На страницах нашего онлайн портала alivahotel.ru мы расскажем много самого интересного и познавательного, полезного и увлекательного для наших постоянных читателей.
Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.
Траектория броуновской частицы
Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Робертом Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис. 3.1.1). Теория броуновского движения была создана А.Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Жана Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.
Главный вывод теории А. Эйнштейна состоит в том, что квадрат смещения 2 > броуновской частицы от начального положения, усредненный по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения t.
Это соотношение выражает так называемый диффузионный закон. Как следует из теории коэффициент пропорциональности D монотонно возрастает с увеличением температуры.
Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O2 и водород H2, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друг в друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа. Этот процесс идет и в том случае, когда легкий газ (водород) находится в верхней половине сосуда, а более тяжелый (вислород) – в нижней.
Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях.
В реальных условиях диффузия в жидкостях и газах маскируется более быстрыми процессами перемешивания, например, из-за возникновения конвекционных потоков.
Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла.
Диффузия и броуновское движение – родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.
Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания. Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии Eр взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рис. 3.1.2. При некотором расстоянии r = r0 сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = r0 минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r0, нужно сообщить им дополнительную энергию E0. Величина E0 называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи.
Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия Eр двух молекул. F > 0 – сила отталкивания, F –10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.
Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы E0. В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно r0. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше E0, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.
В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).
В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел.
В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10 –8 м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе.
В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).
Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода12C. Молекула углерода состоит из одного атома.
Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной АвогадроNА:
Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.
Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро NА:
Массу одного моля вещества принято называть молярной массойM. Молярная масса равна произведению массы m0 одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро:
Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.
За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):
1 а. е. м. = 1,66·10 –27 кг.
Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12 C называется относительной массой.
Молекулярно-кинетическая теория – это учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлении о существовании атомов и молекул, как наименьших частиц химических веществ.
Основные положения молекулярно кинетической теории строения вещества
Основные положения молекулярно-кинетической теории молекулы:
Основные положения мкт и их примеры были перечислены выше. Между частицами имеется малое гравитационное воздействие.
Броуновское движение молекул и атомов подтверждает существование основных положений молекулярно кинетической теории и опытно обосновывает его. Данное тепловое движение частиц происходит с взвешенными в жидкости или газе молекулами.
Опытное обоснование основных положений молекулярно кинетической теории
Выражение r 2 > = D t объясняет диффузионный закон. По теории имеем, что D монотонно возрастает с увеличением температуры. Беспорядочное движение проглядывается при наличии диффузии.
Диффузия – это определение явления проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга.
Данный процесс происходит быстро в неоднородном газе. Благодаря примерам диффузии с разными плотностями можно получить однородную смесь. При нахождении в одном сосуде кислорода O 2 и водорода H 2 с перегородкой то при ее удалении газы начинают смешиваться, образую опасную смесь. Процесс возможен при нахождении вверху водорода, а внизу кислорода.
Процессы взаимопроникновения также протекают в жидкостях, но намного медленней. Если растворить твердое тело, сахар, в воде, то получим однородный раствор, который является наглядным примером диффузионных процессов в жидкостях. При реальных условиях смешивание в жидкостях и в газах замаскировано быстрыми процессами перемешивания, к примеру, при возникновении конвекционных потоков.
Диффузия твердых тел отличается своей замедленной скоростью. Если поверхность взаимодействия металлов очистить, то можно увидеть, что с течением большого периода времени в каждом из них появятся атомы другого металла.
Диффузия и броуновское движение считаются родственными явлениями.
При взаимопроникновении частиц обоих веществ движение беспорядочно, то есть, наблюдается хаотичное тепловое перемещение молекул.
Броуновское движение
Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы имеют в своем составе положительные и отрицательные заряды. При больших расстояниях преобладают силы межмолекулярного притяжения, при небольших – силы отталкивания.
Беспорядочное хаотичное движение молекул называют тепловым движением.
В твердых телах молекулы двигаются беспорядочно около фиксированных центров, то есть, положений равновесий. В пространстве может быть распределены нерегулярным образом (у аморфных тел) или с образованием упорядоченных объемных структур (кристаллических тел).
Агрегатные состояния веществ
Свобода теплового движения молекул просматривается в жидкостях, так как у них нет привязки к центрам, что позволяет производить перемещения по всему объему. Этим объясняется ее текучесть.
Если молекулы располагаются близко, то могут образовывать упорядоченные структуры с несколькими молекулами. Данное явление получило название ближнего порядка. Дальний порядок характерен для кристаллических тел.
Расстояние в газах между молекулами намного больше, поэтому действующие силы малы, а их движения идут вдоль прямой, ожидая очередного соударения. Значение 10 – 8 м является средним расстоянием между молекулами воздуха в нормальных условиях. Так как взаимодействие сил слабое, газы расширяются и могут заполнять любой объем сосуда. Когда их взаимодействие стремится к нулю, то говорят о представлении идеального газа.
Кинетическая модель идеального газа
В мкт количество вещества считается пропорциональным числу частиц.
Данная величина совпадает с массой протона и нейтрона.
Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1 12 массы атома углерода называют относительной массой.
На этом уроке мы узнали, что раздел физики, изучающий тепловые явления, называется молекулярной физикой.
В основе молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества лежат утверждения:
I. Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки.
II. Частицы движутся хаотично и непрерывно.
III. Частицы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.
Опытные подтверждения I положения МКТ: закон кратности отношений; дробление вещества; испарение жидкостей; расширение веществ при нагревании; диффузия; деформация.
Опытные подтверждения II положения МКТ: диффузия; броуновское движение; стремление газа занять любой объём.
Опытные подтверждения III положения МКТ: деформация; смачивание; поверхностное натяжение жидкости; сохранение формы твёрдого тела.
б) скорость движения молекул: сотни метров в секунду;
Моль – количество вещества, содержащее столько же молекул (атомов), сколько их содержится в углероде массой 0,012 кг.
Решение задачи «Оценка размеров молекул»
Интересные факты о броуновском движении
В 1905 году Альберт Эйнштейн впервые осознал, что броуновское движение служит наилучшим экспериментальным подтверждением правоты атомной теории строения вещества. Его объяснения: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды. В среднем, молекулы воздействуют на неё со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была спора, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей её с одной стороны, затем — со стороны другой и т.д. В результате усреднения таких соударений получается, что в какой-то момент частица «дёргается» в одну сторону, затем, если с другой стороны её «толкнуло» больше молекул — в другую и т. д. Используя законы математической статистики и МКТ газов, Эйнштейн вывел уравнение зависимости среднеквадратичного смещения броуновской частицы от макроскопических показателей.
Образовательная : на основе МКТ объяснить особенности строения тел в различных состояниях
Развивающая : расширить кругозор учащихся по данному вопросу, показать непрерывную связь изучаемого материала с химией, математикой, металловедением и т.д.
Воспитательная : способствовать развитию интереса к предмету, выработать внимание, трудолюбие, стремление к познанию окружающего мира.
Материалы : колбы различной формы с водой, спиртовка, лед, природные минералы, модели кристаллических решеток.
Оборудование : компьютер с проектором, интерактивная доска
Учитель: Здравствуйте, сегодня у нас урок по теме «Основные положения МКТ и их подтверждения». Я надеюсь, что на этом уроке мы углубим наши знания о веществе, о его различных состояниях, объясним эти различия с научной точки зрения. Вы сможете выявить связь между физикой, химией, математикой, металловедением и другими предметами, обогатить свою память новыми фактами, посмотреть на многие природные явления с различных точек зрения и в конечном итоге подняться в своем развитии на ступеньку выше.
Объяснение нового материала.
Агрегатное строение вещества. Демонстрируем вещество в 3 состояниях: кусок льда, воду в стакане, пар над кипящей водой. Учитель: перед вами 3 вещества – пар, вода, лед. Пар (он же газ), вода и лед – примеры газообразных, жидких и твердых тел. Они же главные стихии, с которыми извечно связан человек. Что Вы можете сказать о каждом из них?
Учащиеся: это различные агрегатные состояния одного и того же вещества.
Учитель: какого вещества? Какой формулой в химии обозначается вода? Правильно, Н 2 О.
Вода – самое удивительное и самое распространенное природное соединение, источник жизни на Земле и условие ее существования, в том числе залог здоровья и активной деятельности человека. Многие хорошо знакомые свойства воды исключительны. Вода занимает особое положение среди всех других веществ на земле. Чем глубже ученые постигали природу воды, те больше убеждались в необычности ее свойств, в особенности ее структуры. Демонстрируется на экране молекула воды.
Зададимся вопросом, почему в одном случае вещество газообразное, в другом жидкое, а в третьем твердое?
Молекулярное строение жидких, газообразных и твердых тел.
На экране просматриваем видеоролик «Строение вещества»
Сформулируем основные положения МКТ, которые были впервые сформулированы великим русским ученым М.В. Ломоносовым.
1. Все вещества состоят из частиц.
2. Эти частицы беспорядочно движутся (броуновское движение).
3. Эти частицы взаимодействуют друг с другом.
На экране просматривается ролик «броуновское движение».
Рассмотрим на экране механизм взаимодействия молекул.
Молекулярные силы бывают двух видов: притяжения и отталкивания. Это объясняется двумя видами электрических зарядов, которые присутствуют в нейтральных молекулах. Сталкиваясь молекулы, отскакивают друг от друга в разные стороны, подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения не способны удержать молекулы друг возле друга.
Определение: явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества называется диффузией. Диффузия происходит в твердых, жидких и газообразных веществах.
Демонстрируем видеоролики в твердых, жидких и газообразных веществах.
Размер и масса молекул.
На экране дается определение масс молекул:
где N – число молекул в данном веществе,
v – Количество вещества.
Столько атомов или молекул содержится в одном моле вещества 1 – моль количество вещества, содержащего столько молекул, сколько содержится атомов в 12 г. углерода
Молярная масса M – величина равная отношению массы вещества m к количеству вещества v.
Определение размеров молекул твердых и жидких тел учащиеся записывают самостоятельно из учебника § 21.
Для проверки усвоения нового материала некоторым ученикам можно раздать карточки.
В это время остальные ученики прослушивают сообщения, подготовленные заранее 3 учениками:
Прослушав сообщения ребят и ответы на карточки, продолжаем просмотр на экране примеров твердых кристаллических и аморфных тел и коллекции природных минералов и их применение.
Учащимся задается вопрос – чем отличается строение кристаллов и аморфных тел?
Для закрепления нового материала к доске вызывается ученик для решения задачи № 80.
Подведение итогов систематизирующей деятельности.
Итак, давайте с вами подведём сегодняшний итог нашему уроку: вы лучше запомнили изучаемый материал, расширили свой кругозор, узнали много интересного и занимательного из разных областей науки (химии, геологии, истории). А главное, применяя МКТ, выяснили, почему тела находятся в разных агрегатных состояниях и подтвердили основные положения МКТ. А сейчас возьмите, пожалуйста, свои анкеты. Мне хотелось бы, что бы вы оценили, насколько он был успешен.
