Вопрос 25:

Основные положения МКТ и их опытное обоснование

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ) все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой.

МКТ обосновывается многочисленными опытами и огромным количеством физических явлений. Рассмотрим ее три основных положения.

Все вещества состоят из частиц

1) Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов, ионов и др., разделенных между собой промежутками.

Молекула — мельчайшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его основные химические свойства.

Молекулы, образующие данное вещество, совершенно одинаковы; различные вещества состоят из различных молекул. В природе существует чрезвычайно большое количество различных молекул.

Молекулы состоят из более мелких частиц — атомов.

Атомы — мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства.

Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов (116) и их изотопов (около 1500).

Атомы представляют собой весьма сложные образования, но классическая MKT использует модель атомов в виде твердых неделимых частичек сферической формы.

Наличие промежутков между молекулами следует, например, из опытов смещения различных жидкостей: объем смеси всегда меньше суммы объемов смешанных жидкостей. Явления проницаемости, сжимаемости и растворимости веществ также свидетельствуют о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц.

С помощью современных методов исследования (электронный и зондовый микроскопы) удалось получить изображения молекул.

Масса молекул

Определить массу молекулы обычным путем, т.е. взвешиванием, конечно, невозможно. Она для этого слишком мала. В настоящее время существует много методов определения масс молекул, в частности, с помощью масс-спектрографа определены массы m₀ всех атомов таблицы Менделеева.

Так, для изотопа углерода   m₀ = 1,995·10^-26 кг. Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, то при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана   часть массы атома изотопа углерода  :

1 а.е.м. = 1/12 m_0C = 1,660·10^-27 кг.

Относительной молекулярной (или атомной) массой M_r называют величину, показывающую, во сколько раз масса молекулы (или атома) больше атомной единицы массы:

Относительная молекулярная (атомная) масса является безразмерной величиной.

Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева. Так, у водорода она равна 1,008, у гелия — 4,0026. При расчетах относительную атомную массу округляют до ближайшего целого числа. Например, у водорода до 1, у гелия до 4.

Относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы данного вещества. Ее рассчитывают, пользуясь таблицей Менделеева и химической формулой вещества.

Так, для воды Н₂O относительная молекулярная масса равна M_r = 1·2 + 16 = 18.

Количество вещества. Постоянная Авогадро

Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул (или атомов) в этом теле. Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в нем с числом атомов в 0,012 кг изотопа углерода  .

Количество вещества ν — величина, равная отношению числа молекул (атомов) N в данном теле к числу атомов N_A в 0,012 кг изотопа углерода  :

В СИ единицей количества вещества является моль. 1 моль — количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько атомов в 0,012 кг изотопа углерода  .

Число частиц в одном моле вещества называется постоянной Авогадро.

 = 6,02·10²³ моль^-1. (3)

Таким образом, 1 моль любого вещества содержит одно и то же число частиц — N_A частиц. Так как масса m₀ частицы у разных веществ различна, то и масса N_A частиц у различных веществ различна.

Массу вещества, взятого в количестве 1 моль, называют молярной массой М:

В СИ единицей молярной массы является килограмм на моль (кг/моль).

Между молярной массой Μ и относительной молекулярной массой M_r существует следующая связь:

Так, молекулярная масса углекислого газа 44, молярная 44·10^-3 кг/моль.

Зная массу вещества и его молярную массу М, можно найти число молей (количество вещества) в теле:  .

Тогда из формулы (2) число частиц в теле

Зная молярную массу и постоянную Авогадро, можно рассчитать массу одной молекулы:

Размеры молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают так. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния d (рис. 1).

Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы d (при этом считают, что молекулы имеют сферическую форму).

Размеры молекул различных веществ неодинаковы, но все они порядка 10^-10 м, т.е. очень малы.