Основні поняття молекулярно-кінетичної теорії. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Речовина складається з частинок.

Молекула- це найменша частка речовини, яка володіє його основними хімічними властивостями.

Молекула складається із атомів. атом- Найменша частка речовини, яка не ділиться при хімічних реакціях.

Багато молекул складаються з двох або більше атомів, що утримуються разом хімічними зв'язками. Деякі молекули складаються із сотень тисяч атомів.

Друге становище молекулярно-кінетичної теорії

Молекули перебувають у безперервному хаотичному русі. Цей рух не залежить від зовнішніх впливів. Рух відбувається у непередбачуваному напрямі через зіткнення молекул. Доказом є броунівський рух частинок (відкрито Р.Броуном 1827). Частинки поміщають у рідину або газ і спостерігають їх непередбачуваний рух через зіткнення з молекулами речовини.

Броунівський рух

Доказом хаотичного руху є дифузія- проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини. Наприклад, запах освіжувача повітря ми відчуваємо не тільки в тому місці, де його розпорошили, але поступово перемішується з молекулами повітря у всій кімнаті.

Агрегатний стан речовини

У газахсередня відстань між молекулами у сотні разів перевищує їх розміри. В основному молекули рухаються поступально та рівномірно. Після зіткнень починають обертатися.

У рідинахвідстань між молекулами значно менша. Молекули здійснюють коливальний та поступальний рух. Молекули через малі проміжки часу стрибкоподібно переходять у нові положення рівноваги (ми спостерігаємо плинність рідини).

У твердихтілах молекули коливаються і дуже рідко переміщуються (тільки зі збільшенням температури).

Третє становище молекулярно-кінетичної теорії

Між молекулами існують сили взаємодії, які мають електромагнітну природу. Ці сили дозволяють пояснити виникнення сил пружності. Коли речовину стискають, молекули зближуються, між ними виникає сила відштовхування, коли зовнішні силивіддаляють молекули одна від одної (розтягують речовину), між ними виникає сила тяжіння.

Щільність речовини

Це скалярна величина, яка визначається за формулою

Щільність речовин - відомі табличні значення

Хімічні характеристики речовини

Постійна Авогадро N A- Число атомів, що містяться в 12г ізотопу вуглецю

Основні положення МКТ:

1. Усі речовини складаються з найдрібніших частинок: молекул, атомів чи іонів.

2. Ці частинки перебувають у безперервному хаотичному русі, швидкість якого визначає температуру речовини.

3. Між частинками існують сили тяжіння та відштовхування, характер яких залежить від відстані між ними.

Ідеальний газ - це газ, взаємодія між молекулами якого дуже мало.

Основні відмінності ідеального газувід реального: частинки ідеального газу – кульки дуже малих розмірів, практично матеріальні точки; між частинками відсутні сили міжмолекулярної взаємодії; зіткнення частинок абсолютно пружні. Реальний газ – газ, який не описується рівнянням стану ідеального газу Клапейрона – Менделєєва. Залежно між його параметрами показують, що молекули в реальному газі взаємодіють між собою і займають певний обсяг. Стан реального газу часто практично описується узагальненим рівнянням Менделєєва - Клапейрона.

2 Параметри та функції стану. Зрівняння стану ідеального газу.

Параметри:

Тиск обумовлений взаємодією молекул робочого тіла з поверхнею і чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні тіла по нормалі до останньої.

Температурою називається фізична величина, що характеризує ступінь нагрітості тіла. З точки зору молекулярно-кінетичних уявлень температура є мірою інтенсивності теплового рухумолекул.

Питомий обсяг v – це обсяг одиниці маси речовини. Якщо однорідне тіло масою М займає об'єм v, то за визначенням v= V/М. У системі СІ одиниця питомого обсягу 1 м3/кг. Між питомим обсягом речовини та її щільність існує очевидне співвідношення:

Якщо всі термодинамічні параметри постійні в часі і однакові у всіх точках системи, такий стан системи називається рівноважним.

Для рівноважної термодинамічної системи існує функціональний зв'язок між параметрами стану, який називається рівнянням стану

рівняння Клапейрона - Менделєєва

3 Суміші газів. Здається молекулярна маса. Постійна газова суміші газів.

Суміш газів – механічне з'єднання не вступають один з одним хімічну реакціюгазів. Основним законом, визначальним поведінка газової суміші, є закон Дальтона: повний тиск суміші ідеальних газів дорівнює сумі парціальних тисків всіх компонентів, що входять до неї: Парціальний тиск pi - тиск, який мав би газ, якби він один при тій же температурі займав весь об'єм суміші . Газову постійну суміші визначають як: - здається (середня) молекулярна маса суміші. При об'ємному складі, при масовому складі: - універсальна газова постійна.

4 Перший закон термодинаміки.

Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії, записаний за допомогою термодинамічних понять (аналітичне формулювання: вічний двигун 1 роду неможливий):

Енергія. Під внутрішньою енергією в термодинаміці розуміють кінетичну енергію руху молекул, потенційну енергію їхньої взаємодії та нульова (енергія руху частинок усередині молекули при T=0K). Кінетична енергія молекул є функцією температури, значення потенційної енергії залежить від середньої відстані між молекулами і, отже, від об'єму V, що займається газом, тобто є функцією V. Тому внутрішня енергія U є функція стану тіла.

Теплота. Енергія, що віддається від одного тіла до іншого за рахунок різниці температур, називається теплотою. Теплота може передаватися або за безпосереднього контакту між тілами (теплопровідністю, конвекцією), або на відстані (випромінюванням), причому у всіх випадках цей процес можливий лише за наявності різниці температур між тілами.

Робота. Енергія, що передається від одного тіла до іншого при зміні обсягу цих тіл або переміщення у просторі, називається роботою. При кінцевій змініобсягу робота проти сил зовнішнього тиску, звана роботою розширення, дорівнює Робота зміни обсягу еквівалентна площі під кривою процесу в діаграмі р, v.

Внутрішня енергія – це властивість самої системи, вона характеризує стан системи. Теплота та робота - це енергетичні характеристики процесів механічної та теплової взаємодій системи з довкіллям. Вони характеризують ті кількості енергії, які передані системі або віддані нею через її межі у певному процесі.

Цей відеоурок присвячений темі «Основні положення МКТ. Будова речовини. Молекула». Тут ви дізнаєтесь, що вивчає молекулярно-кінетична теорія (МКТ) у фізиці. Ознайомтеся з трьома основними положеннями, на яких базується МКТ. Дізнаєтеся, чим визначаються Фізичні властивостіречовини і що є атом і молекула.

Для початку давайте згадаємо все попередні розділифізики, які ми вивчали, і зрозуміємо, що весь цей час розглядали процеси, що відбуваються з макроскопічними тілами (або об'єктами макросвіту). Тепер же ми вивчатимемо їх будову та процеси, що протікають усередині них.

Визначення. Макроскопічне тіло- тіло, що складається з великої кількостічастинок. Наприклад: машина, людина, планета, більярдна куля…

Мікроскопічне тілотіло, що складається з однієї або кількох частинок. Наприклад: атом, молекула, електрон… (рис. 1)

Рис. 1. Приклади мікро- та макрооб'єктів відповідно

Визначивши таким чином предмет вивчення курсу МКТ, слід поговорити про основні цілі, які ставить перед собою курс МКТ, а саме:

1. Вивчення процесів, що відбуваються всередині макроскопічного тіла (рух та взаємодія частинок)
2. Властивості тіл (щільність, маса, тиск (для газів)…)
3. Вивчення теплових явищ (нагрівання-охолодження, зміни агрегатних станівтіла)

Вивчення цих питань, яке проходитиме протягом усієї теми, розпочнеться зараз з того, що ми сформулюємо так звані основні положення МКТ, тобто деякі твердження, істинність яких вже давно не піддається сумнівам, і, відштовхуючись від яких, будуватиметься весь подальший курс .

Розберемо їх по черзі:

Усі речовини складаються з великої кількостічастинок - молекул та атомів.

Визначення. атом- найдрібніша часткахімічний елемент. Розміри атомів (їх діаметр) має порядок див. різних типіватомів, на відміну молекул, відносно небагато. Усі їх різновиди, які сьогодні відомі людині, зібрані у так званій таблиці Менделєєва (див. рис. 2)

Рис. 2. Періодична таблиця хімічних елементів(по суті різновидів атомів) Д. І. Менделєєва

Молекула- структурна одиницяречовини, що з атомів. На відміну від атомів, вони більші і важчі за останні, а головне, вони мають величезну різноманітність.

Речовина, молекули якої складаються з одного атома, називаються атомарними, з більшої кількості - молекулярними. Наприклад: кисень, вода, кухонна сіль() – молекулярні; гелій срібло (He, Ag) – атомарні.

Причому слід розуміти, що властивості макроскопічних тіл залежатимуть не лише від кількісної характеристикиїх мікроскопічного складу, а й від якісної.

Якщо в будові атомів речовина має певну геометрію ( кристалічні грати ), або ж, навпаки, не має, то цим тілам будуть притаманні різні властивості. Наприклад, аморфні тіла не мають суворої температури плавлення. Самий відомий приклад- це аморфний графіт та кристалічний алмаз. Обидві речовини складаються з атомів вуглецю.

Рис. 3. Графіт та алмаз відповідно

Таким чином «з скількох, у якому взаємне розташуванняі яких атомів та молекул складається речовина?» - перше питання, відповідь який наблизить нас до розуміння властивостей тел.

Усі згадані вище частинки перебувають у безперервному тепловому хаотичному русі.

Так само, як і в прикладах, що розглядаються вище, важливо розуміння не тільки кількісних аспектів цього руху, але і якісних для різних речовин.

Молекули та атоми твердих тіл роблять лише невеликі коливання щодо свого постійного становища; рідких - також роблять коливання, але через великих розмірівміжмолекулярний простір іноді змінюються місцями один з одним; частинки газу, своєю чергою, мало зіштовхуючись, вільно переміщаються у просторі.

Частинки взаємодіють одна з одною.

Взаємодія це носить електромагнітний характер (взаємодії ядер та електронів атома) та діє в обидві сторони (як притягання, так і відштовхування).

Тут: d- Відстань між частинками; a- Розміри частинок (діаметр).

Вперше поняття «атом» було введено давньогрецьким філософом та природознавцем Демокрітом (рис. 4). У більш пізній періодактивно поставив питання про структуру мікросвіту російський учений Ломоносов (рис. 5).

Рис. 4. Демокріт

Рис. 5. Ломоносів

На наступному занятті ми запровадимо методи якісного обґрунтування основних положень МКТ.

Список літератури

1. Мякішев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярна фізика. Термодинаміка. - М: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М: Ілекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Фізика 10 клас. - М: Дрофа, 2010.

1. Elementy.ru ().
   
2. Samlib.ru ().
3. Youtube().

Домашнє завдання

1. *Завдяки якій силі можна зробити експеримент з вимірювання розмірів молекули масла, показаний у відеоуроці?
2. Чому молекулярно-кінетична теорія не розглядає органічні сполуки?
3. Чому навіть дуже маленька піщинка піску є об'єктом макросвіту?
4. Сили переважно якої природи діють на частинки інших частинок?
5. Як визначити, чи є якась хімічна структурахімічний елемент?

Визначення 1

Молекулярно-кінетична теорія- Це вчення про будову та властивості речовини, засноване на уявленні про існування атомів і молекул, як найменших частинок хімічних речовин.

Основні положення молекулярно- кінетичної теоріїмолекули:

1. Всі речовини можуть бути в рідкому, твердому та газоподібному стані. Вони утворюються із частинок, які складаються з атомів. Елементарні молекули можуть мати складна будоватобто мати у своєму складі кілька атомів. Молекули та атоми – електрично нейтральні частки, які в певних умовнабувають додаткового електричний заряді переходять у позитивні чи негативні іони.
2. Атоми та молекули рухаються безперервно.
3. Частинки з електричною природоюсили взаємодіють одна з одною.

Основні положення МКТ та їх приклади були перераховані вище. Між частинками є малий гравітаційний вплив.

Малюнок 3 . 1 . 1 . Траєкторія Броунівської частки.

Визначення 2

Броунівський рух молекул і атомів підтверджує існування основних положень молекулярно-кінетичної теорії та досвідчено обґрунтовує його. Даний тепловий рух частинок відбувається із зваженими в рідині чи газі молекулами.

Дослідне обґрунтування основних положень молекулярно-кінетичної теорії

У 1827 році Р. Броун відкрив цей рух, який був обумовлений безладними ударами та переміщеннями молекул. Оскільки процес відбувався хаотично, то удари було неможливо врівноважити одне одного. Звідси висновок, що швидкість броунівської частки не може бути постійною, вона постійно змінюється, а рух напряму зображується у вигляді зигзагу, що показано на малюнку 3 . 1 . 1 .

Про броунівський рух говорив ще А. Ейнштейн у 1905 році. Його теорія знайшла доказ у дослідах Ж. Перрена 1908 - 1911 гг.

Визначення 3

Наслідок з теорії Ейнштейна: квадрат зміщення< r 2 >броунівської частки щодо початкового положення, усереднене за багатьма броунівськими частинками, пропорційний часу спостереження t .

Вираз< r 2 >= Dt пояснює дифузійний закон. За теорією маємо, що D монотонно зростає зі збільшенням температури. Безладний рух проглядається за наявності дифузії.

Визначення 4

Дифузія– це визначення явища проникнення двох або кількох дотичних речовин одна в одну.

Цей процес відбувається швидко в неоднорідному газі. Завдяки прикладам дифузії з різними щільностями можна отримати однорідну суміш. При знаходженні в одному посудині кисню O 2 і водню H 2 з перегородкою, то при її видаленні гази починають змішуватися, утворюючи небезпечну суміш. Процес можливий під час перебування вгорі водню, а внизу кисню.

Процеси взаємопроникнення також протікають у рідинах, але набагато повільніше. Якщо розчинити тверде тіло, цукор, у воді, то отримаємо однорідний розчин, який є наочним прикладомдифузійних процесів у рідинах. За реальних умов змішування в рідинах і газах замасковано швидкими процесами перемішування, наприклад, при виникненні конвекційних потоків.

Дифузія твердих тіл відрізняється своєю уповільненою швидкістю. Якщо поверхню взаємодії металів очистити, можна побачити, що з плином часу у кожному їх з'являться атоми іншого металу.

Визначення 5

Дифузія та броунівський рух вважаються спорідненими явищами.

При взаємопроникненні частинок обох речовин рух безладний, тобто спостерігається хаотичне теплове переміщення молекул.

Сили, які діють між двома молекулами, залежить від відстані з-поміж них. Молекули мають у своєму складі позитивні та негативні заряди. При великих відстаняхпереважають сили міжмолекулярного тяжіння, за невеликих – сили відштовхування.

Малюнок 3 . 1 . 2 показує залежність результуючої сили F та потенційної енергії E р взаємодії між молекулами від відстані між їхніми центрами. На відстані r = r 0 сила взаємодії обертається на нуль. Ця відстань умовно приймається як діаметр молекули. При r = r 0 потенційна енергіявзаємодії мінімальна.

Визначення 6

Щоб віддалити дві молекули з відстанню r 0 слід повідомити E 0 , енергією зв'язку чи глибиною потенційної ями.

Малюнок 3 . 1 . 2 .Сила взаємодії Fта потенційна енергія взаємодії E р двох молекул. F > 0- Сила відштовхування, F< 0 - сила тяжіння.

Оскільки молекули мають малі розміри, то прості одноатомні може бути трохи більше 10 – 10 м. Складні можуть досягати розмірів у сотні разів більше.

Визначення 7

Безладний хаотичний рух молекул називають тепловим рухом.

У разі зростання температури збільшується кінетична енергіятеплового руху. При знижених температурахсередня кінетична енергія, як правило, виявляється менше значенняглибини потенційної ями E0. Даний випадокпоказує, що молекули перетікають у рідке або тверда речовинаіз середньою відстанню з-поміж них r 0 . Якщо температура підвищується, то середня кінетична енергія молекули перевищує E 0 тоді вони розлітаються і утворюють газоподібну речовину.

У твердих тілахмолекули рухаються безладно біля фіксованих центрів, тобто положень рівноваг. У просторі може бути розподілені нерегулярним чином (у аморфних тіл) або з утворенням упорядкованих об'ємних структур (кристалічних тіл).

Агрегатні стани речовин

Свобода теплового руху молекул проглядається в рідинах, так як у них немає прив'язки до центрів, що дозволяє переміщення по всьому об'єму. Цим пояснюється її плинність.

Визначення 8

Якщо молекули розташовуються близько, можуть утворювати впорядковані структури з кількома молекулами. Це явищеотримало назву ближнього порядку. Далекий порядокхарактерний для кристалічних тіл.

Відстань у газах між молекулами набагато більша, тому діючі силималі, які рухи йдуть вздовж прямий, чекаючи чергового зіткнення. Значення 10 – 8 м є середньою відстанню між молекулами повітря нормальних умовах. Оскільки взаємодія сил слабка, гази розширюються і можуть заповнювати будь-який об'єм судини. Коли їхня взаємодія прагне нуля, то говорять про уявлення ідеального газу.

Кінетична модель ідеального газу

У мкт кількість речовини вважається пропорційним числу частинок.

Визначення 9

Міль- Це кількість речовини, що містить стільки частинок (молекул), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю C 12 . Молекула вуглецю складається з одного атома. Звідси випливає, що 1 моль речовини має те саме кількість молекул. Це числоназивається постійною Авогадро N А: N А = 6, 02 ċ 1023 моль – 1 .

Формула визначення кількості речовини ν записується ставленням N числа частинок на постійну Авогадро N A: = N N A .

Визначення 10

Масою одного молячи речовининазивають молярну масу М. Вона фіксується у вигляді формули M = N А ċ m 0 .

Вираз молярної маси проводиться у кілограмах на моль (к г/мол).

Визначення 11

Якщо речовина має у складі один атом, тоді має місце говорити про атомної масичастки. Одиниця атома – це 1 12 маси ізотопу вуглецю C 12 називається атомною одиницеюмасиі записується як ( а. е. м.): 1 а. е. м. = 1, 66 ċ 10 - 27 до р.

Дана величина збігається з масою протону та нейтрону.

Визначення 12

Відношення маси атома чи молекули даної речовинидо 1 12 маси атома вуглецю називають відносною масою.

Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter

Відповідно до молекулярно-кінетичної теорії всі речовини складаються з найдрібніших частинок - молекул. Молекули розділені проміжками, перебувають у безперервному русі та взаємодіють між собою. Молекула - найменша частка речовини, що має його хімічні властивості. Молекули складаються з більш простих частинок- Атомів хімічних елементів. Молекули різних речовин мають різний атомний склад.

Молекули мають кінетичну енергію і одночасно потенційну енергію взаємодії. У газоподібному стані W кін >> W піт. У рідкому та твердому станах кінетична енергія частинок можна порівняти з енергією їх взаємодії (W кін ~W піт).

Пояснимо три основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

1. Усі речовини складаються з молекул, тобто. мають дискретну будову, молекули поділені проміжками.

2. Молекули перебувають у безперервному безладному (хаотичному) русі.

3. Між молекулами тіла є сили взаємодії.

Молекулярно-кінетична теорія обґрунтовується численними дослідами та величезною кількістюфізичних явищ.

Наявність проміжків між молекулами випливає, наприклад, з дослідів змішування різних рідин: об'єм суміші завжди менше сумиоб'ємів змішаних рідин.

Наведемо деякі з доказів безладного (хаотичного) руху молекул:

а) прагнення газу зайняти весь наданий йому обсяг (поширення пахучого газу по всьому приміщенню);

б) броунівський рух - безладне рух дрібних видимих ​​у мікроскоп частинок речовини, що у зваженому стані і нерозчинних у ній. Цей рух відбувається під впливом безладних ударів молекул, навколишньої рідини, що у постійному хаотичному русі;

в) дифузія - взаємне проникнення молекул дотичних речовин. При дифузії молекули одного тіла, перебуваючи в безперервному русі, проникають у проміжки між молекулами іншого тіла, що стикається з ним, і поширюються між ними. Дифузія проявляється у всіх тілах - у газах, рідинах і твердих тілах, - але по-різному.

Дифузію в газах можна спостерігати, якщо посудину з пахучим газом відкрити у приміщенні. Через деякий час газ пошириться по всьому приміщенню.

Дифузія у рідинах відбувається значно повільніше, ніж у газах. Наприклад, у склянку наллємо розчин мідного купоросу, а потім дуже обережно додамо шар води і залишимо склянку в приміщенні з постійною температурою, і де він не піддається струсу. Через деякий час спостерігатимемо зникнення різкої межі між купоросом і водою, а через кілька днів рідини перемішуються, незважаючи на те, що щільність купоросу більша за щільність води. Також дифундує вода зі спиртом та інші рідини.

Дифузія в твердих тілах відбувається набагато повільніше, ніж у рідинах (від кількох годин до кількох років). Вона може спостерігатися лише у добре пришліфованих тілах, коли відстані між поверхнями пришліфованих тіл близькі до відстаней між молекулами (10 -8 см). При цьому швидкість дифузії збільшується при підвищенні температури та тиску.

Докази силової взаємодії молекул:

а) деформація тіл під впливом силового впливу;

б) збереження форми твердими тілами;

в) поверхневий натяг рідин і, як наслідок, явище змочування та капілярності.

Між молекулами існують одночасно сили тяжіння та сили відштовхування. Ці сили мають електромагнітну природу.

Розглянемо різні випадки взаєморозташування молекул і покажемо, які сили переважають. Введемо такі позначення:

r – Відстань між молекулами.

d – діаметр молекули

F np – сила тяжіння

F om – сила відштовхування

→ - прагнути

Отже

r→∞=>F=0(сили короткодіючі)

r> d(≈2-3 діаметри) =>F np > F om

r→d=>F np →0