10

Розділ 1. Молекулярна фізика

Тема 1. Основи молекулярно-кінетичної теорії Заняття 1 Основи молекулярно-кінетичної теорії будови речовини

Ціль: сформулювати основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини; усвідомити поняття про кількість, масу і розмір молекул

1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

2. Розміри і маса молекул.

3. Кількість речовини. Атомна одиниця маси.

4. Гіпотеза Авогадро.

Ключові слова: молекулярна фізика, МКТ, кількість речовини, моль речовини, число Авогадро, атомна одиниця маси, густина речовини.

Теоретичні відомості

В попередніх курсах ви знайомились с механікою Ньютона та розглядали механічний рух макроскопічних тіл, тобто переміщення одних тіл відносно інших протягом часу.

Макроскопічними тілами називають великі тіла, що складаються з великої кількості молекул.

Механіка не пояснює, чому існують тверді, рідкі та газоподібні тіла і чому ці тіла переходять з одного агрегатного стану в інших. Механіка також не досліджує внутрішні властивості тіл. Вона говорить про сили як про причини зміни швидкостей тіл, але природа цих сил, їх походження не з’ясовується. Чому при стисканні тіл з’являються сили пружності, чому виникає тертя і т.п.? На ці питання механіка не дає відповідей.

Молекулярна фізика є наукою про будову, фізичні властивості та агрегатні стани речовини, яка розглядається як сукупність великої кількості молекул, що взаємодіють між собою і знаходяться в тепловому русі.

Макроскопічні властивості речовини, які описує молекулярна фізика, вважаються незалежними від внутрішньої будови молекул, але залежної від кількості, розміру молекул, від їх взаємодії між собою і т.п.

Молекулою називається найменша стійка частинка речовини, що зберігає всі її хімічні властивості. Молекула може складатися з одного чи декількох атомів однакових чи різних хімічних елементів. Молекула електрично нейтральна, так як містить рівну кількість додатно та відємно заряджених часток. Атом - найменша хімічно нероздільна частка речовини.

На малий розмір молекул вказує такий факт: якщо б населення земної кулі дорівнювало кількості молекул у 1 см³ повітря (2710¹⁸ молекул), то на кожний квадратний метр поверхні приходилося би 50 000 чоловік. А на велику кількість молекул вказує такий факт: якщо помітити всі молекули в склянці води, а потім вилити її в океани, ретельно розмішати воду в океанах, морях, ріках і озерах та знову зачерпнути склянку води, то в ній виявилося б близько 100 помічених молекул.

Явища, що пов’язані з нагрівом або охолодженням тіл, зі зміною їх температури, називаються тепловими. Нагрів або охолодження тіла може змінити його до не впізнавання. Молекулярна фізика роз’ясняє зміни в тілах, коли самі тіла нерухливі, і коли з точки зору механіки з ними не відбувається нічого суттєвого. Молекулярна фізика описує особливий вид руху матерії - тепловий рух, притаманний всім макроскопічним тілам незалежно від того, переміщуються вони в просторі чи ні. Теплові явища відбуваються всередині тіла й цілком визначаються рухом атомів чи молекул.

Тепловим рухом молекул називають їх хаотичний рух, тобто неперервний непідпорядкований рух, що не має будь-якого переважного напряму. Інтенсивність хаотичного руху молекул залежить від температури тіла.

Однією з основних теорій молекулярної фізики є молекулярно-кінетична теорія будови речовин (МКТ). Ціллю МКТ є роз’яснення властивостей макроскопічних тіл і теплових процесів, що протікають в них на основі уявлень про те, що всі тіла будуються з окремих частинок, які рухаються не підпорядковано.

Основними задачами МКТ являються:

1. дослідження будови речовини та її зміни завдяки зовнішнім впливам;

2. вивчення явищ переносу - дифузії, теплопровідності, внутрішнього тертя;

3. вивчення фазових перетворень - випаровування та конденсації, плавлення та кристалізації;

4. дослідження критичних станів речовини;

5. дослідження поверхневих явищ на межі розділу фаз.

В основі МКТ будови речовини лежать три твердження:

• речовина складається з часток;

• ці частки рухаються неперервно та хаотично;

• частки взаємодіють одна з одною.

Все ці твердження доведені дослідами.

Властивості та поведінка всіх тіл визначаються рухом взаємодіючих між собою частинок: молекул, атомів або малих утворень.

Молекулярна фізика оперує рядком термінів та визначень. Наведемо деякі з них.

Густиною називається маса речовини в одиниці об’єму

, одиниця виміру [] = кг/м³.

Відносною молекулярною масою М_r речовини називається безрозмірна величина, що дорівнює відношенню маси її молекули до 1/12 маси атома карбону (вуглецю) . Маса, що дорівнює 1/12 маси ядра атома , називається атомною одиницею маси (а.о.м.).

1 а.о.м. = 1,6605655(86)10^-27 кг, в свою чергу 1 кг = 6,02204510²⁶ а.о.м.

Кількість речовини, що містить стільки атомів (молекул), скільки їх міститься в 12 г ізотопу карбону , називається молем. Згідно гіпотезі Авогадро: в одному молі будь-якої речовини міститься однакове число молекул. Це число називається числом Авогадро (N_A):

N_A = 6,022045(31)10²³ моль^-1

Маса одного моля називається молярною масою  (або М). Її одиниці виміру - кг/моль:

 = N_AM_r1 а.о.м. = N_Am_o, де m_o - маса однієї молекули речовини вираженої в кг.

Відносна молекулярна маса М_r виражена в кілограмах, чисельно дорівнює молярній масі .

• = 0,001М_r кг/моль = М_r г/моль.

Наприклад, відносна молекулярна маса оксигену О₂: М_r(О₂) = 32, а молярна маса  = 0,032 кг/моль.

Моль являється основною одиницею кількості речовини системи СІ, що використовується в молекулярній фізиці. Так як окремі молекули різних речовин мають різну масу, то маса в даному випадку не є мірою кількості речовини. Так, наприклад, в 1 кг оксигену число молей менше, ніж в 1 кг гідрогену.

Об’єм одного моля називається молярним об’ємом: , де  - густина речовини. Одиниця виміру [V_] = м³/моль. Для газів молярний об’єм дорівнює 22, 4 л/ моль. (Нагадаємо, що 1 л = 10³ см³ = 10^-3 м³)

Число молей  речовини в масі m може бути визначено по формулі:

Маємо ряд формул:

маса речовини: m = Nm_o = ;

число молекул речовини в масі m N = N_A;

молярна маса:  =V_ = .