Як довести що молекули існують. Звідки ми знаємо, що все складається з атомів? Схожі роботи на - Теорія броунівського руху і експериментальне підтвердження реального існування атомів і молекул

Процес пізнання складається таким чином, що блискучі здогади і великі теорії, появі яких ми зобов'язані творчим геніям, через деякий час стають чи не тривіальними фактами, які більшістю людей приймається на віру. Чи багато хто з нас могли б самостійно, на основі спостережень і роздумів, здогадатися, що Земля кругла або що Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки, і нарешті, що існують атоми і молекули? З висоти сучасної наукиосновні положення атомно-молекулярної теорії виглядають прописними істинами. Давайте, однак, відвернемося від давно відомих наукових результатів, поставимо себе на місце вчених минулого і спробуємо дати відповідь на два головних питання. По-перше, з чого складаються речовини? По-друге, чому речовини бувають різними і чому одні речовини можуть перетворюватися в інші? На вирішення цих складних питань наука вже витратила понад 2 000 років. В результаті з'явилася атомно-молекулярна теорія, основні положення якої можна сформулювати наступним чином.

• 1. Всі речовини складаються з молекул. Молекула - найменша частинка речовини, що володіє його хімічними властивостями.
• 2. Молекули складаються з атомів. Атом - найменша частка елемента в хімічних сполуках. Різним елементам відповідають різні атоми.
• 3. Молекули і атоми знаходяться в безперервному русі.
• 4. При хімічних реакціях молекули одних речовин перетворюються в молекули інших речовин. Атоми при хімічних реакціях не змінюються.

Як же вчені здогадалися про існування атомів?

Атоми були придумані в Греції в V ст. до н. е. Філософ Левкипп (500-440 до н. Е.) Задався питанням, чи можна кожну частинку матерії, яка б мала вона не була, розділити на ще більш дрібні частинки. Левкіпп вважав, що в результаті такого поділу можна отримати настільки малу частку, що подальший розподіл стане неможливим.

Учень Левкиппа філософ Демокріт (460-370 до н. Е.) Назвав ці крихітні частинки «атомами» (атомос - неподільний). Він вважав, що атоми кожного елемента мають особливі розміри і форму і що саме цим пояснюються відмінності у властивостях речовин. Речовини, які ми бачимо і відчуваємо, утворюються при з'єднанні між собою атомів різних елементів, і, змінивши природу цього з'єднання, можна одне речовина перетворити в інше.

Демокріт створив атомну теорію майже в сучасному вигляді. Однак ця теорія була лише плодом філософських роздумів, не пов'язаних з природними явищамиі процесами. Вона не була підтверджена експериментально, оскільки стародавні греки взагалі не проводили експериментів, вони ставили роздуми вище спостережень.

Перший експеримент, що підтверджує атомну природу речовини, було проведено лише через 2000 років. У 1662 р ірландський хімік Роберт Бойль (1627-1691) при стисненні повітря в U-подібній трубці під тиском стовпчика ртуті виявив, що об'єм повітря в трубці обернено пропорційний тиску:

Французький фізик Едм Маріотт (1620-1684) підтвердив це співвідношення через 14 років після Бойля і зауважив, що воно виконується тільки при постійній температурі.

Результати, отримані Бойл і Маріоттом, можна пояснити, тільки якщо визнати, що повітря складається з атомів, між якими є порожній простір. Стиснення повітря обумовлено зближенням атомів і зменшенням обсягу порожнього простору.

Якщо гази складаються з атомів, можна допустити, що тверді речовиниі рідини теж складаються з атомів. Наприклад, вода при нагріванні кипить і перетворюється на пару, яка, подібно до повітрю, можна стиснути. Значить, водяна пара складається з атомів. Але якщо водяна пара складається з атомів, чому рідка вода і лід не можуть складатися з атомів? А якщо це справедливо для води, це може бути справедливо і для інших речовин.

Таким чином, експерименти Бойля і Маріотта підтвердили існування найдрібніших частинок речовини. Залишалося з'ясувати, що з себе представляють ці частинки.

Протягом наступних 150 років зусилля хіміків були спрямовані в основному на встановлення складу різних речовин. Речовини, які розкладалися на менш складні речовини, були названі сполуками (складними речовинами), наприклад вода, вуглекислий газ, залізна окалина. Речовини, які не можна розкласти, назвали елементами (простими речовинами), наприклад водень, кисень, мідь, золото.

У 1789 р великий французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє (1743-1794) опублікував знамениту книгу «Елементарний курс хімії» (Traite elementaire de chimie), в якій систематизував накопичені на той час знання з хімії. Зокрема, він навів список всіх відомих елементів, який містив 33 речовини. Два назви в цьому списку були принципово помилковими (світло і теплород), а вісім виявилися згодом складними речовинами (вапно, кремнезем та інші).

Розвиток техніки кількісних вимірів і методів хімічного аналізу дозволило визначати співвідношення елементів в хімічних сполуках. Французький хімік Жозеф Луї Пруст (1754-1826) після ретельних експериментів з рядом речовин встановив закон сталості складу.

I Всі з'єднання, незалежно від способу отримання, містять еле. менти в суворо визначених вагових пропорціях.

Так, наприклад, сірчистий газ, одержуваний спалюванням сірки, дією кислот на сульфіти або будь-яким іншим способом, завжди містить 1 вагову частину (масову частку) сірки і 1 вагову частину кисню.

Опонент Пруста, французький хімік Клод Луї Бертолле (1748-1822), навпаки, стверджував, що склад з'єднань залежить від способу їх отримання. Він вважав, що, якщо в реакції двох елементів один з них взято в надлишку, то і в образующемся з'єднанні вагова частка даного елемента буде також більше. Пруст, однак, довів, що Бертолле отримав помилкові результати через неточного аналізу і використання недостатньо чистих речовин.

Дивно, але помилкова для свого часу ідея Бертолле в даний час покладена в основу великого наукового напрямкув хімії - хімічного матеріалознавства.Головне завдання матеріалознавців - отримання матеріалів із заданими властивостями, а основний метод - використання залежності складу, структури і властивостей матеріалу від способу отримання.

Закон сталості складу, відкритий Прустом, мав фундаментальне значення. Він привів до думки про існування молекул і підтвердив неподільність атомів. Справді, чому в сірчистому газі S0 2 вагове (масове) співвідношення сірки і кисню завжди 1: 1, а не 1,1: 0,9 або 0,95: 1,05? Можна припустити, що при утворенні частки сірчистого газу (згодом ця частка була названа молекулою) атом сірки з'єднується з певним числом атомів кисню, причому маса атомів сірки дорівнює масі атомів кисню.

А що відбувається, якщо два елементи можуть утворювати між собою кілька хімічних сполук? На це питання дав відповідь великий англійський хімік Джон Дальтон (1766-1844), який з експерименту сформулював закон кратних відносин (Закон Дальтона).

I Якщо два елементи утворюють між собою кілька з'єднань, то. в цих з'єднаннях маси одного елемента, що припадають на одиницю маси іншого елемента, відносяться як невеликі цілі числа.

Так, в трьох оксидах заліза на одиницю ваги (маси) кисню припадають 3,5, 2,625 і 2,333 вагових частин (масових часток) заліза відповідно. Відносини цих чисел такі: 3,5: 2,625 = = 4: 3; 3,5: 2,333 = 3: 2.

Із закону кратних відносин слід, що атоми елементів з'єднуються в молекули, причому молекули містять невелику кількість атомів. Вимірювання масового змісту елементів дозволяє, з одного боку, визначати молекулярні формули сполук, а з іншого - знаходити відносні маси атомів.

Наприклад, при утворенні води одна вагова частина водню з'єднується з 8 ваговими частинами кисню. Якщо припустити, що молекула води складається з одного атома водню і одного атома кисню, виявиться, що атом кисню в 8 разів важче атома водню.

Розглянемо зворотну задачу. Ми знаємо, що атом заліза в 3,5 рази важче атома кисню. зі співвідношення

випливає, що в даному з'єднанні на два атома заліза доводиться три атома кисню, т. е. формула сполуки - Fe 2 0 3.

Міркуючи таким чином, Дальтон склав першу в історії таблицю атомних ваг елементів. На жаль, вона виявилася в багатьох відносинах невірної, оскільки при визначенні атомних ваг Дальтон часто виходив з неправильних молекулярних формул. Він вважав, що атоми елементів майже завжди (за рідкісним винятком) з'єднуються попарно. Формула води по Дальтону - АЛЕ. Крім того, він був упевнений, що молекули всіх простих речовинмістять по одному атому.

Правильні формули води і багатьох інших речовин були визначені при дослідженні хімічних реакційв газовій фазі. Французький хімік Жозеф Луї Гей-Люссак (1778-1850) виявив, що один об'єм водню реагує з одним об'ємом хлору і виходять два обсягу хлороводню; при електролітичному розкладанні води утворюються один об'єм кисню і два обсягу водню і т. д. Це емпіричне правило було опубліковано в 1808 р і отримало назву закону об'ємних відносин.

I Обсяги реагують газів ставляться один до одного і до об'ємів газо-. образних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

Сенс закону об'ємних відносин з'ясувався після великого відкриття італійського хіміка Амедео Авогадро (1776-1856), який сформулював гіпотезу (припущення), яка пізніше була названа законом Авогадро.

| У рівних обсягах будь-яких газів при постійній температурі і дав-? лення міститься однакове числомолекул.

Це означає, що всі гази поводяться в деякому сенсі однаково і що обсяг газу при заданих умовах не залежить від природи (складу) газу, а визначається тільки числом частинок в даному обсязі. Вимірюючи об'єм, ми можемо визначити число часток (атомів і молекул) в газовій фазі. Велика заслуга Авогадро полягає в тому, що він зміг встановити просту зв'язокміж спостерігається макроскопічної величиною (обсягом) і мікроскопічними властивостями газоподібних речовин(Числом частинок).

Аналізуючи об'ємні співвідношення, знайдені Люссаком, і використовуючи свою гіпотезу (яку згодом назвали законом Авогадро),вчений встановив, що молекули газоподібних простих речовин (кисню, азоту, водню, хлору) двоатомні. Дійсно, при реакції водню з хлором обсяг не змінюється, отже число частинок також не змінюється. Якщо припустити, що водень і хлор одноатомни, в результаті реакції приєднання вихідний обсяг повинен зменшитися в два рази. Але після реакції обсяг не змінюється, значить, молекули водню і хлору містять по два атоми і реакція йде за рівнянням

Аналогічно можна встановити молекулярні формули складних речовин- води, аміаку, вуглекислого газуі інших речовин.

Як це не дивно, але сучасники не оцінили і не визнали висновки, зроблені Авогадро. Провідні хіміки того часу Дж. Дальтон і Йенс Якоб Берцеліус (1779-1848) заперечували проти припущення, що молекули простих речовин можуть бути двоатомні, оскільки вважали, що молекули утворюються тільки з різних атомів (позитивно і негативно заряджених). Під тиском таких авторитетів гіпотеза Авогадро була відкинута і поступово забута.

Лише майже через 50 років, в 1858 році італійський хімік Станіслао Канниццаро ​​(1826-1910) випадково виявив роботу Авогадро і зрозумів, що вона дозволяє чітко розмежувати поняття «атом» і «молекула» для газоподібних речовин. Саме Канниццаро ​​запропонував визначення атома і молекули, які наведені на початку цього параграфа, і вніс повну ясність в поняття «атомна вага» і «молекулярна вага». У 1860 р в м Карлсруе (Німеччина) відбувся Перший міжнародний хімічний конгрес, на якому після довгих дискусій основні положення атомно-молекулярної теорії отримали загальне визнання.

Підведемо підсумки. У розвитку атомно-молекулярного вчення можна виділити три фундаментальні етапи.

• 1. Народження атомного вчення, поява ідеї (гіпотези) про існування атомів (Левкіпп і Демокріт).
• 2. Перше експериментальне підтвердження атомної теорії в дослідах зі стисненим повітрям (закон Бойля-Маріотта).
• 3. Відкриття важливу закономірність про те, що в молекулі атоми різних елементів присутні в певних вагових співвідношеннях (закон кратних відносин Дальтона), і встановлення формул газоподібних простих речовин (гіпотеза Авогадро).

Цікаво, що, коли було висловлено припущення про існування атомів, теорія була попереду експерименту (спочатку атоми були придумані, а через 2000 років це було доведено). У разі молекул експеримент випередив теорію: ідея існування молекул була висунута для пояснення експериментального закону кратних відносин. У цьому сенсі історія атомно-молекулярної теорії - характерний приклад, який відображає різні шляхинаукових відкриттів.

Основні положення молекулярно- кінетичної теорії.

1). Будь-яка речовина має дискретне (переривчасте) будова. Воно складається з найдрібніших частинок - молекул і атомів, розділених між собою проміжками. Молекули є найменшими частками, що володіють хімічними властивостями даної речовини. Атоми є найменшими частками, що володіють властивостями хімічних елементів, що входять до складу даної речовини.

2). Молекули знаходяться в стані безперервного хаотичного руху, що називається тепловим. При нагріванні речовини швидкість теплового руху і кінетична енергія його частинок збільшуються, а при охолодженні - зменшуються. Ступінь нагретости тіла характеризується його температурою, яка є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул цього тіла.

3). Між молекулами в процесі їх взаємодії виникають сили тяжіння і відштовхування.

Експериментальне обгрунтування молекулярно-кінетичної теорії

Наявність у речовин проникності, стисливості і розчинності свідчить про те, що вони не суцільні, а складаються з окремих, розділених проміжками частинок. За допомогою сучасних методів дослідження (електронний та іонний мікроскопи) вдалося отримати зображення найбільш великих молекул.

спостереження броунівського рухуі дифузії частинок показали, що молекули знаходяться в безперервному русі.

Наявність міцності і пружності тіл, смачиваемости, прилипання, поверхневого натягу в рідинах і т. Д. - все це доводить існування сил взаємодії між молекулами.

Броунівський рух.

У 1827 р англійський ботанік Броун, спостерігаючи в мікроскоп суспензія квіткового пилку у воді, виявив, що крупинки пилку безперервно хаотично рухаються. Безладний рух зважених в рідини дуже маленьких частинок твердого тіла і отримало назву броунівського руху. Було встановлено, що броунівський рух відбувається необмежено довго. Інтенсивність руху зважених в рідини частинок не залежить від речовини цих частинок, а залежить від їх розмірів. Великі частинки залишаються нерухомими. Інтенсивність броунівського руху збільшується при підвищенні температури рідини і зменшується при її зниженні. Зважені в рідини частинки рухаються під дією молекул рідини, які стикаються з ними. Молекули рухаються хаотично, тому сили, з якими вони діють на зважені частинки, безперервно змінюються по модулю і напрямку. Це і призводить до безладного руху зважених часток. Таким чином, броунівський рух наочно підтверджує існування молекул і хаотичний характер їх теплового руху. (Кількісну теорію броунівського руху розробив в 1905 р Ейнштейн.)

дифузієюназивають явище самовільного взаємного проникнення молекул межують між собою речовин в міжмолекулярні проміжки один одного. (Дифузію, яка відбувається через напівпроникні перегородки, називають осмосом.) Прикладом дифузії в газах є поширення запахів. У рідинах наочним проявом дифузії є перемішування проти дії сили тяжіння рідин різної щільності (при цьому молекули важчій рідини піднімаються вгору, а більш легкої - опускаються вниз). Дифузія відбувається і в твердих тілах. Це доводить такий досвід: дві відполіровані плоскі пластинки із золота і свинцю, покладені один на одного, витримувалися при кімнатній температурі протягом 5 років. За цей час пластинки зрослися, утворивши єдине ціле, причому молекули золота проникли в свинець, а молекули свинцю - в золото на глибину до 1 см. 1 Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини і температури. З підвищенням температури швидкість дифузії зростає, а зі зниженням - зменшується.

Розміри і маса молекул

Розмір молекули є величиною умовною. Його оцінюють наступним чином. Між молекулами поряд з силами тяжіння діють і сили відштовхування, тому молекули можуть зближуватися лише до деякої відстані. Відстань граничного зближення центрів двох молекул називають ефективним діаметром молекули і позначають про (при цьому умовно вважають, що молекули мають сферичну форму). За винятком молекул органічних речовин, Що містять дуже велику кількість атомів, більшість молекул по порядку величини мають діаметр 10 -10 м і масу 10 -26 кг.

Відносна молекулярна маса

Оскільки маси атомів і молекул надзвичайно малі, при розрахунках зазвичай використовують не абсолютні, а відносні значення мас, одержувані шляхом порівняння мас атомів і молекул з атомної одиницею маси, в якості якої обрана 1/12 частина маси атома вуглецю (т. Е. Користуються вуглецевої шкалою атомних мас). відносної молекулярної(або атомної) масою М r(або А r) Речовини називають величину, рівну відношенню маси молекули (або атома) цієї речовини до 1/12 маси атома вуглецю 12 С. Відносна молекулярна (атомна) маса є величиною, яка не має розмірності. Відносна атомна маса кожного хімічного елемента вказана в таблиці Менделєєва. Якщо речовина складається з молекул, утворених з атомів різних хімічних елементів, відносна молекулярна маса даної речовини дорівнює сумі відносних атомних мас елементів, що входять до складу даної речовини.

Кількість речовини

Кількість речовини, що міститься в тілі, визначається числом молекул в цьому тілі (або числом атомів). Оскільки число молекул в макроскопічних тілах дуже велике, для визначення кількості речовини в тілі порівнюють число молекул в цьому тілі з числом атомів в 0,012 кг вуглецю. Іншими словами, кількістю речовини vназивають величину, рівну відношенню числа молекул (або атомів) N в даному тілі до числа атомів N A в 12 г вуглецю, т. е.

v = N / N A.Кількість речовини виражають в молях. Моль дорівнює кількості речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул, іонів), скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг.

Постійна Авогадро. молярна маса

Згідно із визначенням поняття моль, в 1 моль будь-якої речовини міститься однакове число молекул або атомів. Це число N A, яка дорівнює кількості атомів в 0,012 кг (т. Е. В 1 моль) вуглецю, називають постійної Авогадро. Молярною масою М певної речовини називають масу 1 моль цієї речовини. молярну масуречовини виражають в кілограмах на моль.

Кількість речовини можна знайти як

Масу однієї молекули можна знайти як або з огляду на що відносна молекулярна маса число дорівнює масі однієї молекули вираженою в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,66 × 10 -27 кг).

1. Основні положення МКТ. Доказ існування молекул. Розміри і маса молекул.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

1). Будь-яка речовина має дискретне (переривчасте) будова. Воно складається з найдрібніших частинок - молекул і атомів, розділених між собою проміжками. Молекули є найменшими частками, що володіють хімічними властивостями даної речовини. Атоми є найменшими частками, що володіють властивостями хімічних елементів, що входять до складу даної речовини.

2). Молекули знаходяться в стані безперервного хаотичного руху, що називається тепловим. При нагріванні речовини швидкість теплового руху і кінетична енергія його частинок збільшуються, а при охолодженні - зменшуються. Ступінь нагретости тіла характеризується його температурою, яка є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул цього тіла.

3). Між молекулами в процесі їх взаємодії виникають сили тяжіння і відштовхування.

^ Експериментальне обгрунтування молекулярно-кінетичної теорії

Наявність у речовин проникності, стисливості і розчинності свідчить про те, що вони не суцільні, а складаються з окремих, розділених проміжками частинок. За допомогою сучасних методів дослідження (електронний та іонний мікроскопи) вдалося отримати зображення найбільш великих молекул.

Спостереження броунівського руху і дифузії частинок показали, що молекули знаходяться в безперервному русі.

Наявність міцності і пружності тіл, смачиваемости, прилипання, поверхневого натягу в рідинах і т. Д. - все це доводить існування сил взаємодії між молекулами.

^ Броунівський рух.

У 1827 р англійський ботанік Броун, спостерігаючи в мікроскоп суспензія квіткового пилку у воді, виявив, що крупинки пилку безперервно хаотично рухаються. Безладний рух зважених в рідини дуже маленьких частинок твердого тіла і отримало назву броунівського руху. Було встановлено, що броунівський рух відбувається необмежено довго. Інтенсивність руху зважених в рідини частинок не залежить від речовини цих частинок, а залежить від їх розмірів. Великі частинки залишаються нерухомими. Інтенсивність броунівського руху збільшується при підвищенні температури рідини і зменшується при її зниженні. Зважені в рідини частинки рухаються під дією молекул рідини, які стикаються з ними. Молекули рухаються хаотично, тому сили, з якими вони діють на зважені частинки, безперервно змінюються по модулю і напрямку. Це і призводить до безладного руху зважених часток. Таким чином, броунівський рух наочно підтверджує існування молекул і хаотичний характер їх теплового руху. (Кількісну теорію броунівського руху розробив в 1905 р Ейнштейн.)
дифузієюназивають явище самовільного взаємного проникнення молекул межують між собою речовин в міжмолекулярні проміжки один одного. (Дифузію, яка відбувається через напівпроникні перегородки, називають осмосом.) Прикладом дифузії в газах є поширення запахів. У рідинах наочним проявом дифузії є перемішування проти дії сили тяжіння рідин різної щільності (при цьому молекули важчій рідини піднімаються вгору, а більш легкої - опускаються вниз). Дифузія відбувається і в твердих тілах. Це доводить такий досвід: дві відполіровані плоскі пластинки із золота і свинцю, покладені один на одного, витримувалися при кімнатній температурі протягом 5 років. За цей час пластинки зрослися, утворивши єдине ціле, причому молекули золота проникли в свинець, а молекули свинцю - в золото на глибину до 1 см. 1 Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини і температури. З підвищенням температури швидкість дифузії зростає, а зі зниженням - зменшується.

^ Розміри і маса молекул

Розмір молекули є величиною умовною. Його оцінюють наступним чином. Між молекулами поряд з силами тяжіння діють і сили відштовхування, тому молекули можуть зближуватися лише до деякої відстані. Відстань граничного зближення центрів двох молекул називають ефективним діаметром молекули і позначають про (при цьому умовно вважають, що молекули мають сферичну форму). За винятком молекул органічних речовин, що містять дуже велику кількість атомів, більшість молекул по порядку величини мають діаметр 10 -10 м і масу 10 -26 кг.

^ Відносна молекулярна маса

Оскільки маси атомів і молекул надзвичайно малі, при розрахунках зазвичай використовують не абсолютні, а відносні значення мас, одержувані шляхом порівняння мас атомів і молекул з атомної одиницею маси, в якості якої обрана 1/12 частина маси атома вуглецю (т. Е. Користуються вуглецевої шкалою атомних мас). відносної молекулярної(або атомної) масою М r(або А r) Речовини називають величину, рівну відношенню маси молекули (або атома) цієї речовини до 1/12 маси атома вуглецю 12 С. Відносна молекулярна (атомна) маса є величиною, яка не має розмірності. Відносна атомна маса кожного хімічного елемента вказана в таблиці Менделєєва. Якщо речовина складається з молекул, утворених з атомів різних хімічних елементів, відносна молекулярна маса даної речовини дорівнює сумі відносних атомних мас елементів, що входять до складу даної речовини.

^ Кількість речовини

Кількість речовини, що міститься в тілі, визначається числом молекул в цьому тілі (або числом атомів). Оскільки число молекул в макроскопічних тілах дуже велике, для визначення кількості речовини в тілі порівнюють число молекул в цьому тілі з числом атомів в 0,012 кг вуглецю. Іншими словами, кількістю речовини vназивають величину, рівну відношенню числа молекул (або атомів) N в даному тілі до числа атомів N A в 12 г вуглецю, т. е.

v = N / N A . Кількість речовини виражають в молях. Моль дорівнює кількості речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул, іонів), скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг.

^ Постійна Авогадро. молярна маса

Згідно із визначенням поняття моль, в 1 моль будь-якої речовини міститься однакове число молекул або атомів. Це число N A, яка дорівнює кількості атомів в 0,012 кг (т. Е. В 1 моль) вуглецю, називають постійної Авогадро. Молярною масою М певної речовини називають масу 1 моль цієї речовини. Молярну масу речовини виражають в кілограмах на моль.

Кількість речовини можна знайти як

Масу однієї молекули можна знайти як
або з огляду на що відносна молекулярна маса число дорівнює масі однієї молекули вираженою в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,6610 -27 кг).

^ 2. Будова газоподібних, рідких і твердих тіл

Існують чотири агрегатних стани речовини - тверде, рідке, газоподібне і плазма.

Якщо мінімальна потенційна енергія W П молекул речовини багато менше середньої кінетичної енергії їх теплового руху W K (т. Е. W П> W K, то речовина знаходиться в твердому стані.

У газах прі не високому тиску і не низьких температурахмолекули знаходяться один від одного на відстанях, у багато разів перевищують їх розміри. В таких умовах молекули газу не пов'язані між собою міжмолекулярними силами тяжіння. Вони хаотично поступально рухаються по всьому об'єму, що займають газом. Взаємодія молекул газу відбувається тільки при їх зіткненні між собою і зі стінками посудини, в якому газ знаходиться. Передача імпульсу при цих зіткненнях обумовлює тиск, вироблене газом. Відстань, яку молекула проходить між двома послідовними зіткненнями, називають довжиною вільного пробігу молекул. Якщо молекули газу складаються з двох або декількох атомів, то при зіткненні вони набувають обертальний рух. Таким чином, в газах молекули здійснюють переважно поступальний і обертальний рух.

У рідинах відстань між молекулами можна порівняти з їх ефективним діаметром. Сили взаємодії молекул один з одним досить великі. Молекули рідини коливаються близько тимчасових положень рівноваги. Однак в рідинах W П ~ W K, тому, отримавши в результаті хаотичних зіткнень надлишок кінетичної енергії, окремі молекули долають тяжіння сусідніх молекул і переходять в нові положення рівноваги, навколо яких знову скоюють коливальний рух. Час коливання молекул рідини біля положень рівноваги дуже мало (близько 10 -10 - 10 -12 с), після чого молекули здійснюють перехід в нові положення. Отже, молекули рідини здійснюють коливальний рух навколо тимчасових центрів рівноваги і стрибкоподібно переміщуються з одних положень рівноваги в інші (внаслідок таких переміщень рідина має плинністю і приймає форму того судини, в якому знаходиться). Рідина складається з безлічі мікроскопічних областей, в яких існує певна впорядкованість в розташуванні довколишніх молекул, що не повторюється по всьому об'єму рідини і змінюється з плином часу. Такий вид упорядкованості частинок називають ближнім порядком.

У твердих тілах відстань між молекулами ще менше, ніж в рідинах. Сили взаємодії молекул твердих тіл між собою настільки великі, що молекули утримуються відносно один одного в певних положеннях і коливаються близько постійних центрів рівноваги. Тверді тіла діляться на кристалічні і аморфні. Для кристалічних тіл характерні так звані кристалічні решітки - впорядковане й періодично повторюється в просторі розташування молекул, атомів або іонів. Якщо через довільний вузол кристалічної решітки провести пряму в будь-якому напрямку, то вздовж цієї прямої на рівній відстані будуть зустрічатися інші вузли цієї решітки, т. Е. Дана структура повторюється по всьому об'єму кристалічного тіла. Такий вид упорядкованості частинок називають далеким порядком. В аморфних тілах (скло, смола і ряд інших речовин) немає далекого порядку і кристалічної решітки, що зближує за властивостями аморфні тіла з рідинами. Однак в аморфних тілах молекули коливаються близько тимчасових положень рівноваги значно довше, ніж в рідинах. У твердих тілах молекули здійснюють переважно коливальний рух (хоча є і окремі молекули, що рухаються поступально, про що свідчить явище дифузії).

^ 3. Досвід Штерна. Розподіл молекул за швидкостями

Молекули газів рухаються з великими швидкостями прямолінійно до зіткнення. При кімнатній температурі швидкість молекул повітря досягає декількох сотень метрів в секунду. Відстань, яку в середньому пробігають молекули від одного зіткнення до іншого, називають середньою довжиною вільного пробігу молекул. У молекул повітря при кімнатній температурі середня довжина вільного пробігу порядку 10 -7 м. Внаслідок хаотичності руху молекули володіють різними швидкостями. Але при даній температурі можна визначити швидкість, близькою до якої має найбільшу кількість молекул.

Швидкість  в, близькою до якої має найбільшу кількість молекул, називається найбільш вірогідною швидкістю.

Лише дуже мала кількість молекул має швидкість, близьку до нуля, або близькою до нескінченно великою величиною, що набагато перевищує найбільш вірогідну швидкість. І, звичайно, відсутні молекули, швидкість яких дорівнює нулю або нескінченно велика. Зате більшість молекул має швидкість, близькою до найбільш вірогідною.

Зі збільшенням температури швидкості молекул збільшуються. Але кількість молекул, що володіють швидкістю, близькою до найбільш вірогідною, зменшується, так як зростає розкид в швидкостях, зростає кількість молекул, швидкості яких істотно відрізняються від найбільш вірогідною. Число молекул, що рухаються з великими швидкостями, зростає, а з меншими, - зменшується. І з-за величезної кількості молекул в будь-якому обсязі газу їх напрямки руху уздовж будь-якої осі координат різновірогідні, якщо газ знаходиться в стані рівноваги, т. е. в ньому немає потоків. Це означає, що будь-якому направленого руху однієї молекули відповідає антінаправленное рух іншої молекули з такою ж швидкістю, т. Е. Якщо одна молекула рухається, наприклад, вперед, то обов'язково знайдеться інша молекула, яка рухається з такою ж швидкістю назад. Тому швидкість руху молекул з урахуванням їх напрямки не можна охарактеризувати середньою швидкістю всіх молекул, вона завжди буде дорівнює нулю, адже позитивна швидкість, сонаправленнимі з однією з осей координат буде складатися з негативною швидкістю, антінаправленной цієї осі. Якщо ж значення швидкостей всіх молекул звести в квадрат, то все мінуси зникнуть. Якщо, потім скласти квадрати швидкостей всіх молекул, а потім розділити на число молекул N, т. Е. Визначити середню, величину квадратів швидкостей всіх молекул, а потім витягти квадратний коріньз цієї величини, то він вже не буде дорівнює нулю і їм можна буде охарактеризувати швидкість руху молекул. Корінь квадратний із середнього значення квадратів швидкостей всіх молекул називається їх середньої квадратичної швидкістю
. З рівнянь молекулярної фізики слід що
.

^ Досвід Штерна.

Перше експериментальне визначення швидкості молекул було зроблено в 1920 р німецьким фізикомО. Штерном. У ньому визначалася середня швидкість руху атомів. Схема експерименту зображена на рис.

На плоскому горизонтальному підставі закріплені дві коаксіальні циліндричні поверхні 1 і 2, які разом з підставою можуть обертатися навколо вертикальної осі ОО 1. Поверхня 1 суцільна, а п
оверхностей 2 має вузьку щілину 4, паралельну осі ОО 1. Цією віссю є платинова посріблена зволікання 3, через яку пропускають електричний струм. Вся система знаходиться в камері, з якої відкачано повітря (тобто в вакуумі). Дріт нагрівають до високої температури. Атоми срібла, випаровуючись з її поверхні, заповнюють внутрішній циліндр 2. Вузький пучок цих атомів, що пройшов крізь щілину 4 в стінці циліндра 2, долітає до внутрішньої поверхні циліндра 1. Якщо циліндри нерухомі, атоми срібла відкладаються на цій поверхні у вигляді вузької смужки, паралельної щілини (точка В), (перетин циліндрів горизонтальною площиною).

Коли циліндри приводять в обертання з постійною кутовою швидкістю  навколо осі ОО 1 за час t, протягом якого атоми летять від щілини до поверхні зовнішнього циліндра (т. Е. Проходять відстань АВ, що дорівнює різниці
радіусів цих циліндрів), циліндри повертаються на кут , і атоми осідають у вигляді смужки в іншому місці (точка С, рис. б). Відстань між місцями осадження атомів в першому і в другому випадках одно s.

позначимо середню швидкість руху атомів, а v = R - лінійну швидкістьзовнішнього циліндра. тоді
. Знаючи параметри установки і вимірявши експериментально s, по можна визначити середню швидкість руху атомів. Під час експерименту Штерна було встановлено, що середня швидкість атомів срібла дорівнює 650 м / с.

Альберт Ейнштейн

Нерідко заслугою Альберта Ейнштейна вважають лише створення теорії відносності. З точки зору історії науки така оцінка невірна і несправедлива по відношенню до його чудовим досягненням в інших областях фізики. "Батько теорії відносності" був вченим з виключно багатосторонніми інтересами.

У бернські роки, за часів самої бурхливої ​​творчої активності Ейнштейна, майже одночасно з'явилися на світ перші результати його досліджень, що мали величезне значення для подальшого розвиткуфізики. Особливо плідним виявився 1905 рік, коли Ейнштейну було 26 років. Хронологічно першими були його дослідження по молекулярної фізики.

Роботи Ейнштейна по тепловому руху присвячені головним чином проблеми статистичного опису руху атомів і молекул і взаємозв'язку між рухом і теплотою. У цих роботах Ейнштейн прийшов до висновків, що істотно розширюють результати, отримані геніальним австрійським фізиком Людвігом Больцманом і американцем Уіллардом Гиббсом. Основна заслуга Ейнштейна полягала не стільки в подоланні математичних труднощів, скільки в більш глибокої постановці фізичних питань. Він керувався при цьому ідеєю Больцмана про те, що в основі математичної трактування вчення про теплоту повинно лежати поняття ймовірності ( "принцип Больцмана").

Всі ці питання були розроблені Ейнштейном самостійно, тому ми маємо право разом з Максом Борном говорити про те, що "Ейнштейн відкрив заново всі істотні риси статистичної механіки". Молодий дослідник взявся за свої роботи з молекулярної фізики з твердим наміром підтвердити надійними результатами атомістичну теорію, в правильності якої він був переконаний, хоча тоді вона багатьом здавалося спірним.

У центрі уваги Ейнштейна в його дослідницькій роботіпо теорії теплоти знаходилося броунівський молекулярний рух. У 1827 році англійський ботанік Роберт Броун проводив спостереження квіткового пилку під мікроскопом; при цьому він виявив, що зважені в краплі рідини частинки безперервно здійснюють безладні, зигзагоподібні рухи. Такий рух частинок - пізніше назване на ім'я відкрив його вченого "броунівським рухом" - відбувається тим інтенсивніше, чим менше маса часток і чим тепліше рідина, в якій вони знаходяться.

Протягом кількох десятиліть вчені безуспішно намагалися знайти пояснення цьому загадковому явищу. У 1880-х роках - за два десятиліття до Ейнштейна - один французький фізик припустив, що броунівський рух є результатом безладних ударів, які відчувають зважені частинки з боку невидимих ​​під мікроскопом молекул рідини. Однак це дотепне пояснення не мало ні математичного обгрунтування, ні експериментального підтвердження.

У статті "Про рух завислих у спокійній рідини частинок, що витікає з молекулярно-кінетичної теорії", Ейнштейн за допомогою статистичних методів показав, що між швидкістю руху зважених часток, їх розмірами і коефіцієнтом в'язкості використовуваної рідини існує кількісна взаємозв'язок, яка може бути експериментально перевірена.

Ейнштейн, який тоді ще не був знайомий з попередніми роботами по броунівському русі, вважав, що рух видимих ​​під мікроскопом частинок являє собою прояв руху мікроскопічно невидимих ​​молекул рідини. Ейнштейн надав закінчену математичну форму статистичного пояснення цього явища, вже сформульованому до нього польським фізиком Маріаном фон Смолуховським. "Ейнштейнівської закон броунівського руху" був повністю підтверджений в 1908 році дослідами французького фізика Жана Перрена, який отримав за ці роботи в 1926 році Нобелівську премію.

Роботи Ейнштейна з молекулярної фізики довели правильність уявлення про те, що теплота є форма енергії неупорядкованого руху молекул. Одночасно вони підкріпили атомістичну гіпотезу, згідно з якою матерія - в фізичному розумінні - складається з молекул і атомів.

Запропонований Ейнштейном метод визначення розмірів молекул і його формула для броунівського руху дозволяють визначити число молекул. До цього фізики були змушені обходитися наближеними способами, запропонованими в 1865 році австрійським фізиком Лошмідт; тепер же завдяки дослідженням Ейнштейна вони могли оперувати точними математичними методами.

Поряд з чисто науковою цінністю дослідження Ейнштейна по тепловому руху мали велике теоретико-пізнавальне значення. Вони показали, що негативне або скептичне ставлення деяких дослідників природи до атомістичної теорії нічим не виправдане. Отримане Ейнштейном доказ правильності атомистических поглядів було настільки переконливим, що хімік Вільгельм Оствальд, який до цього разом з Ернстом Махом був затятим противником вчення про атомах, тепер, за його власними словами, "був звернений в атомну віру".

Вирішальний внесок, який Ейнштейн вніс у перемогу атомістики, слід вважати однією з його найбільших наукових заслуг. У цьому він є гідним наступником великих матеріалістів античності: Демокрита, Епікура і Лукреція.

Фрідріх Гернек, 1984 рік

Мал. 8. Броунівський рух

Атомно-молекулярне вчення мало величезне значення для хімії, яка завдяки йому стала швидко розвиватися і в короткий час досягла блискучих успіхів.

Однак в наприкінці XIXв., коли це вчення дало вже стільки цінних результатів виникло реакційний протягом, в корені заперечувало саме існування атомів і молекул. Під впливом ідеалістичної філософії в Німеччині з'явилася так звана «енергетична» школа хіміків, очолювана відомим ученим Оствальдом, в основу теоретичних поглядів якої було покладено абстрактне поняття енергії, не пов'язаної з матерією. Прихильники цієї школи вважали, що всі зовнішні явища можуть бути пояснені як процеси між енергіями, і категорично відкидали існування атомів і молекул, як недоступних безпосередньому чуттєвому сприйняттю частинок.

Енергетичне вчення Оствальда було однією з різновидів ідеалістичних філософських течій, спрямованихпроти матеріалізму в науці. Відриваючи енергію, т. Е. Рух від матерії, допускаючи існування нематеріального руху, послідовники Оствальда тим самим мовчазно визнавав, що наша свідомість, думка, відчуття існують самостійно, як щось первинне, не пов'язане з матерією. Хімічні елементи колись розглядали не як певні, а як різні формихімічної енергії.

Реакційна суть вчення Оствальда була блискуче розкрита В. І. Леніним в його праці «Матеріалізм і емпіріокритицизм». У гл. V цієї праці, кажучи про зв'язок філософського ідеалізму з деякими новими течіями в фізиці, Ленін зупиняється і на «філософії» Оствальда, доводить всю її неспроможність і неминучість її поразки в боротьбі з матеріалізмом.

«... спроба мислитирух без матерії, - пише Ленін, - протягує думка,відірвану від матерії, а це і є філософський ідеалізм ».

Ленін не тільки повністю розкрив ідеалістичну основу Оствальдовскіх міркувань, але і показав містяться в них внутрішні протиріччя. Висуваючи філософську ідею про існування руху без матерії, Оствальд відкидає об'єктивне існування матерії, але в же час як фізико-хімік сам на кожному кроці трактує енергію матеріалістично, спираючись на закон збереження і перетворення енергії. «Перетворення енергії, - констатує Ленін, - розглядається природознавством як об'єктивний процес, незалежний від свідомості людини і від досвіду людства, т. Е. Розглядається матеріалістично. І у самого Оствальда в масі випадків, навіть ймовірно у величезній більшості випадків, під енергією зрозуміло матеріальнерух ».

Незабаром нові вражаючі відкриття, якими ознаменувався початок XX в., Настільки незаперечно довели реальність атомів і молекул, що врешті-решт навіть Оствальд змушений був визнати їх існування.

з експериментальних досліджень, Присвячених питанню про існування атомів і молекул, особливий інтерес представляють роботи французького фізика Перрена по вивченню розподілу і руху частинок в так званих суспензіях.

Приготувавши суспензію, що містила частинки однакового розміру, видимі в мікроскоп, Перрен досліджував розподіленийня частинок в ній. В результаті численних дослідів, проведених з надзвичайною ретельністю, їм було доведено, що розподіл часток суспензії по висоті в точності відповідає закону зменшення концентрації газів з висотою, виведеному з кінетичної теорії газів. Таким чином, Перрен показав, що суспензії - це справжні моделі газів; отже, окремі молекули існують і в газах, тільки вони невидимі внаслідок їх малої величини.

Ще більш переконливими виявилися результати, отримані Перреном при спостереженні руху частинок суспензії.

При розгляді краплі рідини з зваженими в ній частками в сильний мікроскоп можна бачити, що частки не залишаються в спокої, але непреривно рухаються у всіляких напрямках. Рух частинок відрізняється крайньою беспорядочностью. Якщо простежити під мікроскопом шлях окремої частки, виходить дуже складна звивиста лінія, яка вказує на відсутність будь-якої закономірно-ти в русі частинок (рис. 8). Цей рух може тривати скільки завгодно часу, не слабшаючи і не змінюючи свого характеру.

Описується явище було відкрито в 1827 р англійським ботаніком Броуном і отримало назву броунівського руху. Однак пояснення йому було дано тільки в 60-х роках на основі молекулярно-кінетичних уявлень. Згідно з цим поясненням, причиною видимого руху частинок суспензії є невидиме теплове рух оточуючих їх молекул рідини. Поштовхи, одержувані частинками суспензії з усіх боків від молекул рідини, не можуть, звичайно, в точності врівноважувати один одного; в кожен момент рівновага порушується на користь того чи іншого напрямку, в результаті чого частинки і роблять свій химерний шлях.

Таким чином, вже самий факт існування броунівського руху свідчить про реальність молекул і дає картину їх безладного руху, так як зважені частинки в загальному повторюють ті ж рухи, що і молекули рідини. але Перренв своїх дослідженнях пішов ще далі: шляхом тривалих спостережень за рухом частинок під мікроскопом йому вдалося визначити середню швидкість переміщення частинок. Звідси, знаючи масу частинок приготовленої суспензії, Перрен обчислив їх середню кінетичну енергію. Результат вийшов вражаючий. Виявилося, що кінетична енергія частинок як раз відповідає кінетичної енергії молекул газу, обчисленої для тієї ж температури на підставі, кінетичної теорії. Частинки Перрена були приблизно в 10 12 разів важче молекул водню, кінетична ж енергія тих і інших однакова. Після встановлення цих фактів вже неможливо було заперечувати об'єктивну реальність молекул.

В даний час броунівський рух розглядається і як наслідок теплового руху молекул рідини і як самостійне тепловий рух частинок суспензії. Останні являють собою як би молекули-гіганти, які беруть участь в тепловому русі нарівні з невидимими молекулами рідини. ніякого принципової різниціміж тими і іншими не існує.

Досліди Перрена не тільки довели, що молекули дійсно існують, але і дали можливість розрахувати число молекул в одній граммолекуле газу. Це число, яке має, як ми знаємо, універсальне значення, отримало назву числа Авогадро. За обчисленнями Перрена, воно виявилося рівним приблизно 6,5 10 23, що дуже близько підходило до значень цієї величини, знайденим раніше іншими способами. Згодом число Авогадро багато разів визначалося зовсім різними фізичними методами, Причому результати завжди виходили дуже близькими. Такий збіг результатів свідчить про правильність знайденого числа і є незаперечним доказом реального існування молекул.

В даний час число Авогадро приймається рівним

6,02 10 23

Колосальна величина числа Авогадро виходить за межі нашої уяви. Певне уявлення про неї можна скласти тільки шляхом порівнянь.

Покладемо, наприклад, що 1 моль, т. Е. 18 г,води рівномірно розподілений по всій поверхні земної кулі. Простий підрахунок показує, що на кожен квадратний сантиметр поверхні припаде близько 100 000 молекул.

Наведемо ще інше порівняння. Припустимо, що нам вдалося якимось способом позначити всі молекули, що містяться в 18 г води. Якщо потім вилити цю воду в море і дочекатися, щоб вона рівномірно перемішалися з усіма водами земногокулі, зачерпнувши в будь-якому місці стакан води, ми знайдемо в ньому близько 100 відзначених нами молекул.

Мал. 9. Частинки диму окису цинку при збільшенні в 20 000 разів

Так як граммолекула будь-якого газу займає при нормальних умовах обсяг 22,4 л, то в 1 мл газу міститься при цих умовах 2,7 10 19 молекул. Якщо довести розрідження газу в якомусь посудині навіть до крайньої межі, якого дозволяють досягти найкращі насоси (приблизно до однієї десятимільярдної частки атмосфери), т. Е. Отримати те, що ми практично вважаємо «безповітряним простором», то все-таки в 1 см 3 цього простору молекул залишається значнобільше, ніж всіх людей на земній кулі. З цього можна судити, як незначні повинні бути розміри молекул і атомів, якщо настільки величезне число їх вміщується в 1 см 3.І тим не менше фізики різними способами вирахували ці розміри. Виявляється, що якщо уявити собі молекули у вигляді крихітних кульок, то діаметр їх буде вимірюватися стомільйонний частками сантиметра. Наприклад, діаметр молекули кисню дорівнює приблизно 3,2 10 -8 см,діаметр молекули водню 2,6 10 -8 смі діаметр атома водню 1 10 -8 см.

Для вираження таких малих величин дуже зручно прийняти за одиницю довжини одну стомільйонний частку сантиметра (10 -8 см). Ця одиниця була запропонована шведським фізиком Ангстрема для вимірювання довжин світлових хвиль і по його імені названаангстремом. Позначається вона символом А чи А. Лінійні розміри атомів і молекул виражаються зазвичай декількома Ангстрема.

Знаючи число молекул в одній граммолекуле, а отже, й число атомів в одному грамматоме, можна розрахувати вагу атома будь-якого елемента в грамах. Наприклад, розділивши граммат водню на число Авогадро, отримаємо вагу атома водню в грамах: