Основные положения МКТ
Основные положения молекулярно-кинетической теории молекулы:
- Все вещества могут быть в жидком, твердом и газообразном состоянии. Они образуются из частиц, которые состоят из атомов. Элементарные молекулы могут иметь сложное строение, то есть иметь в своем составе несколько атомов. Молекулы и атомы – электрически нейтральные частицы, которые в определенных условиях приобретают дополнительный электрический заряд и переходят в положительные или отрицательные ионы.
- Атомы и молекулы движутся непрерывно.
- Частицы с электрической природой силы взаимодействуют друг с другом.
Основные положения мкт и их примеры были перечислены выше. Между частицами имеется малое гравитационное воздействие.
Рисунок 3 . 1 . 1 . Траектория Броуновской частицы.
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.
Модель идеального газа
В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.
Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).
В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Основные положения молекулярно-кинетической теории»
Изучая физику и химию в младших классах, вы узнали о том, что все вещества имеют дискретное строение, то есть они состоят из очень-очень маленьких частичек — атомов, молекул и ионов. Атомы и молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют разнообразные вещества. И если число частиц не велико (до нескольких десятков или сотен), то говорят о микросистеме. Однако мы с вами живём в макромире, состоящем из макроскопических тел (так принято называть тела, состоящие из огромного числа частиц). Краб и песчинка, море и маяк, Луна и человек — всё это примеры макроскопических тел.
В механике мы с вами изучали движения макроскопических тел под действием приложенных сил. Но происхождение этих сил не выясняли. Например, мы знаем, что при сжатии или растяжении тела в нём появляются силы упругости. Но почему они возникли? А почему возникают силы трения и силы сопротивления среды? Наконец, механика просто не в состоянии объяснить, почему существуют агрегатные состояния вещества. Ответы на эти и другие вопросы даёт нам молекулярно-кинетическая теория строения вещества (сокращённо МКТ), основы которой заложил Даниил Бернулли в 1738 году. А началом её становления послужила корпускулярно-кинетическая теория тепла, выдвинутая в середине XVIII века Михаилом Васильевичем Ломоносовым.
В основе современной молекулярно-кинетической теории лежат три важных и самых главных положения. Во-первых, все, абсолютно все вещества́ состоят из мельчайших частиц, разделённых между собой промежутками.
Этими частицами являются молекулы, атомы и ионы. Молекулой называется мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические, но не сохраняющая физические свойства.
Молекулы состоят из ещё более мелких частиц — атомов. Атом — это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства.
В свою очередь, и атомы представляют собой достаточно сложные образования. Но в классической молекулярно-кинетической теории мы их будем считать твёрдыми неделимыми частичками сферической формы.
Второе положение МКТ говорит нам о том, что все частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
А в третьем утверждается, что частицы в веществе связаны друг с другом силами молекулярного взаимодействия, которые в зависимости от расстояния являются силами притяжения или отталкивания.
Первое положение МКТ косвенно подтверждается явлениями сжимаемости и растворимости веществ. А также законом сохранения массы, сформулированным выдающимся русским учёным Михаилом Васильевичем Ломоносовым в 1755 году, законом простых объёмных отношений реагирующих газов, который в 1808 году открыл француз Жозеф-Луи Гей-Люссак, и законом кратных отношений, сформулированным в 1803 году английским учителем-самоучкой Джоном Дальтоном. Кстати, последний закон можно объяснить только на основе представлений о дискретном строении вещества.
Но самое главное доказательство существования мельчайших частиц и, в частности, атомов, было получено после изобретения в 1981 году сканирующего туннельного микроскопа. С его помощью были получены первые фотографии атомов вещества.
Принцип работы такого микроскопа достаточно простой. Очень острая игла (на её кончике буквально один атом) подводится к образцу на расстояние порядка 0,1 нм. При подаче на иглу относительно образца очень малого напряжения возникает туннельный ток (о нём мы с вами будем говорить позднее), величина которого зависит от расстояния образец — игла. Игла может, например, двигаться на фиксированной высоте над образцом. Прибор фиксирует изменение величины туннельного тока, и таким образом идёт построение топографии поверхности.
Второе и третье положения МКТ можно подтвердить таким явлением, как диффузия. Напомним, что диффузией называется самопроизвольное взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ.
Диффузия проявляется во всех телах. Например, в жидкостях её можно пронаблюдать на таком опыте. Аккуратно нальём в стакан с раствором медного купороса слой воды и оставим его в комнате с постоянной температурой. Через некоторое время мы заметим, как исчезнет резкая граница между слоями этих двух жидкостей. А через несколько дней они полностью перемешаются.
Как вы понимаете, массы различных атомов и молекул очень и очень малы. Следовательно, определить массу одной молекулы или атома путём обычного взвешивания просто невозможно. Поэтому при расчётах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путём сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы. По международному соглашению за одну атомную массу принимается 1/12 массы атома чистого изотопа углерода 12 С:
1 а. е. м. = 1,66 ∙ 10 –27 кг.
В этом случае масса атома любого химического элемента выражается числом, очень близким к целому. Это число называется относительной молекулярной (или атомной) массой вещества. Оно равно отношению массы атома (или молекулы) данного вещества к атомной единице массы:
Относительные атомные массы всех химических элементов представлены в таблице Менделеева рядом с номером элемента.
Таким образом, зная химическую формулу вещества, можно приближённо посчитать его относительную молекулярную массу. Например, давайте с вами определим массу одной молекулы серной кислоты, химическая формула которой Н2SО4.
Для характеристики количества вещества в любом макроскопическом теле можно было бы использовать число молекул или атомов в нём. Но это число просто огромно. Например, в теле человека содержится
7 ∙ 10 27 атомов различных химических элементов. Поэтому в расчётах используется не абсолютное их число, а относительное. В СИ единицей количества вещества является моль.
Один моль — это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой двенадцать грамм.
Давайте с вами посчитаем, сколько же частиц содержится в одном моле чистого изотопа 12 С. Для этого разделим массу углерода, взятого в количестве одного моля, на массу одного атома углерода, выраженную в килограммах:
Именно столько частиц содержится в одном моле любого вещества. А полученное нами значение называется числом (или постоянной) Авога́дро, названной так в честь итальянского химика Амедео Авогадро, который первым предположил, что при одинаковых температуре и давлении в равных объёмах идеальных газов содержится одинаковое число молекул.
Зная значение постоянной Авогадро, можно определить количество вещества (то есть число молей в данной порции вещества) как отношение числа молекул в веществе к числу Авогадро:
Тело, обладающее количеством вещества в один моль, имеет привычные для нас макроскопические размеры и массу.
Наряду с относительной молекулярной массой в физике и химии широко используется понятие молярной массы. Так принято называть массу вещества, взятого в количестве одного моля:
В записанном уравнении т — это масса одной молекулы. Из формулы следует, что единицей измерения молярной массы в СИ является кг/моль.
Молярная и относительная молекулярная масса связаны между собой простым соотношением. Чтобы его найти, давайте сначала выразим из формулы относительной молекулярной массы массу одной молекулы вещества.
А затем подставим это выражение и выражение для числа Авогадро в формулу для молярной массы:
Очевидно, что если мы будем знать массу одной молекулы какого-либо вещества и число молекул в теле, то масса этого тела будет равна произведению массы одной молекулы на число молекул в теле:
Теперь давайте выразим из этой формулы число молекул:
А из определения молярной массы — число Авогадро:
И подставим эти выражения в формулу для количества вещества.
После небольших преобразований получим, что количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе. Именно такое определение количества вещества известно вам из курса химии.
И нам осталось оценить размеры молекул. Для этого воспользуемся самым простым, хотя и не самым точным методом и определим диаметр молекулы воды, если плотность воды равна 1000 кг/м 3 .
Газовые законы
Решение задач на расчет параметров газа значительно упрощается, если Вы знаете, какой закон и какую формулу применить. Итак, рассмотрим основные газовые законы.
- Закон Авогадро. В одном моле любого вещества содержится одинаковое количество структурных элементов, равное числу Авогадро.
- Закон Дальтона. Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений газов, входящих в эту смесь:
Парциальным давлением газа называют то давление, которое он бы производил, если бы все остальные газ внезапно исчезли из смеси. Например, давление воздуха равно сумме парциальных давлений азота, кислорода, углекислого газа и прочих примесей. При этом каждый из газов в смеси занимает весь предоставленный ему объем, то есть объем каждого из газов равен объему смеси.
- Закон Бойля-Мариотта. Если масса и температура газа остаются постоянными, то произведение давления газа на его объем не изменяется, следовательно:
Процесс, происходящий при постоянной температуре, называют изотермическим. Обратите внимание, что такая простая форма закона Бойля-Мариотта выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной.
- Закон Гей-Люссака. Сам закон Гей-Люссака не представляет особой ценности при подготовке к экзаменам, поэтому приведем лишь следствие из него. Если масса и давление газа остаются постоянными, то отношение объема газа к его абсолютной температуре не изменяется, следовательно:
Процесс, происходящий при постоянном давлении, называют изобарическим или изобарным. Обратите внимание, что такая простая форма закона Гей-Люссака выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной. Не забывайте про перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины.
- Закон Шарля. Как и закон Гей-Люссака, закон Шарля в точной формулировке для нас не важен, поэтому приведем лишь следствие из него. Если масса и объем газа остаются постоянными, то отношение давления газа к его абсолютной температуре не изменяется, следовательно:
Процесс, происходящий при постоянном объеме, называют изохорическим или изохорным. Обратите внимание, что такая простая форма закона Шарля выполняется только при условии, что масса газа остается неизменной. Не забывайте про перевод температуры из градусов Цельсия в кельвины.
- Универсальный газовый закон (Клапейрона). При постоянной массе газа отношение произведения его давления и объема к температуре не изменяется, следовательно:
Обратите внимание, что масса должна оставаться неизменной, и не забывайте про кельвины.
