Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

вода дифундує в розчин мідного купоросу швидше, ніж розчин у воду. Поява блакитнуватого забарвлення води в посудині свідчить про те, що мідний купорос також, хоча і повільно, дифундує у воду.

Броунівський рух. Одним з найпереконливіших доказів існування молекул і їх хаотичного теплового руху є броунівський рух, названий так на честь англійського ботаніка Р. Б р о у н а, який спостерігав його в 1827 р. Розглядаючи в мікроскоп краплину води, Р. Бро-

Мал. З ун звернув увагу на невпорядкований рух плаваючих у ній спор рослин.

Це явище можете спостерігати й ви. Щоб виконати такий дослід, треба взяти краплю дуже розведеної у воді туші (або молока) і помістити її на предметне скло мікроскопа зі збільшенням у 500—600 раз. Рідина, яка здавалася суцільною і однорідною, у мікроскопі виглядає зовсім інакше: чорні неправильної форми шматочки різних розмірів плавають у безбарвній рідині. Зрозуміло, що це не молекули, а шматочки сажі, з якої виготовлено туш. Зосередивши увагу на якійсь одній з найдрібніших частинок, побачимо, що вона рухається хаотично, переміщуючись то в один, то в інший бік. Якщо на схемі відмітити положення цієї частинки через однакові послідовні інтервали часу (наприклад, через 30 с) крапками і з'єднати їх прямими, то дістанемо «заплутану» ламану (мал. 4), яка характеризує хаотичність руху частинки, але не

єїї справжньою траєкторією, яка набагато складніша.

Уброунівському русі вражає одна незвична для нас особливість: рух частинок не припиняється за жодних обставин, хоча під час досліджень його причин виключали будь-яку мо-

жливість зовнішніх впливів (механічних струсів, нерівномірного нагрівання рідини тощо) на броунівські частинки. Характер їх руху не змінювався. Отже, причину руху броунівських частинок треба шукати в самій рідині.

Пояснити броунівський рух стало можливим у другій половині XIX ст. Оскільки молекули води весь час перебувають у хаотичному русі, завислі у воді частинки речовини зазнають поштовхів молекул з усіх боків. Але

10

випадково в даний момент може виникнути тимчасова перевага ударів з якогось одного боку, тоді частинка переміщається у протилежний бік. Таким чином, броунівський рух є «відображенням» руху молекул рідини.

Досліди показують, що інтенсивність броунівського руху тим більша, чим вища температура рідини, що свідчить про безпосередній зв'язок теплового руху молекул з рухом броунівських частинок.

? 1. У чому полягає явище дифузії? 2. Як можна спостерігати дифузію в газах, рідинах і твердих тілах? 3. Чому з підвищенням температури зростає швидкість дифузії? 4. У чому полягає броунівський рух? 5. Чому броунівський рух не спостерігається у більших частинок речовини, завислих у рідині чи газі?

ХОЧЕШ ЗНАТИ БІЛЬШЕ? ПРОЧИТАЙ!

Факт існування броунівського руху свідчить про молекулярну будову речовини і невпорядкований рух молекул.

За нормальних умов (тиск не дуже сильно відрізняється від атмосферного) густина газів приблизно в 100 раз менша за густину рідин і твердих тіл. Отже, відстані між молекулами (атомами) в газах приблизно в 10 раз більші, ніж у рідинах і твердих тілах. Тому можна припустити, що в газах молекули здійснюють поступальний рух від одного зіткнення до другого. В рідинах і твердих тілах молекули (атоми або йони) в основному коливаються навколо певних положень рівноваги, лише зрідка «перестрибуючи» з одного місця на сусіднє, вакантне місце. У рідинах таких вакансій багато, і перестрибування здійснюються досить часто. Цим пояснюється текучість рідин. У твердих тілах таких вакансій мало, і перестрибування здійснюються рідко.

Ці припущення підтвердилися в подальших дослідженнях властивостей речовин у різних агрегатних станах.

§ 3. Молекулярні явища в техніці і природі

Явище дифузії має надзвичайно різноманітні галузі практичного застосування. Насамперед це зварювання і паяння металів: ці процеси ґрунтуються на дифузії зварюваних металів або основного металу і припою.

В останні роки опрацьовано і впроваджено у виробництво

11

досить інтенсивно. Потім деталі притискують одну до одної і витримують певний час. Перевага цього методу полягає в тому, що він дає змогу зварювати матеріали, які іншими методами з'єднати неможливо (сталь з чавуном, алюмінієм, вольфрамом, срібло з нержавіючою сталлю тощо).

Дифузія широко застосовується в металургії, зокрема під час поверхневої термохімічної обробки металів і сплавів з метою зміни механічних властивостей їх поверхневого шару. Так, для підвищення строку служби машин, які працюють в умовах великих навантажень, сталеві деталі піддають азотуванню — насиченню поверхні сталі азотом. Готові деталі нагрівають в аміаку до температури 500—700 °С. Утворений при цьому атомарний азот дифундує в сталь. Азотування надає поверхні виробів винятково високої твердості, стійкості проти зношування, антикорозійності для таких середовищ, як атмосфера, вода, водяна пара тощо.

Поліпшення властивостей матеріалів досягається схожими з азотуванням процесами — цементацією (поверхневим насиченням сталевих виробів вуглецем) і ціануванням (одночасним насиченням поверхні деталі вуглецем і азотом). Великого значення в сучасній техніці набула дифузійна металізація виробів, тобто поверхневе насичення сталевих виробів Алюмінієм, Хромом, Силіцієм, Берилієм та іншими елементами.

Не менш важливі застосування явища дифузії і в інших галузях виробництва. Наприклад, на дифузії ґрунтується вилучення на цукроварних заводах цукру з нарізаної бурякової стружки. Стружка промивається водою або цукровим розчином малої концентрації, і при цьому молекули цукру дифундують із стружки в розчин.

Явище дифузії рідин крізь пористі перегородки має велике значення у житті тварин і рослин, забезпечуючи всмоктування води коренями рослин, засвоєння їжі і видалення відходів із клітин рослин і тварин. Так, корені рослин вбирають необхідні для них речовини з ґрунтових вод завдяки дифузії цих речовин всередину коренів, де речовини швидко засвоюються, тобто хімічно перетворюються. Внаслідок цього концентрація біля поверхні коренів виявляється весь час зниженою, що й сприяє продовженню дифузії потрібних речовин з ґрунту в корені.

Так само відбувається дифузія в тканинах тварин і людини. В легенях, наприклад, кисень з повітря надходить у кров завдяки дифузії крізь стінки альвеол, а потім, розчинившись у ній, розноситься по всьому організму. їжа перетворюється в шлунку і кишечнику в розчинний стан, і потрібні організмові речовини дифундують всередину клітин. У той же час вна-

12

слідок дифузії продукти життєдіяльності клітин виводяться з неї в навколишнє середовище.

На використанні явища дифузії працюють так звані дифузійні (пароструминні) насоси, за допомогою яких дістають високий вакуум (до 1СГ7 мм рт. ст., або 1,3 • 1СГ9 Па).

Броунівський рух — одне з найпоширеніших явищ. Його необхідно враховувати у практичній діяльності. Зокрема, броунівський рух електронів створює електро- і радіоперешкоди в різних технічних пристроях. Стрілки чи дзеркала дуже чутливих вимірювальних приладів, маючи малі розміри, зазнають нескомпенсованих ударів з боку молекул повітря, що вносить похибки у вимірювання і обмежує точність цих приладів.

§4. Сили взаємодії між молекулами

У7-му класі були розглянуті явища і досліди, які підтверджували, що між молекулами діють значні сили притягання. Пригадаємо деякі з них.

Про існування сил притягання між молекулами переконливо свідчить той факт, що тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі молекули, незважаючи на те, що частинки цих речовин розділені проміжками і перебувають у безперервному русі. Щоб змінити форму твердого тіла, до нього треба прикласти деяку силу. Очевидно, молекули зв'язані між собою силами притягання, і саме ці сили ми перемагаємо, обробляючи матеріали на металорізальних верстатах, пресах, прокатних станах, розбиваючи, розрізаючи чи розламуючи той чи інший предмет.

Проте відновити зруйнований предмет простим складанням шматків не можна. Чому? Невже в цьому випадку сили притягання перестають діяти? Справа в тому, що вони виявляються лише на дуже малих відстанях. Щоб добитися такого з'єднання, треба збільшити кількість точок зіткнення шматків, а для цього їх поверхні слід зробити дуже гладенькими або м'якими. Тоді, притискуючи шматки один до одного, можна зблизити їх так, що почнуть діяти сили притягання молекул. Ці міркування можна підтвердити такими дослідами.

Розріжемо ножівкою свинцевий циліндр навпіл, а потім щільно складемо його половинки. Гладенькі, ще не окиснені поверхні свинцю дотикатимуться досить великою кількістю точок, і половинки циліндра злипнуться так міцно, що навіть значний тягар не зможе відірвати їх одну від одної (мал. 5).

На виробництві часто користуються набором стальних мірних плиток для контролю лінійних розмірів деталей

13

Мал. 5 Мал. 6

машин і механізмів. Якщо провести відполірованою до дзеркального блиску стальною пластинкою по поверхні іншої, то вони зчіплюються (мал. 6, а), причому настільки міцно, що їх іноді важко відірвати одну від одної силою в кілька десятків ньютонів (мал. 6, б), але вони легко зміщуються вздовж поверхні дотику.

Шматки заліза у звичайних умовах не злипаються від стискання, але якщо їх попередньо нагріти до білого розжарення, вони з'єднаються в одне ціле, або, як кажуть, «зваряться». Так само осколки скла не злипаються між собою, але якщо їхні краї нагріти до розм'якшення, то можна їх міцно з'єднати.

Цікавим прикладом вияву сил притягання між молекула-

2,5 • Ю10 Па), і оброблюваний метал заповнює всі його нерівності. В результаті виникає дуже щільний контакт між стружкою і різцем, що спричинює виникнення великих сил взаємодії між їх атомами, і частина стружки прилипає до різця,

утворюючи наріст.

Виникнення великих сил притягання між молекулами речовин на дуже малих відстанях використовують під час виготовлення деталей методом порошкової металургії. Порошки різних матеріалів піддають всебічному стисканню, при цьому їх частинки зближуються до відстаней, на яких між ними діють величезні сили зчеплення, і з порошків утворюється міцна де-

14

таль. Порошкова металургія дає змогу створювати різноманітні матеріали, які звичайними способами дістати неможливо. Вчені опрацювали промислові методи виготовлення деталей із суміші порошків кількох елементів (наприклад, Нікол — Кобальт, Нікол — Кобальт — Ферум) і хімічних сполук металів з металоїдами. За умови високих температур такі матеріали характеризуються значно більшою міцністю, ніж звичайні металеві сплави. Нині немає жодної галузі машинобудування, де б не застосовувалися матеріали, виготовлені методами порошкової металургії.

Сили притягання залежать від природи молекул. Наприклад, для склеювання різних матеріалів застосовуються речовини, молекули яких сильно взаємодіють з частинками склеюваних матеріалів. Молекули рідини (клею) можна зблизити з молекулами твердого тіла настільки, щоб між ними виникли сили взаємного притягання. Однієї краплі клею буває достатньо, щоб з'єднані нею металеві бруски витримували дію сил в кілька тисяч ньютонів.

Останнім часом вченими створено полімерні клеї холодного тверднення, які склеюють метал, бетон, тканини. Застосовують ці клеї для склеювання труб газо- і нафтопроводів, ремонту обладнання шахт і збагачувальних фабрик, де небезпечно застосовувати зварювання. Склеєні деталі витримують тиск близько 12-103 гПа і температуру від - 6 0 до +120 °С.

Дотепер ми розглядали явища, які ілюструють існування сил притягання між молекулами. Але багато фактів свідчить про те, що між молекулами діють і сили відштовхування. Цим пояснюється, зокрема, мала стисливість твердих тіл і рідин. Адже сили притягання між частинками мали б сприяти стисканню тіла, а між тим, щоб стиснути чи спресувати тіло, до нього треба прикласти силу, і часто дуже велику. Отже, між молекулами діють і сили відштовхування.

15

1

взаємного притягання і ще менша сила відштовхування. В міру зближення молекул спочатку швидше зростає сила притягання, а потім — сила відштовхування. На відстані г0, що становить приблизно суму радіусів молекул, сила притягання дорівнює силі відштовхування. Ця відстань О В = г0 відповідає положенню стійкої рівноваги молекул і називається рівноважною. При дальшому зближенні молекул (г < г0) сила відштовхування переважає силу притягання.

На графіку показано також залежність рівнодійної сил взаємодії двох частинок од відстані між ними. Ця сила дорівнює алгебраїчній сумі сил відштовхування і притягання. Кожна ордината кривої взаємодії, яка відповідає будь-якій відстані г, є результатом алгебраїчного додавання ординат двох перших кривих. Крива зміни сили взаємодії молекул показує, що при відстанях між частинками г > г0 переважають сили взаємного притягання, а при г < г0 — сили відштовхування. Це пояснює виникнення сил пружності під час деформації тіл.

Якщо тіло не деформоване, сили, які діють на будь-яку молекулу з боку сусідніх молекул, зрівноважені (в протилежному випадку молекули б безперервно рухалися з прискоренням). Однак варто лише трохи збільшити відстань між молекулами тіла, наприклад розтягнувши його, як відразу між ними виникнуть сили притягання. Під дією цих сил тіло, залишене саме по собі, повертається у вихідне положення.

Під час стискання тіла, коли міжмолекулярні відстані зменшуються, молекули відштовхуються одна від одної, сили взаємодії між ними змінюють напрям. Сили відштовхування повертають тіло у вихідне положення.

Очевидно, сили взаємодії між молекулами сильно залежать від відстані, якщо вони навіть змінюють свій напрям на протилежний на дуже малих відстанях.

Сили взаємодії між молекулами в рідинах і твердих тілах настільки великі, що, незважаючи на хаотичний рух, молекули не можуть віддалитися одна від одної на значну відстань. Тому і тверді тіла, і рідини зберігають свій об'єм, а тверді тіла зберігають і свою форму.

Агаз свій об'єм не зберігає. Він займає об'єм тієї посудини,

вяку вміщений, якою б великою посудина не була. Це можна пояснити лише тим, що в газах сили притягання між молекулами настільки малі, що вони не можуть завадити молекулам розлетітися. Тому газ і займає весь наданий йому об'єм (повітря, яке оточує Землю,— атмосфера — не міститься

впосудині, однак утримується біля поверхні Землі силою тяжіння). А малі ці сили тому, що відстані між молекулами в газі набагато більші, ніж у рідинах і твердих тілах.

16

На практиці користуватися такими числами незручно. їх важко запам'ятати і важко виконувати над ними арифметичні дії. Тому, як вам відомо з курсу хімії 8-го класу, за одиницю

Карбону, оскільки Карбон входить у дуже велику кількість хімічних сполук (органічні сполуки).

Масу атома, виражену в атомних одиницях маси, називають відносною атомною масою Аг.

Відносною атомною масою речовини Лг називають відношення маси атома т0 даної речовини до 1/12 маси атома Карбону тс:

А

яке показує, у скільки разів маса атома т0 даного елемента більша за 1/і2 маси атома Карбону тс. Очевидно, що відносна атомна маса Карбону дорівнює 12 (звичайно атомні маси наводяться без найменування «атомні одиниці маси»). Наприклад, відносна атомна маса Магнію дорівнює 24. Це означає, що маса атома Магнію у 24 рази більша за 1/і2 маси атома Карбону. Маса атома Гідрогену майже в 12 раз менша за масу атома Карбону, тобто відносна атомна маса Гідрогену наближається до 1.

Відносні атомні маси атомів хімічних елементів вказані у періодичній системі Д. І. Менделєєва (ПС). При цьому слід мати на увазі, що відносні атомні маси, наведені в ПС, дещо відрізняються від цілих чисел, наприклад в Оксигену 15,9994, а не 16, у Нітрогену 14,0067, а не 14, у Феруму 55,847, а не 56, і т.д. Це пов'язано з тим, що атоми одного й того самого хімічного елемента можуть мати різні маси (ізотопи). Для практичних розрахунків ми надалі заокруглюватимемо відносні атомні маси, які наводяться в ПС, до найближчого цілого і вважатимемо, що відносна атомна маса

Якщо речовина складається не з атомів, а з молекул, то її відносна молекулярна маса МТ дорівнює сумі відносних атомних мас атомів, які утворюють молекулу. Наприклад, відносна молекулярна маса молекули азоту N2 дорівнює 28,

кислого газу С02 дорівнює 44, оскільки його молекула складається з одного атома Карбону і двох атомів Оксигену (12 + 16 + 16 = 44) тощо.

18

Експериментально встановлено, що атомна одиниця маси дорівнює 1,660 • 1СГ27 кг. Оскільки у ПС вказані відносні атомні маси, то легко обчислити масу будь-якого атома чи

молекули. Наприклад, маса молекули вуглекислого газу дорівнює: тсо = 1,66 • 10~2' кг • 44 = 73,04 • 10~27 кг , води — ти^о = 1,66 • 10_ 2 7 кг • 18 - 29,88 • 10~27 кг .

де т0 — маса молекули (в кг), Мг — відносна молекулярна маса цієї речовини.

Якщо маса молекули якоїсь речовини відома, то легко дізнатися, скільки молекул N міститься в будь-якому тілі, яке складається з цієї речовини. Для цього треба масу т тіла (її визначають зважуванням на терезах) поділити на масу однієї

молекули /п0: N = т .

т0

А маса молекули будь-якої речовини в кілограмах дорівнює

Число молекул речовини в будь-якому тілі називається кількістю речовини. Ця фізична величина настільки важлива, що вона поряд з масою, довжиною і часом належить до основних величин, на яких ґрунтується Міжнародна система одиниць (СІ). Для цієї величини, як і для інших, треба обрати одиницю вимірювання.

Здавалося б, природна одиниця кількості речовини — це одна частинка — молекула, атом тощо. Але тоді числа, які виражають цю величину, будуть дуже великими.

Більш зручну одиницю можна обрати на основі формули (5.1). З формули видно, що коли маса речовини тп чисельно дорівнює відносній масі молекули Мг , число молекул в тілі такої маси дорівнює 6,02-102 6 , незалежно від того, про яку речовину йдеться. Оскільки Мг води, кисню, вуглецю дорівнюють відповідно 18, 32 і 12, то 18 кг води, 32 кг кисню, 12 кг вуглецю містять одне й те саме число частинок — 6,02-102 6 . Це число частинок і можна було б обрати за одиницю кількості речовини.

Домовилися одиницею кількості речовини вважати таку кількість речовини, в якій міститься не 6,02.102 6 , а в 1000 раз менше частинок, тобто 6,02-102 3 молекул, атомів тощо.

За одиницю кількості речовини приймають таку кількість речовини, в якій міститься 6,02 • 1023 частинок (молекул, атомів тощо). Називається ця одиниця моль. Позначають її так само: моль (скороченого позначення ця одиниця не має).

19