uabooks.top

«Если бы <...> все накопленные научные знания были уничтожены и к грядущим поколениям перешла только одна фраза, то какое утверждение принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов, маленьких телец, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому». Это слова Ричарда Фейнмана, лауреата Нобелевской премии по физике 1965 г., и они практически дословно повторяют идеи Демокрита, высказанные более 25 веков назад.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — теория, рассматривающая строение вещества с точки зрения трех основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц — атомов, молекул, ионов, то есть имеют дискретное строение; между частицами есть промежутки (рис. 26.1).

2. Частицы вещества пребывают в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении; такое движение называют тепловым.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Вспомним определения основных структурных единиц вещества.

Атом — наименьшая частица, являющаяся носителем свойств химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует атом, обозначаемый символом элемента (атом Гидрогена Н, атом Карбона С, атом Урана U). Атом имеет сложную структуру и представляет собой ядро, окруженное облаком электронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре. Заряд электрона по модулю равен заряду протона, поэтому атом электрически нейтрален. Объединяясь, атомы образуют молекулы.

Рис. 26.1. Микроструктура некоторых веществ в кристаллическом состоянии

Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая химическими свойствами этого вещества и состоящая из атомов. Молекулы разных веществ имеют разный атомный состав. Все огромное разнообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов в молекулах.

Если атом (молекула) теряет один или несколько электронов, образуется положительный ион; если же к атому (молекуле) присоединились один или несколько электронов, образуется отрицательный ион.

Какие факты доказывают существование атомов и молекул

Мы не можем увидеть частицы вещества из-за их микроскопических размеров, однако еще философы древности приводили немало косвенных доказательств их существования.

Прочитайте строки из поэмы римского поэта и философа Тита Лукреция Кара (ок. 99-55 гг. до н. э.), в которой он представил взгляды философов-атомистов древности. Какие доказательства существования атомов и молекул приводит Лукреций?

Со временем появились доказательства существования частиц вещества, основанные на строгих количественных расчетах. Так, в конце XVIII в. был установлен закон кратных отношений: если два элемента, вступая в реакцию друг с другом, образуют несколько соединений, то разные массы одного элемента, соединяясь с неизменной массой второго элемента, соотносятся как небольшие целые числа. Например, азот и кислород дают три соединения: Ν₂0, Ν₂0₂, Ν₂0₅. При их образовании с неизменной массой азота массы кислорода, вступившего в реакцию, относятся как 1:2:5 соответственно. Это легко объяснить, сравнив состав молекул образовавшихся веществ.

Сейчас физики создали ряд приборов (ионные проекторы, электронные и туннельные микроскопы), позволяющих исследовать не только состав молекул (рис. 26.2), но и внутреннее строение атома (рис. 26.3).

Размеры молекул Размеры молекул настолько малы, что это трудно представить. Если молекулу воды (d»3- Ю¹⁰ м) увеличить в миллион раз, то она будет иметь размер точки (~ 0,3 мм). В результате такого же увеличения толщина волоса (0,1 мм) окажется равной 100 м, диаметр вишни (1 см) — 10 км, а средний рост человека (170 см) — 1700 км.

Чтобы продемонстрировать огромное количество молекул, английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил мысленный эксперимент: «Допустим, мы взяли стакан «меченых» молекул воды, вылили эту воду в Мировой океан и тщательно перемешали его. Затем зачерпнули стакан воды из океана на другом краю Земли и посчитали в ней все «меченые» молекулы. В стакане их окажется около тысячи!»

Попробуйте проверить расчеты У. Томсона. Объем Мирового океана — 1,34 · 10¹⁸ м³.

Насколько мала молекула

Достаточно точно установлено: размеры большинства молекул и диаметры всех атомов составляют порядка Ю^-10 м. Разумеется, что массы атомов и молекул тоже малы (порядка КГ²⁶ кг). Измерять их в таких единицах, как килограмм, очень неудобно, поэтому была принята внесистемная единица — атомная единица массы, равная 1/12 массы атома Карбона

Массу молекулы, представленную в атомных единицах массы, называют относительной молекулярной массой М_г:

Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса т₀ молекулы больше, чем 1/12 массы атома Карбона

В каких единицах считают молекулы

Макроскопические тела состоят из огромного количества частиц. Выясним, например, количество молекул в стакане воды (тп=0,2 кг).

Масса молекулы воды т₀ ~3,0Ю^-26 кг. Следовательно, в стакане воды содержится:

молекул! Считают такое огром

ное количество микрочастиц определенными «порциями» — молями. 1 моль любого вещества содержит одинаковое число частиц, — столько, сколько атомов Карбона содержится в углероде массой 12 г. Это число называют постоянной Аво-

гадро:

Физическая величина, равная количеству молей частиц вещества, называется количеством вещества v:

где N — число частиц вещества.

Единица количества вещества в СИ —

моль:

Массу данного вещества, взятого в количестве 1 моль (6,02 10²³ молекул), называют молярной массой М вещества:

где т₀ — масса молекулы (атома) вещества.

Единица молярной массы в СИ — килограмм на моль:

Получите формулы, представленные справа, самостоятельно.

Молярная масса равна относительной молекулярной массе, представленной в граммах:

Количество вещества массой т и молярной массой М можно определить по формуле:

Число N молекул вещества равно:

Учимся решать задачи

Задача. Сколько свободных электронов находится в алюминиевом бруске размерами 1x4x5 см? Считайте, что каждый атом Алюминия дает один свободный электрон.

Анализ физической проблемы. По условию задачи количество электронов равно числу атомов Алюминия в бруске объемом 20 см³ (1x4x5 см). Молярную массу алюминия найдем, воспользовавшись Периодической системой химических элементов:

Плотность алюминия найдем в таблице плотностей.

Подводим итоги

Все вещества состоят из частиц: атомов, молекул, ионов. Частицы разделены промежутками и очень малы: их размеры порядка Ю^-10 м, масса — порядка КГ²⁶ кг. Массу микрочастиц принято измерять в атомных единицах массы: 1 а. е. м. » 1,66 ■ 10^-27 кг.

Количество частиц вещества огромно, поэтому их считают в молях. В одном моле любого вещества находится одинаковое число частиц — столько, сколько атомов Карбона содержится в углероде массой 12 г. Это число обозначают символом N_A и называют числом Авогадро (постоянной

Авогадро):

Физическая величина, равная количеству молей частиц вещества, называется количеством вещества:

Массу вещества, взятого в количе

стве 1 моль, называют молярной массой вещества:

Контрольные вопросы

1. Назовите основные положения МКТ. 2. Из каких частиц состоит молекула?

3. Какое строение имеет атом? 4. Перечислите известные вам прямые и косвенные доказательства существования атомов и молекул. 5. В каких единицах принято измерять массу молекул? количество молекул? 6. Каков физический смысл постоянной Авогадро? 7. Дайте характеристику таких физических величин, как количество вещества; молярная масса.

Упражнение № 26

1. На поверхность воды капнули каплю оливкового масла объемом 1 мм³ (см. рисунок). Расплывшись, масло образовало пленку площадью 0,6 м². Оцените размер молекулы оливкового масла.

2. Сколько молекул содержится в воде объемом 1,0 л?

Для каждого из указанных веществ определите молярную массу; число молекул в 100 моль; количество молей в 1 кг; массу одной молекулы: а) азот (N₂); б) углекислый газ (С0₂) в) метан (СН₄).

4. В пруд, имеющий среднюю глубину 2 м и площадь водной поверхности 15 000 м², бросили кристаллик йода массой 6 мг. Представьте, что воду в пруду перемешали и йод равномерно распределился по всему объему воды. Сколько атомов Йода оказалось бы в каждой пробе воды объемом 200 см³?

5. Придумайте или найдите интересные сравнения, иллюстрирующие, насколько малы атомы и молекулы.

Экспериментальное задание

Проведите опыт, подобный изображенному на рисунке к упражнению № 26, и оцените размер молекулы масла экспериментально. Подсказки: 1) поверхность воды, по которой растекается капля, должна иметь достаточно большую площадь (не менее 1 м²); 2) объем капли можно найти с помощью шприца, посчитав, например, сколько капель содержится в 1 мл масла.

Молекулярный диетолог

специалист по разработке индивидуальных схем питания, основанных на данных о молекулярном составе пищи с учетом генетического анализа человека и особенностей его физиологических процессов

Молекулярный диетолог рассматривает поведение молекул в определенных средах, их влияние на физиологические процессы в организме человека; рассчитывает затраты энергии при беге, ходьбе, плавании и другой двигательной нагрузке человека; определяет, какие именно продукты и в каком количестве нужны человеку для получения необходимой энергии.

 

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий