Основні положення МКТ

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.

Для зручності розрахунків ввели поняття "відносна атомна (молекулярна) маса"

де M_r(A_r) - відносна молекулярна (атомна) маса; m₀ - маса атома або молекули довільної речовини; 1/12m₀(C¹²) - 1 а. о. м. = 1,66·10^-27 кг - маса 1/12 частини маси атома Карбону.

Величину 1/12m₀(C¹²) використовують для порівняння з масою молекули (атома) через те, що Карбон є дуже поширеною речовиною, на цю величину майже націло діляться всі маси атомів хімічних елементів.

Відносну молекулярну масу речовин, молекули яких складаються з декількох атомів, знаходять за формулою

M_r = A_r1 n₁ + A_r2n ₂ + … +A_rkn _k.

Наприклад, для Н₂О: M_r = 1·2 + 16·1 = 18; для Сu: M_r = A_r1 n₁ = 1·64 = A_r.

А для органічних речовин значення Mr (Ar) може досягати сотень тисяч. Кількість атомів, що міститься в 0,012 кг ізотопу Карбону (С¹²) дорівнює числу Авогадро: N_A = 6,02·10²³ (1/моль).

У молекулярній фізиці виникла потреба введення нової одиниці вимірювання кількості речовини - моля. В 1 молі будь-якої речовини міститься однакова кількість молекул або атомів. Кількість молів структурних одиниць речовини знаходять за формулою

де N - кількість молекул або атомів (структурних одиниць) в певній масі речовини; m - маса речовини; m - молярна маса - маса одного моля структурних одиниць речовини; m = m₀N_A (маса однієї молекули, помножена на сталу Авогадро) або m = M_r·1 a. o. м. · N_A;

m = M_r·10^-3 кг/моль                    (3.1.1)

Для молекули Н₂О: m = 18·10^-3 кг/моль або 18 г/моль.

Із рівняння (3.1.1) одержимо вираз для розрахунку кількості атомів або молекул речовини певної маси m:

Щоб остаточно впевнитися в реальності існування молекул, треба визначити їх розміри. Для цього розглянемо розпливання краплі маслинової оливи об`ємом V на поверхні чистої води. Можна припустити, що, розпливаючись по максимальній площі, олива утворює шар завтовшки в діаметр молекули. Вимірюючи площину плівки S за максимального розпливання оливи, з відношення можна оцінити розміри молекул. Цим способом було оцінено розмір (діаметр) молекул оливи, d  4·10 ^-9 м.

Сучасними методами уже знайдено розміри значно менших молекул. Наприклад, лінійні розміри молекул кисню становлять 3·10^-10 м, а молекули водню - 2,6·10^-10 м.

Розмір молекули - величина умовна. Між молекулами поряд із силами притягання діють і сили відштовхування, тому молекули можуть наближатися лише до деякої відстані. Відстань найменшого зближення центрів двох молекул називають ефективним діаметром молекули. Тому дуже наближено можна вважати, що молекули речовин мають форму кулі.

Однак, вважаючи молекулу кулею, можна знайти наближене значення її діаметра з таких міркувань. Густина будь-якої речовини

де V_m = V₀N_A - молярний об`єм; V<sub>0</sub> - об`єм однієї молекули.

Вираз (3.1.2) після перетворень набуде вигляду

Із формули (3.1.3) знаходимо вираз для наближеного розрахунку діаметра молекули будь-якої однорідної речовини (r = const):

Запитання для самоперевірки

1. У чому полягає основне завдання молекулярної фізики?

2. Що таке МКТ?

3. Сформулюйте основні положення МКТ.

4. Які спостереження й експерименти підтверджують основні положення МКТ?

5. Що таке молекула? Атом?

6. Атоми і молекули тіла хаотично рухаються. Як це узгоджується з тим, що багато тіл зберігають форму й об`єм?

7. Який порядок величини діаметра і маси молекул неорганічних речовин?

8. Що називають відносною молекулярною масою? Яка формула виражає це поняття?

9. Чому дорівнює відносна молекулярна маса води?

10. Що таке кількість речовини? Яка формула виражає зміст цього поняття? Яка одиниця кількості речовини? Дайте визначення цієї одиниці.

11. Що називають постійною Авогадро? Чому вона дорівнює?

12. Що таке молярна маса речовини? Яка формула виражає зміст цього поняття? Яка одиниця молярної маси?

13. Установіть зв'язок між молярною масою та відносною молекулярною масою речовини.

14. За якою формулою визначають кількість молекул у довільній масі речовини?

15. Визначте молярну масу будь-якої речовини. Чому дорівнює молярна маса вуглекислого газу?

16. Що являє собою броунівський рух?

17. Про що свідчить броунівський рух?

18. Що називають дифузією? Приведіть приклади дифузії в газах, рідинах і твердих тілах.

19. Чи однаково швидко забарвлюється холодна і гаряча вода?

20. Як пояснити процес фарбування твердих тіл барвниками?

21. Чим з'єднання деталей паянням подібне до склеювання?

22. Чи є безладний рух порошин у повітрі броунівським рухом?

23. Яка природа міжмолекулярних сил?

24. Які властивості мають сили молекулярної взаємодії?

25. Що являє собою сфера молекулярної дії? Який радіус цієї сфери?

26. Як сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними?

27. Як пояснюється з молекулярного погляду поява сили пружності внаслідок стиснення і розтягування тіл?

28. Чим визначається в`язкість речовини?

29. Вода має малу в`язкість і добре змочує деталі машин. Чому ж її не використовують як мастильний матеріал?

30. Наведіть приклади агрегатних станів речовини. Спробуйте написати співвідношення між кінетичною і потенціальною енергіями для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини.

31. Опишіть характер руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах.

32. Який характер розміщення частинок у газах, рідинах і твердих тілах?

33. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах?

34. Назвіть основні властивості газів, рідин, твердих тіл.