Основные положения мкт и их опытное. Положения молекулярно-кинетической теории. Агрегатные состояния веществ

Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов. 2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними. Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей

смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавле-ния или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле, v.

Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С 12 . Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называютпостоянной Авогадро:

n a = N/v. na =6,02 10 23 моль -1 .

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества.Молярной массойназывают величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

m 0 = m/N = m/vN A = М/N A

Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: т = 29,9 10 -27 кг.

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr. Относительная молярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С 12 . Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.

2) Колебательное движение молекул в природе и технике. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний. Опредеолить опытным путём частоту предложенной колебательной системы.

Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно или приблизительно одинаково через одинаковые промежутки времени. Силы, действующие между телами внутри рассматриваемой системы тел, называют внутренними силами. Силы, действующие на тела системы со стороны других тел, называют внешними силами. Свободными колебаниями называют колебания, возникшие под воздействием внутренних сил, например – маятник на нитке. Колебания под действиями внешних сил – вынужденные колебания, например – поршень в двигателе. Общим признаков всех видов колебаний является повторяемость процесса движения через определенный интервал времени. Гармоническими называются колебания, описываемые уравнением. В частности колебания, возникающие в системе с одной возвращающей силой, пропорциональной деформации, являются гармоническими. Минимальный интервал, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний Т . Физическая величина, обратная периоду колебаний и характеризующая количество колебаний в единицу времени, называется частотой. Частота измеряется в герцах, 1 Гц = 1 с -1 . Используется также понятие циклической частоты, определяющей число колебаний за 2p секунд. Модуль максимального смещения от положения равновесия называется амплитудой. Величина, стоящая под знаком косинуса – фаза колебаний, j 0 – начальная фаза колебаний. Производные также гармонически изменяются, причем, а полная механическая энергия при произвольном отклонении х (угол, координата, и т.д.) равна, где А и В – константы, определяемые параметрами системы. Продифференцировав это выражение и приняв во внимание отсутствие внешних сил, возможно записать, что, откуда.

Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро.

Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.

3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.

Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса - масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды:

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.

Урок 1

Тема: Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование

Цели: познакомить учащихся с основными положениями молекулярно-кинетической теории и их опытными подтверждениями, с величинами, характеризующими молекулы (размеры и массы молекул, количество вещества, постоянная Авогадро) и методами их измерения; развивать внимание, логическое мышление учащихся, воспитывать добросовестное отношение к учебному труду

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Ход урока

Организационный момент

Постановка цели урока

Изложение нового материала

Молекулярно-кинетическая теория зародилась в XIX в. с целью объяснить строение и свойства вещества на основе представления о том, что вещество состоит из мельчайших частиц – молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Особых успехов эта теория достигла при объяснении свойств газов.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием частиц, из которых состоят

тела.

В основе МКТ лежат три важнейших положения:

все вещества состоят из молекул;

молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении;

молекулы взаимодействуют друг с другом.

Предположение о молекулярном строении вещества подтверждалось только косвенно. Основные положения МКТ газов хорошо согласовывались с экспериментом. Сегодня техника достигла уровня, при котором можно рассмотреть даже отдельные атомы. Убедиться в существовании молекул и оценить их размер можно довольно просто.

Поместим капельку масла на поверхность воды. Масляное пятно будет растекаться по поверхности воды, но площадь масляной плёнки не может превышать определённого значения. Естественно предположить, что максимальная площадь плёнки соответствует масляному слою толщиной в одну молекулу.

Убедиться в том, что молекулы движутся, можно совсем просто: если капнуть капельку духов в одном конце комнаты, то через несколько секунд этот запах распространится по всей комнате. В окружающем нас воздухе молекулы двигаются со скоростями артиллерийских снарядов – сотни метров в секунду. Удивительным свойством движения молекул является то, что оно никогда не прекращается. Этим движение молекул существенно отличается от движения окружающих нас предметов: ведь механическое движение неизбежно прекращается вследствие трения.

В начале XIX в. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп частицы пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частицы пребывают в «вечной пляске». Причину так называемого «броуновского движения» поняли только через 56 лет после его открытия: отдельные удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга, если эта частица достаточно мала. С тех пор броуновское движение рассматривается как наглядное опытное подтверждение движения молекул.

Если бы молекулы не притягивались друг к другу, не было бы ни жидкостей, ни твёрдых тел – они просто бы рассыпались на отдельные молекулы. С другой стороны, если бы молекулы только притягивались, они бы превращались в чрезвычайно плотные сгустки, а молекулы газов, ударяясь о стенки сосуда, прилипали бы к ним. Взаимодействие молекул имеет электрическую природу. Хотя молекулы в целом электрически нейтральны, распределение положительных и отрицательных электрических зарядов в них таково, что на больших расстояниях (по сравнению с размерами самих молекул) молекулы притягиваются, а на малых расстояниях – отталкиваются. Попробуйте разорвать стальную или капроновую нить диаметром 1 мм 2 . Вряд ли это удастся, даже если приложить все силы, а ведь усилиям вашего тела противостоят силы притяжения молекул в малом сечении нити.

Параметры газа, связанные с индивидуальными характеристиками составляющих его молекул, называются микроскопическими параметрами (масса молекул, их скорость, концентрация).

Параметры, которые характеризуют состояние макроскопических тел, называют макроскопическими параметрами (объём, давление, температура).

Основная задача МКТ – установить связь между микроскопическими и макроскопическими параметрами вещества, исходя из этого, найти уравнение состояния данного вещества.

Например, зная массы молекул, их средние скорости и концентрации, можно найти объём, давление и температуру данной массы газа, а также определить давление газа через его объём и температуру.

Обычно в основе построения любой теории лежит метод моделей, заключающийся в том, что вместо реального физического объекта или явления рассматривают его упрощённую модель. В МКТ газов используется модель идеального газа.

С точки зрения молекулярных представлений, газы состоят из атомов и молекул, расстояния между которыми значительно больше их размеров. Вследствие этого силы взаимодействия между молекулами газов практически отсутствуют. Взаимодействие между ними фактически происходит лишь во время их столкновений.

Поскольку взаимодействие молекул идеального газа сводится лишь к кратковременным столкновениям и размеры молекул не влияют на давление и температуру газа, мы можем считать, что

Идеальный газ – это модель газа, которая предусматривает пренебрежение размерами молекул и их взаимодействием; молекулы такого газа находятся в свободном беспорядочном движении, иногда сталкиваясь с другими молекулами или стенками сосуда, в котором они находятся.

Реальные разрежённые газы ведет себя подобно идеальному газу.

Примерную оценку размеров молекул можно получить из опытов, проведённых немецким физиком Рентгеном и английским физиком Рэлеем. Капелька масла на поверхности воды расплывается, образуя тонкую плёнку толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы масла. В настоящее время существует ряд методов, позволяющих определить размеры молекул и атомов. Например, линейные размеры молекул кислорода составляют 3 · 10 -10 м, воды – около 2,6 · 10 -10 м. Таким образом, характерной длиной в мире молекул является размер 10 -10 м. Если молекулу воды увеличить до размеров яблока, то само яблоко станет диаметром с земной шар.

В прошлом веке итальянский учёный Авогадро обнаружил удивительный факт: если два различных газа занимают сосуды одинакового объёма при одинаковых температурах и давлениях, то в каждом сосуде находится одно и то же число молекул. Заметьте, что массы газов при этом могут сильно отличаться: например, если в одном сосуде водород, а в другом – кислород, то масса кислорода в 16 раз больше массы водорода.

Это означает. Что некоторые, причём довольно важные, свойства тела определяются числом молекул в этом теле: число молекул оказывается даже более существенным, чем масса.

Физическая величина, определяющая число молекул в данном теле, называется количеством вещества и обозначается . Единицей количества вещества является моль.

Так как массы отдельных молекул отличаются друг от друга, то одинаковые количества разных веществ имеют разную массу.

1 моль – это количество вещества, которое содержит столько же молекул, сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг углерода.

Массы отдельных молекул очень малы. Потому удобно использовать при расчётах не абсолютные, а относительные значения масс. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с 1/12 массы атома углерода. Главная причина такого выбора состоит в том, что углерод входит в большое число различных химических соединений.

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества М называется отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к 1 / 12 массы атома углерода:

M г =

m r - масса молекулы данного вещества;

m а (C) - масса атома углерода 12 C.

Например, относительная атомная маса углерода равна 12, водовода – 1. Относительная же молекулярная маса водовода 2, поскольку молекула водорода состоит из двух атомов.

Удобство выбора моля в качестве единицы измерения количества вещества связано с тем, что маса одного моля вещества в граммах численно равна его относительной молекулярной массе.

Маса m тела пропорциональна количеству вещества , содержащемуся в этом теле. Поэтому отношение характеризует вещество, из которого состоит это тело: чем «тяжелее» молекулы вещества, тем больше это отношение.

Отношение массы вещества m к количеству вещества называется молярной массой и обозначается М:

М =

Если принять в этой формуле =1, получим, что молярная масса вещества численно равна массе одного моля этого вещества. Например, масса водорода равна

2
= 2 · 10 -3
.

1
- единица измерения молярной массы в СИ.

Масса вещества m = M .

Число N молекул, содержащихся в теле, прямо пропорционально количеству

вещества , содержащегося в этом теле.

Коэффициент пропорциональности является постоянной величиной и называется постоянной Авогадро N A

Откуда следует, что постоянная Авогадро численно равна числу молекул в 1 моле.

Основные итоги.

Вопросы учащимся:

Докажите, что все тела состоят из мельчайших частиц.

Приведите факты, показывающие делимость веществ.

В чём состоит явление диффузии?

В чём состоит суть броуновского движения?

Какие факты доказывают, что между молекулами твёрдых и жидких тел действуют силы притяжения и отталкивания?

Какова относительная атомная масса кислорода? Молекулы воды? Молекулы углекислого газа?

4. Домашнее задание:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

n a = N/v . na = 6,02 10 23 моль -1 .

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярной массой называют величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:

М = m/v .

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

m 0 = m/N = m/vN A = М/N A

Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: т = 29,9 10 -27 кг.

Рассмотрим некоторые явления, экспериментально подтверждающие основные положения и выводы молекулярно-кинетической теории.

1. Броуновское движение. Шотландский ботаник Р. Броун (1773-1858), наблюдая под микроскопом взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы пыльцы оживленно и беспорядочно двигались, то вращаясь, то перемещаясь с места на место, подобно пылинкам в солнечном луче. Впоследствии оказалось, что подобное сложное зигзагообразное движение характерно для любых частиц малых размеров (1мкм), взвешенных в газе или жидкости. Интенсивность этого движения, называемого броуновским, повышается с ростом температуры среды, с уменьшением вязкости и размеров частиц (независимо от их химической природы). Причина броуновского движения долго оставалась неясной. Лишь через 80 лет после обнаружения этого эффекта ему было дано объяснение: броуновское движение взвешенных частиц вызывается ударами молекул среды, в которой частицы взвешены. Так как молекулы движутся хаотически, то броуновские частицы получают толчки с разных сторон, поэтому и совершают движение столь причудливой формы. Таким образом, броуновское движение является подтверждением выводов молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул.

2. Опыт Штерна. Первое экспериментальное определение скоростей молекул выполнено немецким физиком О. Штерном (1888-1970). Его опыты позволили также оценить распределение молекул по скоростям. Схема установки Штерна представлена на рис. 70. Вдоль оси внутреннего цилиндра с щелью натянута платиновая проволока, покрытая слоем серебра, которая нагревается током при откачанном воздухе. При нагревании серебро испаряется. Атомы серебра, вылетая через щель, попадают на внутреннюю поверхность второго цилиндра, давая изображение щели О.

Если прибор привести во вращение вокруг общей оси цилиндров, то атомы серебра осядут не против щели, а сместятся от точки О на некоторое расстояние s. Изображение щели получается размытым. Исследуя толщину осажденного слоя, можно оценить распределение молекул по скоростям, которое соответствует максвелловскому распределению.

Зная радиусы цилиндров, их угловую скорость вращения, а также измеряя s, можно вычислить скорость движения атомов серебра при данной температуре проволоки. Результаты опыта показали, что средняя скорость атомов серебра близка к той, которая следует из максвелловского распределения молекул по скоростям.

3. Опыт Ламмерт. Этот опыт позволяет более точно определить закон распределения молекул по скоростям. Схема вакуумной установки приведена на рис. 71. Молекулярный пучок, сформированный источником, проходя через щель, попадает в приемник. Между источником и приемником помещают два диска с прорезями, закрепленных на общей оси. При неподвижных дисках молекулы достигают приемника, проходя через прорези в обоих

дисках. Если ось привести во вращение, то приемника достигнут только те прошедшие прорезь в первом диске молекулы, которые затрачивают для пробега между дисками время, равное или кратное времени оборота диска. Другие же молекулы задерживаются вторым диском. Меняя угловую скорость вращения дисков и измеряя число молекул, попадающих в приемник, можно выявить закон распределения скоростей молекул. Этот опыт также подтвердил справедливость максвелловского распределения молекул по скоростям.

4. Опытное определение постоянной Авогадро. Воспользовавшись идеей распределения молекул по высоте (см. формулу (45.4)), французский ученый Ж Перрен (1870-1942) экспериментально определил постоянную Авогадро. Исследуя под микроскопом броуновское движение, он убедился, что броуновские частицы распределяются по высоте подобно молекулам газа в поле тяготения. Применив к ним больцмановское распределение, можно записать

где m - масса частицы, m 1 - масса вытесненной ею жидкости: m= 4 / 3 r 3 , m 1 = 4 / 3 r 3  1 (r - радиус частицы, - плотность частицы,  1 - плотность жидкости).

Если n 1 и n 2 - концентрации частиц на уровнях h 1 и h 2 , a k=R/N A , то

Значение N a , получаемое из работ Ж. Перрена, соответствовало значениям, полученным в других опытах, что подтверждает применимость к броуновским частицам распределения (45.4).