Тема. Основные положения мкт. Размеры и масса молекул. Количество вещества. Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям.

1. Основные положения МКТ и их опытное обоснование.

При наблюдениях за явлениями природы, а так же при изучении свойств различных видов вещества наше воображение поражает необыкновенное многообразие видов вещества и различие его свойств.

Английский ученый Дальтон показал, что многие закономерности явлений природы можно объяснить, используя представления об атомах и молекулах, и научно обосновал молекулярное строение вещества.

К началу нашего столетия была окончательно создана и подтверждена множеством опытов МКТ строения вещества.

Основные положения:

1. Все виды вещества состоят из молекул между которыми имеются межмолекулярные промежутки.

Подтверждение: дробление вещества, испарение, расширение и сжатие, фотографирование относительно больших молекул, определение параметров молекул (υ, d, m).

2. Молекулы в любом веществе непрерывно и хаотически (беспорядочно) движутся.

Подтверждение: диффузия (выравнивание концентрации молекул какого-либо вещества в пространстве, обусловленное хаотическим движением молекул), броуновское движение (движение пылинок, обусловленное ударами хаотически движущихся молекул), зависимость давления от температуры.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом на небольших расстояниях, между молекулами (атомами) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, природа этих сил электромагнитная (взаимодействие электронов с ядрами соседних молекул).

Подтверждение: слипание свинцовых цилиндров, прилипание стекла в воде, сопротивление растяжению и сжатию, малая сжимаемость тел.

2. Размеры и масса молекул и атомов, количество вещества, молекулярная масса.

Все тела состоят из огромного числа молекул и атомов. Размеры атомов и молекул очень малы, увидеть их невооруженным глазом нельзя.

Представить малые размеры молекул трудно по этому приведет примеры сравнительного характера. Если увеличить все размеры во сколько раз, чтобы молекула была видна (т.е. до 0,1мм), то песчинка превратилась бы в стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океанского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км.

Линейный размер молекулы кислорода порядка 4*10^-10м. Средний размер молекул порядка 10^-10м.

Протоны, нейтроны и электроны, взаимодействуя между собой, образуют сложные и очень устойчивые, химически не делимые частицы, получившие название атомов вещества. Атомы химических элементов в результате электромагнитного взаимодействия соединяются между собой и образуют еще более сложные частицы вещества – молекулы.

Молекула – наименьшая частица вещества, несущая основные свойства этого вещества и способная к самостоятельному существованию.

Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Например массы молекул воды порядка 3*10^-26 кг. Массы отдельных молекул экспериментально определяют с помощью специального прибора – масс-спектрометра.

По международному соглашению в качестве единичной атомной массы m₀ принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С(m_0C) m₀=1/12 m_0C=1,66*10^-27кг.

Массы отдельных молекул отличаются друг от друга. Одинаковое число молекул разных веществ имеют разные массы.

При различного рода расчетах часто пользуются понятием моля.

В молях выражают количество вещества ν.

Количество вещества – это отношение числа N молекул к числу N_А атомов в 0,012кг углерода.

Моль – количество вещества, содержащего столько же молекул (атомов), сколько содержится молекул (атомов) в 0,012кг углерода.

В одном моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул, равное постоянной Авогадро.

N_A – число Авогадро. N_A=6,02*10²³ моль^-1 – число молекул в 1 моле вещества.

В молярной физике пользуются так же понятием молекулярной массы М, которая определяется как масса одного моля вещества.

; , где

; - число молекул или атомов в данной массе вещества.

[ν] – моль, [М] – кг/моль.

Масса любого количества вещества равна .

N_Л – число Лошмидта.

При нормальных условиях в 1м³ любого газа содержится одинаковое число молекул.

Так как массы молекул очень малы в расчетах пользуются не абсолютной массой, а относительной массой М_r, ее можно найти для каждого атома химического элемента в таблице Менделеева.

Например М_rC=12, М_rC02=44, М_rО2=32

М=М_r*10^-3 моль.

2. Опыт Штерна.

Изучение диффузии и броуновского движения позволили получить некоторое представление о скорости хаотического движения молекул газа.

Впервые скорость поступательного движения молекул экспериментально в 1920 году определения немецкий физик Штерн, на установке ось О – платиновая посеребренная проволока. При пропускании тока проволока нагревается и с ее поверхности происходит испарение серебра. Узкий пучок молекул серебра пролетает сквозь щель в цилиндре А (радиус r) и оседает в точке Д на поверхности цилиндра В (радиус R). Если всю установку привести в движение вокруг оси ОС постоянной угловой скоростью ω, то за время t, в течении которого молекула будет лететь от щели до поверхности В, последняя успеет повернуться и налет сместиться в точку Д’, на расстояние d.

, т.к. , то →

Средняя скорость молекул серебра в опыте оказалась равной 650 м/с. Слой серебра на внешнем цилиндре получился размытым. Это означает, что скорости движения атомов различны.

3. Распределения молекул по скоростям.

Закон распределения скоростей молекул в газе был получен Максвеллом.

В виду сложности закона, представим лишь его графическое изображение.

,

где n – общее число молекул,

Δn – число молекул со скоростью в интервале от υ до υ+Δυ.

- наиболее вероятная скорость.

Движение молекул характеризуется:

А) средней арифметической скоростью .

В) средней квадратичной скоростью ; .

В трехмерном пространстве , т.е. .

Атомы и молекулы взаимодействуют и следовательно обладают потенциальной энергией E_n.

Потенциальная энергия считается положительной при отталкивании молекул и отрицательной при притяжении.

Положение устойчивого равновесия молекул соответствует минимуму их потенциальной энергии.

График зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними называют потенциальной кривой. АВС – потенциальной ямы, σ – эффективным диаметром молекул, Е_nmin – глубиной потенциальной ямы.

Атомы и молекулы находятся в движении и следовательно обладают определенной кинетической энергией.

Соотношение между минимальной энергией Е_nmin и средней кинетической энергии хаотического теплового движения определяет возможность существования того или иного агрегатного состояния вещества: газообразного, твердого и жидкого.

Если - газообразное состояние.

- твердое состояние.

- жидкое состояние.

4. Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия.

Между молекулами одновременно действуют силы притяжения и отталкивания, называемые межмолекулярными силами.

Способность твердых тел сопротивляться растяжению, особые свойства поверхности жидкости и другие явления приводят к выводу, что между молекулами действуют силы притяжения.

Малая сжимаемость тел означает, что между молекулами существуют силы отталкивания.

В твердых телах и жидкостях силы отталкивания и притяжения действуют одновременно.

Силы межмолекулярного взаимодействия по своей природе являются силами электромагнитного происхождения.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие электрически нейтральных молекул и атомов.

Межмолекулярное взаимодействие зависят от расстояния между молекулами.

Наименьшее расстояние между молекулами, на котором силы взаимодействия молекул так малы, что ими можно пренебречь, называются радиусом молекулярного действия. Она составляет около 10ангстрем. 1 = 10^-10м

Зависимость сил взаимодействия двух молекул от расстояния между ними.

Между электронами одной молекулы и атомными ядрами другой действуют силы притяжения. F_пр – отрицательные. Одновременно между электронами молекул и их ядрами действуют силы отталкивания. F_от – положительные.

При r=r₀, F_r=0 – наиболее устойчивое положение молекул. При r>r₀, F_пр>F_от, при r<r₀, F_пр<F_от.

Равнодействующая межмолекулярных сил F_r характеризует силу взаимодействия.

5. Длина свободного пробега молекул в газе.

Средняя длина свободного пробега молекулы – это такой путь, который молекула проходит, не испытывая соударений, равна отношению пути, пройденного молекул за 1с, к числу происшедших за это время столкновений:

, где ,

n₀ – число молекул в единице объема,

d_э – эффективный диаметр – наименьшее расстояние на которое могут сближаться молекулы при взаимодействии.

.

Вопросы для самопроверки:

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование.

2. Размеры и масса молекул.

3. Количество вещества. Число Авогадро.

4. Как найти молярную массу?

5. Как вычислить массу одной молекулы?

6. Как найти число молекул в данной массе?

7. Что определил опытом Штерн?

8. Что определяет возможность существования того или иного агрегатного состояния вещества: газообразного, твердого и жидкого?

9. Какие силы взаимодействия существуют между молекулами?

10. Что такое межмолекулярное взаимодействие?

11. От чего зависит межмолекулярное взаимодействие?

=========================================================================================