1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
2. Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії
1. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ
ІСНУВАННЯ МОЛЕКУЛ ТА ЇХНІ РОЗМІРИ
З курсів фізики та хімії ви вже знаєте, що речовина складається з атомів і молекул.
Думку про те, що речовина складається з дрібних частинок, першими висловили ще в 5-му столітті до нашої ери давньогрецькі філософи Левкіпп і Демокріт, які стверджували, що у світі є тільки атоми1 і порожнеча.
Доказ вони наводили, наприклад, такий: вода, висихаючи, дробиться на такі дрібні частини, що зовсім недоступні для ока.
Однак тільки через дві з половиною тисячі років після появи атомної гіпотези — наприкінці 20-го століття — наука досягла рівня, коли вчені змогли побачити атоми. На рисунку 18.1 ви бачите фотографію поверхні золотої фольги, зроблену за допомогою йонного мікроскопа (збільшення у 20 мільйонів разів). Білі плями — це зображення окремих атомів золота!
Як оцінити розміри молекул?
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Якщо помістити- краплину олії на поверхню води, олія розтечеться по ній дуже тонким шаром (рис. 18.2). Максимальна площа олійної плівки відповідає її товщині в одну молекулу. Знаючи об’єм краплини та площу олійної плівки, що утворилася з неї, можна оцінити розмір однієї молекули олії.
Наприклад, крапля маслинової олії об'ємом 1 мм3 розтікається по площі не більше 1 м2. Звідси випливає, що розмір молекули олії приблизно 10“9 м.
Як можна уявити розміри молекул і атомів? Характерною довжиною у світі молекул є 10 10 м. Найменша молекула — одноатомна молекула гелію — має розмір близько 2 10 10 м. Розмір молекули води, що складається з двох атомів Гідроґе-ну та одного атома Оксиґену, — близько 3 10 10 м.
Щоб ви могли уявити розмір молекули води, наведемо порівняння: в одній чайній ложці води міститься приблизно стільки ж молекул води, скільки чайних ложок води у Світовому океані. Отже, щоб перерахувати молекули води в чайній ложці, знадобилося б стільки ж часу, скільки потрібно для того, щоб вичерпати чайною ложечкою Світовий океан!
РУХ МОЛЕКУЛ
З якими швидкостями рухаються молекули? У повітрі, що нас оточує, молекули мчать зі швидкостями артилерійських снарядів — сотні метрів за секунду. Ми не відчуваємо своєю шкірою окремих ударів молекул тому, що маси молекул надзвичайно малі, а дріб їхніх ударів — дуже частий. «Барабанний дріб» частих ударів малесеньких молекул сприймається як постійний тиск газу.
З такими ж великими швидкостями рухаються атоми і молекули рідких і твердих тіл навколо нас, а також молекули, з яких складаємося ми самі.
Броунівський рух. На початку 19-го століття англійський ботанік Р. Броун, спостерігаючи в мікроскоп за маленькими частинками квіткового пилку рослин, змуленими у воді, виявив, що вони перебувають у «вічному танку*, безупинно хаотично рухаючись.
Учений припустив, що це рух живих істот, і повторив дослід з потовченими на дрібний пил шматочками каменю. Але й частинки каменю «танцювали без утоми*!
Цей «броунівський рух*, як його назвали, залишався загадкою для вчених аж 50 років. Тільки наприкінці 19-го століття вчені здогадалися, що цей рух зумовлений бомбардуванням броунівських частинок молекулами рідини: якщо частинка дуже мала, удари молекул по ній з різних боків не компенсують одні одних, що й викликає безперервний хаотичний рух частинки.
Рис. 18.3 ілюструє хаотичність руху броунівських частинок. На фотографії, зробленій за допомогою мікроскопа, відрізками з’єднано послідовні положення броунівської частинки через ЗО с. Якби положення частинки відзначалися не через ЗО с, а через 1 с, то кожен відрізок замінила б така сама вигадлива ламана з ЗО відрізків.
Броунівський рух став першим дослідним підтвердженням молекулярної будови речовини: він відіграв роль «містка* між макросвітом — світом тіл, що безпосередньо спостерігаються — та мікросвітом — світом молекул і атомів.
На початку 20-го століття А. Ейнштейн та польський фізик М. Смолуховський розробили теорію броунівського руху, завдяки якій удалося оцінити розміри молекул.
Чому рух молекул ніколи не припиняється? Рух молекул разюче відрізняється від руху предметів, що нас оточують, насамперед тим, що рух молекул ніколи не припиняється. Механічний же рух, як ми вже знаємо, через тертя сповільнюється і зрештою припиняється. Чому ж молекули не зупиняються через тертя?
Річ у тім, що внаслідок тертя механічний рух перетворюється саме в хаотичний (тепловий) рух молекул — адже внаслідок тертя тіла нагріваються. Але самим молекулам «передати* енергію вже нікуди — вони рухаються в порожнечі, зіштовхуючись тільки одна з одною. Під час зіткнень молекул їхня кінетична енергія перерозподіляється між ними таким чином, що середня кінетична енергія молекул залишається незмінною.
Вічний рух малесеньких молекул у цьому відношенні подібний до вічного руху величезних планет: планети, так само як і молекули, рухаються в порожнечі, і тому їхня механічна енергія залишається практично незмінною протягом сотень мільйонів років.
Дифузія. Наллємо у високу скляну посудину блакитний розчин мідного купоросу (сульфату міді), а поверх нього обережно — чисту воду (рис. 18.4, а). Межа поділу рідин спочатку буде різкою, але поступово вона почне розмиватися (рис. 18.4, б, в). За деякий час забарвлення рідини стане однорідним (рис. 18.4, г). Отже, частинки мідного купоросу проникають у воду, а молекули води — у мідний купорос. Це взаємне проникання частинок однієї речовини в другу, зумовлене рухом молекул, називають дифузією (від латинського «диффузіо* — поширення, розтікання).
Дифузія відбувається також у газах і навіть у твердих тілах. Це означає, що молекули перебувають у невпинному хаотичному русі, тобто дифузія є дослідним підтвердженням руху молекул.
ВЗАЄМОДІЯ МОЛЕКУЛ
Природа взаємодії молекул. Взаємодія молекул має електричну природу. Хоча молекули в цілому електрично нейтральні, розподіл позитивних і негативних електричних зарядів у них такий, що на великих відстанях (порівняно з розмірами самих молекул) молекули притягуються, а на малих відстанях — відштовхуються.
Взаємодію молекул описують за допомогою квантової механіки — науки про рух і взаємодію дрібних частинок речовини. Про основні її положення ми розповімо в курсі фізики 11-го класу.
Прояв взаємодії молекул. Притяганням молекул зумовлене існування рідин і твердих тіл: коли б не це притягання, рідини й тверді тіла розсипалися б на окремі молекули (перетворившись у гази).
На дуже малих відстанях притягання молекул змінюється відштовхуванням, завдяки чому об’єм рідини або твердого тіла дуже важко зменшити стискуванням: тому говорять, що рідини й тверді тіла практично нестискувані.
Силами притягання і відштовхування молекул пояснюються пружність та міцність твердих тіл (див. § 8. Сили в ме ханіці. Сила пружності).
ПОСТАВИМО ДОСЛІДИ
1. Щоб мати уявлення про сили взаємодії між молекулами, спробуйте розірвати сталеву або капронову нитку площею перерізу 1 мм2. Мало хто зможе це зробити, але ж зусиллям усього вашого тіла «протистоять» сили притягання малюсіньких молекул у малому перерізі нитки!
2. На рисунку 18.5 зображена демонстрація, що наочно показує існування сил міжмолекулярного притягання. Якщо щільно притиснути один до одного свинцеві циліндри з добре зачищеними торцями, вони внаслідок сил міжмолекулярного притягання «зчіплюються» так міцно, що до них можна підвісити кілограмову гирю.
ТРИ ПОЛОЖЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ
Отже, виходячи з дослідів, можна сформулювати основні положення молекулярно-кінетичної теорії:
усі речовини складаються з дрібних частинок — атомів і молекул;
частинки речовини перебувають у безперервному хаотичному русі;
частинки речовини взаємодіють між собою.
2. ОСНОВНЕ ЗАВДАННЯ
МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ
Молекулярно-кінетична теорія пов'язує властивості речовини з рухом і взаємодією молекул.
МАКРОСКОПІЧНІ ТА МІКРОСКОПІЧНІ ПАРАМЕТРИ
Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл, називають макроскопічними параметрами.
Приклади макроскопічних параметрів: маса тіла, його об’єм, тиск і температура.
Макроскопічні параметри застосовні тільки до макроскопічних тіл: безглуздо говорити, наприклад, про тиск чи температуру однієї молекули.
Величини, що характеризують властивості окремих молекул, називають мікроскопічними параметрами.
Приклади мікроскопічних параметрів: маса молекули, середня швидкість молекул та їх середня кінетична енергія.
РІВНЯННЯ СТАНУ
Досліди показують, що макроскопічні параметри, які характеризують дане тіло, зв’язані один з одним. Наприклад, якщо за постійного тиску збільшувати температуру газу, його об’єм збільшується.
Завдання молекулярно-кінетичної теорії — пояснити співвідношення між макроскопічними параметрами на основі уявлення про рух і взаємодію молекул.
Щоб сформулювати це завдання чіткіше, уведемо поняття рівняння стану. Так називають співвідношення між макроскопічними параметрами, наприклад між температурою, об’ємом і тиском.
Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії — вивести рівняння стану речовини, установивши зв’язок між макроскопічними та мікроскопічними параметрами.
Німецький фізик Р. Клаузіус установив залежність між тиском ідеального газу і середньою квадратичною швидкістю молекул газа
У нашому курсі ми зможемо (і то з деякими спрощеннями) вирішити основне завдання молекулярно-кінетичної теорії для найпростішого випадку — коли речовина перебуває в газоподібному стані. Але й при цьому ми зможемо багато чого дізнатися про світ молекул.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Усі речовини складаються з дрібних частинок, що перебувають у безперервному хаотичному русі та взаємодіють одна з одною. Дифузією називають взаємне проникання частинок однієї речовини в другу, зумовлене рухом молекул.
Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл у цілому, називають макроскопічними параметрами. Основні макроскопічні параметри — тиск, об'єм і температура.
Величини, що характеризують властивості окремих молекул речовини, називають мікроскопічними параметрами. Приклади мікроскопічних параметрів — маса молекули та середня кінетична енергія молекул.
Рівнянням стану називають співвідношення між макроскопічними параметрами — температурою, об'ємом і тиском.
Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії — вивести рівняння стану речовини, установивши зв'язок між макроскопічними та мікроскопічними параметрами.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Сформулюйте основні положення молекулярно-кінетичної теорії.
2. Наведіть приклади дослідного обґрунтування положень молекулярно-кінетичної теорії.
3. Які свідчення існування атомів вам відомі?
4. Які характерні розміри атомів і молекул?
5. Опишіть дослід, за допомогою якого можна оцінити розмір молекули.
6. Що таке броунівський рух? Чому він відіграв важливу роль у становленні молекулярно-кінетичної теорії?
7. Що таке дифузія? Проілюструйте свою відповідь прикладом.
8. Чому рух молекул ніколи не припиняється?
9. Яка природа взаємодії молекул?
10. Які досліди та спостереження вказують на те, що молекули взаємодіють між собою?
Другий рівень
11. Чи відчуваємо ми удари молекул, з яких складається повітря? Якщо так, то як саме ми їх відчуваємо?
12. На поверхні води крапля олії об'ємом 0,08 мм3 розтікається в пляму площею не більше 0,05 м2. Який висновок стосовно розмірів молекул олії можна зробити за результатами досвіду?
13. Молекули пахучих речовин рухаються в повітрі зі швидкостями сотні метрів на секунду. Чому ж запахи за відсутності вітру поширюються набагато повільніше?
14. Що таке макроскопічні параметри? Наведіть приклади.
15. Що таке мікроскопічні параметри? Наведіть приклади.
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев