilku dniach płyny się zmieszają.

Dyfuzja w ciałach stałych jest jeszcze wolniejsza niż w cieczach (od kilku godzin do kilku lat). Można to zaobserwować tylko w dobrze wypolerowanych ciałach, gdy odległości między powierzchniami wypolerowanych ciał są bliskie odległości międzycząsteczkowej (10-8 cm). W tym przypadku szybkość dyfuzji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia.

Dyfuzja odgrywa ważną rolę w przyrodzie i technologii. W naturze na przykład dzięki dyfuzji rośliny odżywiają się z gleby. Ciało ludzkie i zwierzęce wchłania się przez ściany przewód pokarmowy składniki odżywcze. W technologii, na przykład za pomocą dyfuzji, warstwa powierzchniowa wyrobów metalowych jest nasycona węglem (cementowanie) itp.

• Rodzaj dyfuzji jest osmoza- przenikanie cieczy i roztworów przez porowatą półprzepuszczalną przegrodę.

ruchy Browna

Ruchy Browna zostały odkryte w 1827 roku przez angielskiego botanika R. Browna, podłoże teoretyczne z punktu widzenia MKT podali w 1905 roku A. Einstein i M. Smoluchowski.

ruchy Browna- jest to losowy ruch najmniejszych cząstek stałych "zawieszonych" w cieczach (gazach).

Cząsteczki „zawieszone” to cząstki, których gęstość substancji jest porównywalna z gęstością ośrodka, w którym się znajdują. Takie cząstki są w równowadze, a najmniejszy wpływ zewnętrzny na nie prowadzi do ich ruchu.

Ruchy Browna charakteryzują się:

Przyczynami ruchów Browna są:

1. termiczny ruch chaotyczny cząsteczek ośrodka, w którym znajduje się cząstka Browna;
2. brak pełnej kompensacji uderzeń cząsteczek ośrodka w tę cząstkę z różnych stron, ponieważ ruch cząsteczek jest losowy.

Poruszające się cząsteczki cieczy, zderzając się z cząsteczkami stałymi, przenoszą na nie pewną ilość ruchu. Przypadkowo zauważalnie większa liczba cząsteczek uderzy w cząsteczkę z jednej strony niż z drugiej i cząstka zacznie się poruszać.

• Jeśli cząstka jest wystarczająco duża, to liczba cząsteczek atakujących ją ze wszystkich stron jest niezwykle duża, ich uderzenia są kompensowane w dowolnym momencie, a taka cząstka praktycznie pozostaje nieruchoma.

Zobacz też

1. poseł Bronstein Jak zważono atom // Kvant. - 1970. - Nr 2. - S. 26-35

Cząsteczki oddziałują

3) Cząstki w substancji są połączone ze sobą siłami oddziaływania molekularnego - przyciągania i odpychania.

Siły przyciągania i odpychania działają jednocześnie między cząsteczkami substancji. Siły te są w dużej mierze zależne od odległości między cząsteczkami. Według eksperymentalnych i badania teoretyczne siły oddziaływania międzycząsteczkowego są odwrotnie proporcjonalne N stopień odległości między cząsteczkami:

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

gdzie dla sił przyciągania N= 7, a dla sił odpychających N= 9 ÷ 15. Zatem siła odpychania zmienia się bardziej wraz z odległością.

Pomiędzy cząsteczkami występują zarówno siły przyciągania, jak i odpychania. Jest pewien dystans R 0 między cząsteczkami, na których siły odpychające są równe wartości bezwzględnej siłom przyciągania. Odległość ta odpowiada stabilnej pozycji równowagi cząsteczek.

Wraz ze wzrostem odległości R między cząsteczkami zmniejszają się zarówno siły przyciągania, jak i odpychania, a siły odpychania zmniejszają się szybciej i stają się mniej siły atrakcja. Wypadkowa siła (przyciągania i odpychania) ma tendencję do zbliżania cząsteczek do ich pierwotnego stanu. Ale zaczynając z pewnej odległości R m, oddziaływanie cząsteczek staje się tak małe, że można je zaniedbać. najdłuższy dystans R m , na którym cząsteczki nadal oddziałują, nazywa się promień działania molekularnego (R m ~ 1,57 · 10 -9 m).

W miarę zmniejszania się odległości R między cząsteczkami wzrastają zarówno siły przyciągania, jak i odpychania, a siły odpychania rosną szybciej i stają się większe niż siły przyciągania. Wypadkowa siła ma teraz tendencję do odpychania cząsteczek od siebie.

Dowody na oddziaływanie siłowe cząsteczek:

a) deformacja ciał pod wpływem siły;

b) zachowanie formy przez ciała stałe (siły przyciągania);

c) obecność przerw między cząsteczkami (siły odpychania).

* Wykres projekcji sił interakcji

Oddziaływanie dwóch cząsteczek można opisać za pomocą wykresu rzutu wypadkowej F r siły przyciągania i odpychania cząsteczek z odległości R między ich ośrodkami. Skierujmy oś R z cząsteczki 2 , którego środek pokrywa się z początkiem współrzędnych, do odległości od niego R 1 środek cząsteczki 2 (ryc. 3, a).

Różnice w budowie gazów, cieczy i ciał stałych

W różnych stanach skupienia substancji odległość między jej cząsteczkami jest różna. Stąd różnica w oddziaływaniu siłowym cząsteczek i zasadnicza różnica w naturze ruchu cząsteczek gazów, cieczy i ciał stałych.

W gazy odległości między cząsteczkami są kilkakrotnie większe niż wymiary samych cząsteczek. W rezultacie siły oddziaływania między cząsteczkami gazu są niewielkie, a energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek znacznie przekracza energię potencjalną ich oddziaływania. Każda cząsteczka porusza się swobodnie z innymi cząsteczkami z ogromnymi prędkościami (setki metrów na sekundę), zmieniając kierunek i moduł prędkości podczas zderzenia z innymi cząsteczkami. Długość ścieżki swobodnej λ cząsteczek gazu zależy od ciśnienia i temperatury gazu. W normalnych warunkach λ ~ 10 -7m.

W ciała stałe siły oddziaływania między cząsteczkami są tak duże, że energia kinetyczna ruchu cząsteczek jest znacznie mniejsza niż energia potencjalna ich oddziaływania. Cząsteczki wykonują ciągłe drgania o małej amplitudzie wokół pewnej stałej pozycji równowagi - węzła sieci krystalicznej.

Czas, w którym cząstka oscyluje wokół jednego położenia równowagi, - czas „siedzącego życia” cząstki- w ciałach stałych jest bardzo duży. Dlatego ciała stałe zachowują swój kształt i nie płyną w normalnych warunkach. Czas „siedzącego życia” cząsteczki zależy od temperatury. W pobliżu punktu topnienia wynosi on około 10–1 – 10–3 s, w niższych temperaturach może to być godzina, dzień, miesiąc.

W płyny odległość między cząsteczkami jest znacznie mniejsza niż w gazach i mniej więcej taka sama jak w ciałach stałych. Dlatego siły oddziaływania między cząsteczkami są duże. Cząsteczki cieczy, podobnie jak cząsteczki ciała stałego, oscylują wokół pewnego położenia równowagi. Ale energia kinetyczna ruchu cząstek jest współmierna do energii potencjalnej ich interakcji, a cząsteczki częściej przemieszczają się do nowych pozycji równowagi (czas „siedzącego życia” wynosi 10–10 – 10–12 s). Pomaga to wyjaśnić płynność cieczy.

Zobacz też

1. Kikoin AK O zagregowanych stanach materii // Kvant. - 1984. - Nr 9. - S. 20-21

Literatura

Aksenovich LA Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. zasiłek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, KS Farino; wyd. KS Farino. - Mińsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 119-126.