§53 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. Броунівський рух [4,15]

1. Вчення про будову речовини лежить в основі всіх природничих наук. Воно дає ключ до розуміння найрізноманітніших явищ природи.

Сучасним ученням про будову речовини є молекулярно-кінетична теорія. Сутність молекулярно-кінетичної теорії будови речовини зводиться до таких основних положень:

1. Усі тіла складаються з частинок, які називають атомами (молекулами).

2. Атоми (молекули) в тілах знаходяться у стані безперервного хаотичного руху, інтенсивність якого залежить від температури тіла. Такий рух молекул називають тепловим.

3. Молекули речовини взаємодіють між собою.

Рисунок 53.1

2. Ідея про атомістичну будову речовини була висловлена ще стародавніми греками. Однак у стародавніх греків ця ідея була всього лише геніальним здогадом. У XVII столітті уявлення про молекулярну природу речовини відроджується знову, але вже не як здогад, а як наукова гіпотеза. Особливий розвиток ця гіпотеза отримала у роботах М.В.Ломоносова, що спробував дати єдину картину всіх відомих у його час фізичних і хімічних явищ. При цьому він виходив з корпускулярного (корпускула – частинка) уявлення про будову речовини.

Атомістична будова речовини яскраво відображається у законі кратних відношень у хімічних сполуках. У сучасній фізиці методами рентгеноструктурного аналізу та за допомогою електронного мікроскопа можна не тільки отримувати наочні відображення молекулярної будови речовини, але і розрізняти структуру молекул.

3. Атоми і молекули в тілах знаходяться у стані безперервного хаотичного руху. Тепловим рухом частинок обумовлюються явища дифузії, внутрішнього тертя, теплопровідності, тиску газу, броунівського руху. Дифузія – це явище самодовільного проникнення однієї речовини в іншу. Дуже швидко дифундують гази. Внесена в кімнату пахуча речовина за короткий час відчувається в усіх куточках кімнати. Це явище відбувається завдяки тепловому хаотичному руху молекул.

Рух молекул яскраво підтверджується броунівським рухом. Спостерігаючи в мікроскоп за дрібними мікроскопічними частинками (наприклад, спорами лікоподію або частинками фарби), які перебувають у зваженому стані у рідині, можна побачити, що вони весь час перебувають у безперервному хаотичному русі. Уперше такий рух виявив Броун у 1827 р., тому такий рух названо його ім'ям. Дослідив і пояснив броунівський рух французький фізик Ж. Перрен. Позначаючи положення окремих частинок через кожні 30 с, він дістав картину траєкторій їх рухів (див. рис. 53.1). Спостереження й підрахунки показали, що з підвищенням температури броунівський рух стає інтенсивнішим, що він є результатом хаотичних ударів молекул у броунівську частинку.

Таким чином, сутність броунівського руху полягає у тому, що досить малі (видимі тільки в мікроскоп) зважені в рідині макроскопічні тверді частинки завжди перебувають у стані безперервного хаотичного руху, що не залежить від зовнішніх причин, і, який обумовлено молекулярним рухом у речовині, – рух зважених частинок відбувається під впливом хаотичних ударів молекул рідини.

4. Між молекулами речовини одночасно проявляються сили взаємного притягання (зчеплення) і сили взаємного відштовхування. Сили притягання між молекулами обумовлюють міцність тіл на розрив, явища прилипання, змочування, утворення крапель і плівок. Ці сили проявляються на відстані  м. Сили відштовхування між молекулами легко проявляються в деформаціях стиснення твердих тіл і рідин. Виникнення цих сил при зближенні молекул пояснюється в основному електростатичним відштовхуванням.

5. Для характеристики кількості речовини з точки зору атомарної будови речовини використовується така одиниця як моль. У системі СІ моль є основною одиницею. Згідно до визначення молем називають таку кількість речовини, в якій знаходиться стільки частинок, скільки знаходиться атомів в 0,012 кг ¹²С (нукліда вуглецю атомною масою 12).

Число частинок, що містяться в молі речовини, називається сталою Авогадро. Дослідним шляхом знайдено, що ця стала дорівнює

моль^–1. (53.1)

Отже, у молі заліза міститься атомів заліза, у молі води міститься молекул води і т.д.

Масу моля речовини позначають буквою й називають молярною масою. Вона дорівнює добутку постійної Авогадро на масу молекули:

. (53.2)

6. З’ясуємо, чому дорівнює маса молекули речовини. Знайдемо, наприклад, масу молекули (атому) вуглецю ¹²С. Його молярна маса дорівнює 0,012 кг/моль. Використаємо формулу (53.2) й отримаємо

кг.

Маса інших молекул має такий же порядок.

Отримавши уявлення про масу молекул, проведемо оцінку їх розмірів. Природно припустити, що в рідинах і твердих тілах молекули розміщуються «впритул» один до одної. Тому наближену оцінку об'єму молекули можна отримати, розділивши об'єм моля рідини на число молекул у молі, тобто на постійну Авогадро . Простіше всього це зробити для води. Відомо, що моль (тобто 18 г) води займає об'єм 18 см³/моль = 18∙10^–6 м³/моль. Отже, на одну молекулу води припадає об'єм, що дорівнює

м³.

Звідси випливає, що лінійні розміри молекул води приблизно такі, що дорівнюють

нм.

Молекули інших простих речовин мають розміри такого ж порядку.