Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та її дослідне обґрунтування. Маса та розмір молекул. Стала Авогадро. План

1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та її дослідне обґрунтування.

2. Маса та розмір молекул. Стала Авогадро.

1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та її дослідне обґрунтування.

Молекулярна фізика вивчає тепловий рух. Тепловий рух зумовлює внутрішні властивості тіл, і його вивчення дає змогу зрозуміти багато фізичних процесів, які відбуваються в тілах.

Явища, зумовлені тепловим рухом атомів і молекул, називають тепловими. Вони відіграють важливу роль у природі. Зі зміною температури повітря змінюється все - температура тіла, розміри твердих тіл і рідин.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює теплові явища в макроскопічних тілах на основі уявлень, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично.

Теорію, яка пояснює будову і властивості тіл на основі закономірностей руху і взаємодії молекул, називають молекулярно-кінетичною теорією. Значний внесок у створення МКТ зробили: Лавуаз'є, Ломоносов, Больцман (друга половина ХІХ ст.).

Основні положення МКТ речовини:

1. Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) будову. Вони складаються з найдрібніших частинок молекул і атомів. Підтвердженням дискретності є прокатка, кування металу, отримання 1974 року фотографії окремих молекул і атомів, розчинність речовин тощо.

Молекули - найменші частинки, які мають хімічні властивості речовини. Молекули складаються з більш простих частинок - атомів хімічних елементів. У природі є 92 хімічні елементи. Разом із штучними наразі налічується 105 елементів.

Речовину, яка побудована з атомів лише одного виду, називають елементом (водень, кисень, азот тощо). Кожен елемент має свій номер Z в таблиці Менделєєва. Число Z визначає кількість протонів у ядрах атомів і електронів, що рухаються в атомі навколо ядра.

2. Молекули знаходяться в стані неперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і у загальному випадку є сукупністю поступального, обертального і коливального рухів.

Під час нагрівання речовини швидкість теплового руху і кінетична енергія його частинок збільшуються, а під час охолодження зменшуються. Ступінь нагрітості тіла характеризує його температура, яка є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного поступального руху молекул цього тіла.

3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами електромагнітної природи, причому на великих відстанях вони притягуються, а на малих - відштовхуються. Сили притягання і відштовхування між молекулами діють постійно.

Молекули різних речовин по-різному взаємодіють одна з одною. Ця взаємодія залежить від типу молекул і відстані між ними. Залежно від характеру руху і взаємодії молекул розрізняють три стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний (плазма).

Плазма - сильно іонізований газ (повітря), під дією високих температур. Для газів характерні великі міжмолекулярні відстані, малі сили притягання, тому гази можуть необмежено розширюватись. Молекули газу хаотично рухаються, співударяються одна з одною і зі стінками посудини (рис.3.1.3).

У рідинах молекули розміщені тісно і коливаються навколо положення рівноваги, а також перескакують з одного рівноважного положення в інше (ближній порядок) (рис. 3.1.4).

У твердих тілах сили взаємодії кожної молекули із сусідніми настільки великі, що молекула здійснює малі коливання навколо деякого сталого положення рівноваги - вузла кристалічних грат - дальній порядок (рис.3.1.5).

Молекулярно-кінетичну теорію речовини підтверджено такими дослідами і спостереженнями:

- дослід із змішуванням рідин;

- дослід із розчиненням твердих речовин в рідинах;

- спостереження над стисливістю речовин;

- деформації твердих тіл;

- броунівський рух;

- спостереження дифузії;

- зображення окремих молекул, отримані за допомогою іонного проектора, електронного мікроскопа;

- рентгеноструктурний аналіз речовин;

- спостереження осмосу.

Броун 1827 року відкрив хаотичний рух спори плауна у воді. Рух завислих частинок відбувався внаслідок руху молекул. Такого ж руху зазнають частинки фарби у воді, пилинки в промені світла тощо. Молекули передають частинкам імпульс, а отже, чинять на частинки тиск. Якщо частинка має малу площу S₁, то на одну з її сторін у будь-який момент часу середнє значення тиску може бути більшим, ніж на іншу, тому частинка здійснює безладний рух в об'ємі рідини. Причиною броунівського руху є флуктуація імпульсу, що передається від молекул частинці. Флуктуація - відхилення значення будь-якої величини від середнього. Оскільки S₂ >> S₁, частинка 2 не здійснює броунівського руху, бо тиск з усіх боків на неї однаковий (рис.3.1.6). 1905 року Ейнштейн розробив кількісну теорію броунівського руху.

Дифузія - явище спонтанного проникнення молекул контактуючих речовин в міжмолекулярні проміжки кожної з них.

Дифузію, що відбувається через напівпроникні перегородки, називають осмосом.

Приклад дифузії в газах - виникнення запаху, у рідинах - переміщування рідин різної густини. Молекули золота і свинцю внаслідок дифузії протягом 5 років утворюють шар завтовшки 1 см.

З підвищенням температури швидкість дифузії зростає. У природі дифузія сприяє живленню рослин з ґрунту. Без дифузії життя було б неможливим, адже насичення крові киснем і відведення шкідливих речовин - теж дифузія.

Довести існування значних сил притягання між атомами або молекулами можна, зокрема, за допомогою досліду з товстою палицею, яку важко зламати. Але одні лише сили притягання не можуть забезпечити існування стійких атомів й молекул.

Завдяки силам відштовхування молекули не проникають одна в одну.

Хоч молекули електронейтральні, між ними на малих відстанях діють значні електричні сили, бо молекула - складна система, що складається з електронів і ядер атомів. Відбувається взаємодія між електронами і ядрами сусідніх молекул.

Електричне поле за межами молекул швидко спадає з відстанню. Якщо зблизити молекули на відстань 2 - 3 діаметрів, виникає взаємодія їх ядер і електронних оболонок. Різнойменні заряди починають притягатися, а однойменні відштовхуватися. Коли молекули зіткнуться своїми електронними оболонками подальше їх зближення стає неможливим. Сили відштовхування різко зростають зі зменшенням відстані між центрами молекул. Якщо r > r₀, тоді переважають сили відштовхування і навпаки.

Графічну залежність сили взаємодії F_r (1), сили відштовхування F₁ (2) і сили притягання F₂ (3) молекул від відстані між молекулами зображено на рис.3.1.7.

Більшість молекул неорганічних речовин мають діаметр

d  10^-10 м і m = 10^-26 кг. Гігантами є молекули білків. Характерний розмір молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), наприклад, досягає кількох сантиметрів.