Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

2-й семестр

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА

1. Властивості газів, рідин, твердих тіл

– Основні положення МКТ

– Кількість речовини

– Газові закони

– Рівняння стану ідеального газу

– Насичена пара. Вологість повітря

– Поверхневий натяг. Змочування

– Будова та властивості твердих тіл

– Кристалічні та аморфні тіла

Тематичне планування

Урок 1/72

Тема. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Мета уроку: ознайомити учнів з основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії та їх підтвердженнями на основі дослідів

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та її підтвердження на основі дослідів

Речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому і газоподібному. Молекулярна фізика – розділ фізики, у якому вивчаються фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах на основі їх молекулярної будови.

Молекулярно-кінетична теорія зародилася в ХІХ-му столітті з метою пояснити будову і властивості речовини на основі уявлень про те, що речовина складається з найдрібніших частинок – молекул, які безперервно рухаються й взаємодіють одна з одною. Особливих успіхів ця теорія досягла під час пояснення властивостей газів.

O Молекулярно-кінетичною теорією називають вчення про будову і властивості речовини на основі уявлень про існування атомів і молекул як найменших частинок хімічних речовин.

В основі МКТ лежать три основні положення:

1) всі речовини утворені з найдрібніших частинок – молекул, які самі складаються з атомів. Молекули й атоми являють собою електрично нейтральні частинки. За певних умов молекули й атоми можуть набувати додаткового електричного заряду та перетворюватися на позитивні або негативні іони;

2) атоми й молекули перебувають у безперервному хаотичному русі;

3) частинки взаємодіють одна з одною силами, що мають електричну природу.

Найяскравішим експериментальним підтвердженням уявлень про молекулярно-кінетичну теорію (безладний рух атомів і молекул) є броунівський рух. Це тепловий рух найдрібніших мікроскопічних частинок, зважених у рідині або газі. Воно було відкрите англійським ботаніком Р. Броуном у 1827 р. Броунівські частинки рухаються під впливом безладних ударів молекул. Через хаотичний тепловий рух молекул ці удари ніколи не врівноважують одна одну. У результаті швидкість броунівської частинки безладно змінюється за модулем і напрямом, а її траєкторія утворює складну зигзагоподібну криву.

Теорія броунівського руху була створена А. Ейнштейном у 1905 р. Експериментально теорія Ейнштейна була підтверджена в дослідах французького фізика Ж. Перрена, проведених у 1908-1911 pp. Постійний хаотичний рух молекул речовини проявляється також в іншому явищі, яке легко спостерігати,- дифузії. Дифузією називається явище проникнення двох або кількох дотичних речовин одна в одну. Найшвидше процес протікає в газі, якщо він неоднорідний за складом. Дифузія призводить до утворення однорідної суміші, незалежно від густини компонентів. Дифузія й броунівський рух – споріднені явища. Взаємопроникнення дотичних речовин одна в одну й безладний рух найдрібніших частинок, зважених у рідині або газі, відбуваються внаслідок хаотичного теплового руху молекул. Переконатися в існуванні молекул і оцінити їх розмір можна досить просто. Помістимо маленьку крапельку олії на поверхню води. Масляна пляма буде розтікатися по поверхні води, але площа масляної плівки не може перевищувати певного значення. Можна припустити, що максимальна площа плівки відповідає масляному шару товщиною в одну молекулу. Наприклад, крапелька оливкової олії об’ємом 1 мм3 розтікається площею не більшою 1 м2. Звідси випливає, що розмір молекули олії порядку 10-9 м. Багато дослідів свідчать про наявність сил міжмолекулярної взаємодії. Сили, що діють між двома молекулами, залежать від відстані між ними. Молекули є складними просторовими структурами, що містять як позитивні, так і негативні заряди. Якщо відстань між молекулами досить велика, то переважають сили міжмолекулярного притягнення. На малих відстанях переважають сили відштовхування. Залежності результуючої сили F і потенційної енергії взаємодії між молекулами від відстані між їх центрами якісно зображені на рисунку.

На певній відстані r = r0 сила взаємодії зводиться до нуля. Цю відстань умовно можна прийняти за діаметр молекули.

2. Основне завдання МКТ

Параметри газу, пов’язані з індивідуальними характеристиками складових його молекул, називаються мікроскопічними параметрами (маси молекул, їх швидкості, концентрація). Параметри, які характеризують стан макроскопічних тіл без урахування їх молекулярної будови, називаються макроскопічними параметрами (об’єм, тиск, температура).

O Співвідношення між макроскопічними параметрами – об’ємом і тиском – називається рівнянням стану.

Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії: встановити зв’язок між макроскопічними і мікроскопічними параметрами речовини й, виходячи з цього, знайти рівняння стану даної речовини. Наприклад, знаючи масу молекул, їх середні швидкості й концентрацію, можна знайти об’єм, тиск і температуру даної маси газу, а також визначити тиск газу, якщо відомі його об’єм і температура.

3. Маса та розміри молекул

Маси окремих молекул і атомів дуже малі. Наприклад, в 1 г води міститься 3,7-1022 молекул. Отже, маса однієї молекули води (Н2O) дорівнює:

Маси такого ж порядку мають молекули інших речовин (крім величезних молекул органічних речовин). Наприклад, білки мають маси, у сотні тисяч разів більші за маси окремих атомів. Але все одно їх маси в макроскопічних масштабах (грамах і кілограмах) надзвичайно малі.

Приблизну оцінку розмірів молекул можна отримати з дослідів, проведених німецьким фізиком В. Рентгеном і англійським фізиком Д. Релея. Якщо крапнути на поверхню води крапельку олії, то крапля розпливеться, утворюючи тонку плівку товщиною всього лише в одну молекулу. Товщину цього шару неважко визначити й тим самим оцінити розміри молекули олії. Об’єм V (0,001 см3) шару олії дорівнює добутку площі його поверхні S (6000 см2) на товщину шару d, тобто V = Sd. Отже, розмір молекули олії дорівнює:

На даний момент існує ряд методів, що дозволяють визначити розміри молекул і атомів. Наприклад, лінійні розміри молекул кисню складають 3-10-10 м, води – приблизно 2,6-10-10 м. Таким чином, характерною довжиною в світі молекул є розмір 10-10 м. Корисно не тільки запам’ятати цей параметр (10-10 м), а й образно уявити його собі. Це допоможе нам увійти в світ молекул. Легко перевірити: якщо молекулу води збільшити до розмірів яблука, то саме яблуко стане розміром з земну кулю.

Питання до учнів під час викладення нового матеріалу

1. У чому полягає суть броунівського руху?

2. У чому полягає явище дифузії?

3. Перелічіть відомі вам докази існування молекул.

4. Наведіть приклади фактів, які показують подільність речовин.

5. Які досліди доводять, що між молекулами твердих і рідких тіл діють сили тяжіння і відштовхування?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕННЯ МАТЕРІАЛУ

1. Тренуємося розв’язувати задачі

1) Як ви вважаєте, чи можна б було спостерігати броунівський рух, якби молекули прилипали під час зіткнення до броунівської частинки?

2) Чому ваше тіло не здійснює броунівського руху?

3) Дві скляні пластинки важко відірвати одна від одної, якщо між ними є трохи води. Якщо ж скло пластинок сухе, то вони відділяються одна від одної легко. Чому?

4) Чому броунівський рух ніколи не завершується?

5) Чому водень та гелій можуть випаровуватися навіть з герметично закритих ємностей.

2. Контрольні запитання

1) Поясніть вираз: “Молекула – найдрібніша частинка речовини, яка зберігає його хімічні властивості”.

2) Чи є хаотичний рух пилинок у повітрі броунівським рухом?

3) Молекули твердих тіл рухаються постійно й хаотично. Чому ж тверді тіла не розпадаються?

Що ми дізнались на уроці

– Молекулярно-кінетичною теорією називають учення про побудову і властивості речовини на основі уявлень про існування атомів і молекул як найменших частинок хімічних речовин.

– Дифузією називається явище проникнення двох або декількох речовин, що дотикаються одна до одної.

– Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл в цілому, називають макроскопічними параметрами.

– Величини, що характеризують властивості окремих молекул речовин, називають мікроскопічними параметрами.

– Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії: встановити зв’язок між макроскопічними і мікроскопічними параметрами речовини і, виходячи з цього, знайти рівняння стану даної речовини.

Домашнє завдання

1. Конспект.

2. Розв’яжіть задачі:

Р1): 1. На якому фізичному явищі заснований процес засолювання овочів, риби, м’яса? консервування фруктів і овочів?

2. У якому випадку процес відбувається швидше – якщо розсіл холодний чи гарячий?

3. Чому солодкий сироп набуває з часом смаку фруктів?

Р2): 1. Якщо не працює вентиляція, найдрібніший пил деревини в столярному цеху годинами “висить” у повітрі навіть після вимкнення деревообробних верстатів. Чому?

2. Запах березового віника в спекотній лазні поширюється швидше, ніж у прохолодній кімнаті. Чому?

3. Під час ремонту дороги запах розігрітого асфальту відчувається здалеку, а запах охололого асфальту майже не відчувається. Чому?

Р3): 1. Близько 99-55 pp. до н. е. Тіт Лукрецій Кар писав:

“Дабы ты лучше постиг, что тела основные мятутся

В вечном движеньи всегда, припомни, что дна никакого

Нет у Вселенной нигде, и телам изначальным остаться

Негде на месте, раз нет ни конца, ни пределу пространству,

Если безмерно оно и простерто во всех направленьях,

Как я подробно уже доказал на основеразумной”.

Спробуйте пояснити цей вірш через призму МКТ.

2. Чому дим від вогнища, піднімаючись угору, стає невидимим навіть у безвітряну погоду?

3. Чому полірування поверхонь, що труться, може призвести не до зменшення тертя, а, навпаки, до збільшення?