uabooks.top » Физика » 27. Движение и взаимодействие молекул
Інформація про новину
  • Переглядів: 36
  • Дата: 1-12-2020, 01:50
1-12-2020, 01:50

27. Движение и взаимодействие молекул

Категорія: Физика




«...Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частички, почти мгновенно изменяя направление движения. Медленнее продвигаются более крупные, но и они постоянно изменяют направление движения. Самые большие частицы практически толкутся на месте <...>. Нигде нет и следа системы или порядка...» Таким, по словам немецкого физика Роберта Пола (1884-1976), представляется наблюдателю броуновское движение — явление, которое объясняется движением молекул. Вспомним, как движутся молекулы, и факты, подтверждающие их взаимодействие.

1

Что такое броуновское движение*

Броуновское движение — хаотическое движение видимых в микроскоп малых макрочастиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит под действием ударов молекул.

Это явление названо в честь шотландского ботаника Роберта Броуна (1773-1858), который первым наблюдал его в 1827 г. Рассматривая в микроскоп взвешенные в воде частички пыльцы, Броун заметил, что они непрерывно движутся, постоянно изменяя скорость.

Причина броуновского движения — хаотическое движение молекул жидкости или газа. Двигаясь, молекулы среды непрерывно бомбардируют взвешенную в ней макрочастицу (рис. 27.1). Если суммарная сила ударов с одной стороны случайно окажется больше, чем с другой, то макрочастица может начать движение; потом другие толчки изменят ее скорость.

Почему большие частицы «толкутся» на месте? Почему с увеличением температуры скорость движения броуновской частицы увеличивается?

Теория броуновского движения, созданная А. Эйнштейном и польским физиком М. Смолу-ховским в 1905-1906 гг. и экспериментально подтвержденная французским физиком Ж. Перреном (рис. 27.2), окончательно закрепила победу атомистики.

Рис. 27.2. Одна из тысячи схем, полученных Жаном Перреном, который обозначал положения броуновской частицы через равные (1 с) интервалы времени. Понятно, что реальная траектория движения частицы содержит еще больше звеньев

Что такое диффузия и где ее применяют

Непрерывное хаотическое движение молекул происходит внутри любого макроскопического

тела. В курсе физики 7 класса вы изучали диффузию — еще одно явление, обусловленное таким движением (от лат. diffusio — распространение, растекание).

Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, происходящий вследствие теплового движения молекул.

Если в стакан с водой налить подкрашенный сахарный сироп, спустя некоторое время вода в стакане окрасится и станет сладкой (рис. 27.3, а). Диффузия в жидкости происходит довольно медленно, а в твердых телах она медленнее в сотни и тысячи раз (рис. 27.3). В газах диффузия протекает гораздо быстрее, чем в жидкостях, но все равно: если бы не было конвекции, запах духов распространялся бы в комнате часами. Отметим, что в любых средах скорость диффузии увеличивается с повышением температуры и давления.

Диффузные процессы очень важны для получения и обработки некоторых материалов. Диффузия в твердых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, никелировании. С помощью диффузии поверхностный слой металлических изделий насыщают углеродом, обеспечивая их прочность (рис. 27.4).

Рис. 27.4. Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Если изготовить деталь из низкоуглеродистой стали, а затем поместить ее в высокотемпературную смесь, содержащую углерод, то благодаря диффузии поверхностный слой стали обогатится углеродом. Полученная деталь одновременно будет твердой (снаружи — крепкий чугун) и не будет разрушаться при ударных нагрузках (внутри — упругая сталь)

Разновидностью диффузии является осмос (от греч. osmos — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии сквозь полупроницаемую перегородку (мембрану) молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества. Например, если острым ножом отрезать дольку лимона, то сок практически не выделится; если посыпать дольку сахаром, то сок появится. Выделяясь из лимона, сок как бы стремится разбавить концентрированный раствор сахара, образовавшийся на срезе.

В природе благодаря осмосу питательные вещества и вода проникают из почвы в корни растений, из пищеварительного тракта — в организмы живых существ и непосредственно в клетки; кислород из легочных альвеол поступает в кровь и т. п. В промышленности осмос используют для очистки воды, производства напитков, получения некоторых полимеров.

Как быстро движутся молекулы

Молекулы в газах движутся очень быстро — со скоростью пули (см. таблицу), но далеко «улететь» не могут, поскольку ежесекундно испытывают более миллиарда столкновений с другими молекулами. Поэтому траектории движения молекул представляют собой сложные ломаные линии, подобные траектории движения броуновской частицы.

Объясните, почему, несмотря на огромную скорость движения молекул, запах в воздухе распространяется довольно медленно.

Обратите внимание! В веществе всегда есть молекулы, движущиеся медленно, и молекулы, скорость движения которых огромна. В результате столкновений скорости молекул непрерывно изменяются. Описать движение даже одной молекулы невозможно, да и не нужно. Важно знать, к какому результату приводит движение всей совокупности молекул данного объекта.

Как была измерена скорость движения молекул Впервые скорость движения молекул измерил немецкий физик Отто Штерн (1888-1969) в 1920 г.

Для опыта Штерн изготовил устройство (см. рис. 1),

состоящее из двух жестко связанных пустых цилиндров, надетых на общую ось; стенка внутреннего цилиндра имела щель. Вдоль оси была натянута металлическая нить, покрытая слоем серебра. Воздух из цилиндров был откачан.

Когда по нитке пропускали ток, серебро испарялось и внутренний цилиндр заполнялся атомами Аргентума, часть которых проходила сквозь щель и оседала на внутренней стенке внешнего цилиндра. В результате напротив щели образовывалась тонкая полоска серебра (А на рис. 2).

При вращении цилиндров полоска серебра становилась размытой и образовывалась не напротив щели, а на определенном расстоянии s от полоски А (полоска А'). Ведь пока атомы Аргентума проходили расстояние I (см. рис. 2), цилиндры поворачивались. Чем быстрее двигались атомы, тем ближе к полоске А они оседали.

Зная радиусы цилиндров, угловую скорость ω их вращения и измерив расстояние s, Штерн определил скорости υ движения атомов Аргентума.

Действительно, время движения атомов от щели

до внешнего цилиндра равна

За

это время точка на поверхности внешнего цилиндра проходит расстояние s, поэтому

Скорость движения атомов, измеренная Штерном, совпала со скоростью, рассчитанной теоретически.

Как и почему взаимодействуют молекулы

Убедиться в том, что молекулы притягиваются друг к другу, достаточно просто. Попробуйте, например, разорвать стальную проволоку или разломить кирпич — это будет сложно, хотя предметы состоят из отдельных частиц. Тот факт, что твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, превращаясь в газ, тоже говорит о том, что между молекулами существуют силы притяжения. Вместе с тем молекулы отталкиваются друг от друга. В этом легко убедиться, попробовав сжать ту же проволоку или тот же кирпич, — вряд ли вам это удастся.

Рис. 27.5. Графики зависимости сил притяжения, сил отталкивания и силы межмолекулярного взаимодействия от расстояния г между молекулами. Сила межмолекулярного взаимодействия находится как алгебраическая сумма сил отталкивания и сил притяжения

МКТ утверждает: между молекулами одновременно существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Основная причина наличия этих сил — электрическое притяжение и отталкивание заряженных частиц, образующих атом: положительно заряженное ядро одного атома притягивается к отрицательно заряженному электронному облаку другого атома; вместе с тем и ядра атомов отталкиваются друг от друга, и электронные облака.

Если расстояние г между молекулами меньше размеров d самих молекул (г < d), то преобладают силы отталкивания, поэтому молекулы отталкиваются друг от друга (рис. 27.5). По мере увеличения расстояния г убывают и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы отталкивания убывают быстрее. При расстоянии г = d силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются. При дальнейшем увеличении расстояния между молекулами (г > d) начинают преобладать силы притяжения и молекулы притягиваются друг к другу. Таким образом, на расстоянии r=d молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия’, при отклонениях молекулы от этого положения межмолекулярные силы стремятся вернуть ее в состояние равновесия.

Заметна ли сила взаимодействия между двумя молекулами, если расстояние между ними в десять раз больше размера молекул? в десять раз меньше (см. рис. 27.5)?

Фазовые состояния вещества

В МКТ различают три фазовых (агрегатных) состояния вещества: жидкое, кристаллическое, газообразное (существует и четвертое состояние — плазма, и оно самое распространенное во Вселенной, ведь именно в состоянии плазмы находится вещество в звездах). Изменение фазового состояния называют фазовым переходом. Рассмотрим разные фазовые состояния вещества и выясним особенности движения и взаимодействия молекул вещества в разных состояниях.

Фазовые (агрегатные) состояния вещества

Газообразное

Жидкое

Твердое кристаллическое

Слово «газ» происходит от греческого слова chaos («хаос»). Молекулы газов расположены беспорядочно и на расстояниях, которые в десятки раз больше размеров самих молекул. На таких расстояниях молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. Непрерывно сталкиваясь, молекулы газов разлетаются во все стороны, пока не встретят какое-либо препятствие, например стенки сосуда. Именно поэтому газы не имеют формы и занимают весь предоставленный объем. Большими расстояниями между молекулами объясняется и тот факт, что газы легко сжимаются.

Молекулы жидкости в целом расположены хаотично, однако в расположении ближайших молекул сохраняется определенный (ближний) порядок. Среднее расстояние между молекулами примерно равно размерам молекул, и межмолекулярные силы удерживают их около положения равновесия. Каждая молекула жидкости некоторое время (порядка 10-11 с) колеблется около положения равновесия, затем перескакивает в другое место и снова колеблется. Время «оседлой жизни» молекулы в сотни раз больше времени «перехода».

Переходы молекул из одного равновесного состояния в другое происходят преимущественно в направлении внешней силы, поэтому жидкости текучи: под действием внешних сил жидкость принимает форму того сосуда, в котором находится, при этом ее объем остается неизменным.

В веществе, находящемся в твердом кристаллическом состоянии, молекулы расположены в определенном порядке (образуют кристаллическую решетку) на расстояниях, примерно равных размерам самих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия удерживают их около положения равновесия.

В отличие от жидкостей, перескакивания молекул в твердых телах происходят очень редко — каждая молекула сохраняет положение равновесия достаточно долго, а ее движение сводится к колебаниям около этого положения. Поэтому твердые тела сохраняют и объем, и форму; как и жидкость, их очень трудно сжать.

Молекулы некоторых твердых тел в целом расположены беспорядочно. Такое состояние вещества называют аморфным. Вещества в аморфном состоянии напоминают очень вязкие жидкости. Так, если положить в сосуд кусочки смолы (аморфное вещество), со временем смола сольется и примет форму сосуда.

В отличие от кристаллических, аморфные вещества не имеют определенной температуры плавления, а переходят в жидкое состояние постепенно размягчаясь. Аморфное состояние веществ неустойчиво — постепенно происходит кристаллизация. Так, стекло имеет аморфную структуру, но со временем в нем образуются помутнения — кристаллики кварца. Сахар — это молекулярный кристалл. Если его расплавить и охладить, получим леденец — аморфное состояние сахара. Но через некоторое время в леденце начнут расти кристаллики сахара. Именно по этой причине засахаривается варенье.

Подводим итоги

Молекулы, атомы, ионы находятся в непрерывном хаотическом движении. Именно движением частиц вещества можно объяснить такие явления, как броуновское движение (видимое в микроскоп хаотическое перемещение малых макрочастиц, взвешенных в жидкости или газе) и диффузия (взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга).

Частицы вещества взаимодействуют друг с другом. Основная причина межмолекулярного взаимодействия — электрическое притяжение и отталкивание заряженных частиц, образующих атом. На расстояниях, которые больше размеров молекул, молекулы притягиваются друг к другу; на расстояниях, которые незначительно меньше размера молекул, — отталкиваются.

Вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном фазовых (агрегатных) состояниях в зависимости от того, как расположены, как двигаются и как взаимодействуют его частицы.

Контрольные вопросы

1. В чем причина броуновского движения? 2. Что такое диффузия? Приведите примеры проявлений и применения диффузии в технике, природе, жизни человека. 3. Верно ли утверждение, что скорости движения молекул данного газа при неизменной температуре одинаковы? 4. В чем причина межмолекулярного взаимодействия? 5. При каких условиях между молекулами проявляются силы межмолекулярного притяжения? отталкивания? 6. Назовите и объясните физические свойства веществ в разных фазовых состояниях. 7. В чем отличия аморфного и кристаллического состояний вещества?

Упражнение № 27

1. Почему углекислый газ, который мы выдыхаем, не остается около нас, а рассеивается в пространстве?

2. Каким физическим явлением объясняется процесс засолки огурцов? Как происходит этот процесс? В каком помещении — теплом или холодном — огурцы засаливаются быстрее?

3. Установлено, что сквозь стенки капилляров в организме человека перемещается 60 л жидкости в минуту. Благодаря какому физическом явлению это происходит?

Есть два способа подкормки растений: полив специальными растворами (прикорневые подкормки); опрыскивание (внекорневые подкормки). Объясните оба способа.

Если положить друг на друга два оконных стекла, их поверхности слипнутся (поэтому при хранении между стеклами кладут бумагу). Если прижать друг к другу две деревянные линейки, они не слипнутся. Почему?

6. Будет ли гореть свеча в космическом корабле? Если будет, то как долго? Обоснуйте свой ответ.

7. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какое значение имеют процессы диффузии (в частности, осмоса) в кулинарии. Почему технология приготовления пищи требует понимания механизма этих процессов?

Экспериментальное задание

Продумайте и проведите опыты по наблюдению диффузии и осмоса в домашних условиях. Выясните, от каких факторов зависит скорость диффузии.

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий

 





^