Кикоин А.К. Простой способ определения размеров молекул // Квант. - 1983. - № 9. - C.29-30.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
В молекулярной физике главные «действующие лица» - это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности каковы их размеры.
Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул значит знать их радиус.
Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В «Физике 9» рассказывается о двух из них. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. В другом размер частицы определяется с помощью сложного прибора - ионного проектора.
Существует, однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусов молекул (или атомов) Он основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N .
Число молекул в теле массой m равно, как известно, \(~N_a \frac{m}{M}\), где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства
\(~V_0 = \frac{V}{N} = \frac{V M}{m N_A}\) .
В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение \(~\frac{m}{V} = \rho\) есть плотность вещества, так что
\(~V_0 = \frac{M}{\rho N_A}\) .
Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.
\(~\frac{4}{3} \pi r^3 = \frac{M}{\rho N_A}\) .
откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:
\(~r = \sqrt {\frac{3M}{4 \pi \rho N_A}} = \sqrt {\frac{3}{4 \pi N_A}} \sqrt {\frac{M}{\rho}}\) .
Первый из этих двух корней - постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r ринимает вид
\(~r \approx 7,4 \cdot 10^{-9} \sqrt {\frac{M}{\rho}} (m)\) .
Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен r В ≈ 1,9 · 10 -10 м.
Описанный способ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарики нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул- шариков были бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.
Понятно, что мы не сможем непосредственно измери ть такую малую частичку вещества. Мы проведем опыт, из которого путем простых расчетов можно определить размер молекул. Вы, конечно, видели на поверхности воды тонкие цветные пленки, образуемые нефтепродуктами (смазочные масла, дизельное топливо и т. п.). Цвет тонких пленок возникает из-за наложения световых лучей, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки - такое явление называется интерференцией света. ПотоЙ же причине переливаются всеми цветами радуги мыльные пузыри.
Явление интерференции вы будете изучать на уроках физики. А сейчас нас интересует толщина пленки - !зы никогда не задумывались, насколько она ййїкіія? Определить толщину пленки очень просто: надо ее объем разделить на площадь поверхности. Еще древние мореплаватели заметили, что если на поверхность воды вылить растительное масло, то оно растечется очень большим пятном (тогда же появилось довольно странное мнение о том, что таким способом можно «утихомирить» море во время бури). Вероятно, впервые измерил площадь масляного пятна на воде выдающийся американский ученый и дипломат Бенджамин Франклин (1706- 1790), изображение которого красуется на стодолларовой купюре. Его самое знаменитое изобретение - громоотвод (вернее, молниеотвод). В 1774 году Франклин поехал в Европу, чтобы уладить очередной конфликт между Англией и США. В свободное от переговоров время он экспериментировал с масляными пленками на поверхности воды. К его удивлению, одна ложка растительного масла растеклась по всей поверхности небольшого пруда. Если же налить па воду не растительное, а невязкое машинное масло, пятно от него будет не таким большим: одна капля дает круг диаметром около 20 см. Площадь такой пленки равна примерно 300 см3, объем одной капли - около 0,03 см3. Следовательно, толщина пленки равна 0,03 см1 / 300 см3 = 0,0001 см = 0,001 мм - 1 мкм. Тысячная доля миллиметра - это очень малая величина, не во всякий микроскоп разглядишь час тичку такого размера.
Но есть ли у нас гарантия, что молекулы машинного масла растеклись по воде в один слой? Ведь только в этом случае толщина пленки будет соответствовать размеру молекул. Такой гарантии у нас нет, и вот почему. Молекулы, входящие в состав машинного масла, называют гидрофобными (в переводе с греческого «гидрофобные» - «боящиеся воды»). Они довольно хорошо «сцепляются» между собой, очень неохотно - с молекулами воды. Если вещество, подобное машинному маслу, налить на поверхность воды, оно образует на ней довольно толстую (по молекулярным меркам) пленку, состоящую из сотен и даже тысяч молекулярных слоев. Помимо того, что подобные расчеты любопытны и сами по себе, они имеют большое практическое значение. Например, по сей день не удается избежать аварий огромных танкеров, перевозящих нефть за тысячи километров от места ее добычи. В результате такой аварии в море может вылиться огромное количество нефти, что губительно скажется на живых организмах. Нефть более вязкая по сравнению с машинным маслом, поэтому ее пленка на водной поверхности может оказаться несколько толще. Так, в одной из аварий вылилось 120 000 тонн нефти, которая покрыла площадь 500 км3. Как показывает несложный расчет, средняя толщина такой пленки равна 200 мкм. Толщина пленки зависит как от сорта нефти, так и от температуры воды: в холодных морях, где нефть делается более густой, пленка толще, в теплых морях, где нефть становится менее вязкой, - тоньше. Но в любом случае авария большого танкера, когда в море попадают десятки тысяч тонн нефти, - это катастрофа. Ведь если вся пролитая нефть растечется тонким слоем, то образуется пятно огромной площади, и ликвидировать такую пленку чрезвычайно трудно.
А можно ли заставить вещество растекаться по воде так, чтобы образовался всего один слой молекул (такая пленка называется мономолекулярной)? Оказывается, это возможно, только вместо машинного масла или нефти надо взять другое вещество. Молекулы такого вещества должны на одном конце иметь гак называемую гидрофильную (т. е. «водолюбивую») группу атомов, а на другом конце - гидрофобную. Что будет, если вещество, состоящее из таких молекул, поместить на поверхность воды? Гидрофильная часть молекул, стремясь раствориться в воде, будет тянуть молекулу в воду, тогда как гидрофобная часть, которая воды «боится», будет упорно избегать контакта с водой. В результате такого взаимного «непонимания» молекулы (если их слегка «поджать» сбоку с помощью планочки) выстроятся па поверхности воды так, как показано нарис. 3.1: их гидрофильные концы утоплены в воду, а гидрофобные торчат наружу.
\6666666666Ы/
Рис. 3.1. Так ориентируются на границе вода-воздух молекулы поверхностно-активных веществ, образуя «частокол Ленгмюра» - по имени американского химика и физика Ирвинга Ленгмюра (1881-1957), который в 1916 году создал теорию строения таких слоев на поверхности жидкостей
Вещества, которые ведут себя таким образом, называют поверхностно-активными. К ним относятся, например, мыло и другие моющие средства; олеиновая кислота, входящая в состав подсолнечного масла; паль-митиновый спирт, который входит в состав пальмового масла и китового жира. Растекание таких веществ по поверхности воды дает значительно более тонкие пленки, чем машинное масло. Это явление было известно давно, подобные опыты проводили еще в XVIII веке. Нотолько в конце XIX - начале XX столетия в результате экспериментов, проведенных английским физиком Джоном Уильямом Рэлеем (1842-1919), немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рент- геном (1845-1923) и рядом других ученых, было показано, что толщина пленки может достигать таких малых размеров, которые сопоставимы с размерами отдельных молекул.
В одном из таких опытов английский химик НеЙл Кенсингтон Адам Размеры порядка I нм имеют большинство молекул и ионов знакомых нам веществ. Так, диаметр молекул водорода равен примерно 0,2 нм, иода - 0,5 нм, этилового спирта - 0,4 нм; радиус ионов алюминия - 0,06 нм, натрия - 0,10 нм, к&чия - 0,13 нм, хлора - 0,18 нм, иода - 0,22 нм. Но есть среди молекул и гиганты, размеры которых, по молекулярным меркам, поистине астрономические. Так, в ядрах клеток высших животных и растений находятся молекулы наследственности - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Их длина может превышать 2 000 000 нм, т. е. 2 мм!
В заключение этого раздела - небольшой рассказ о том, какой остро- умный (хотя и не самый точный) метод использовал в 1908 году французский ученый Жан Перрен, чтобы «взвесить» молекулы. Как известно, плотность воздуха уменьшается с высотой. Еще в начале XIX века французский ученый Пьер Лаплас вывел формулу, позволяющую рассчитать давление на разных высотах. В соответствии с этой формулой атмосферное давление падает вдвое при подъеме на каждые 6 км. Это значение зависит, конечно, от силы земного притяжения, а также от массы молекул воздуха. Если бы воздух состоял не из азота и кислорода, а из очень легких молекул водорода (они в 16 раз легче молекул кислорода), то падение атмосферного давления вдвое наблюдалосьбы на высоте не 6 км, а примерно в 16 раз больше, т. е. около 100 км. И наоборот, если бы молекулы были очень тяжелые, атмосфера была бы «прижата» к поверхности Земли и давление быстро падало бы с высотой.
Рассуждая таким образом. Перрен решил вместо молекул использовать крошечные шарики краски гуммигута, взвешенные в воде. Он постарался приготовить взвесь (эмульсию) с одинаковыми по размеру шариками - около 1 мкм в диаметре. Затем он поместил капельку эмульсии под микроскоп и, перемещая винт микроскопа по вертикали, считал число шариков гуммигута на разных высотах. Оказалось, что формула Лапласа вполне применима и к эмульсиям: при подъеме на каждые 6 мкм число шариков в поле зрения уменьшалось в два раза. Поскольку 6 км ровно в миллиард раз больше 6 мкм, Перрен сделал вывод, что во столько же раз молекулы кислорода и азота легче шариков гуммигута (а их массу уже можно определить экспериментально).
Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: мы не наблюдаем этих отдельных частиц, тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. М. В. Ломоносов в одной из своих работ писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Итак, причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.
В лучший оптический микроскоп, который дает возможность различать предметы, размеры которых не меньше , рассмотреть отдельные молекулы, даже самые крупные, нельзя. Однако целый ряд косвенных методов позволил не только надежно доказать существование молекул и атомов, но даже установить их размеры. Так, размер атома водорода можно считать равным ; длина молекулы водорода, т. е. расстояние между центрами двух атомов, ее составляющих, равна . Существуют более крупные молекулы, например молекулы белка (альбумин) имеют размеры . В последние годы благодаря устройству специального прибора, позволяющего исследовать объекты чрезвычайно малых размеров, - электронного микроскопа - оказалось возможным сфотографировать не только крупные молекулы, но и атомы.
О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно судить и без измерений, исходя из возможности получать очень малые количества разных веществ. Разведя чернил (например, зеленых) в литре чистой воды, а затем разведя этого раствора еще раз в литре воды, мы получим разведение в раз. И все же мы увидим, что последний раствор имеет заметную зеленую окраску и вместе с тем вполне однороден. Следовательно, в самом малом объеме, который еще может различить глаз, даже при таком разведении находится очень много молекул красящего вещества, Это показывает, как малы эти молекулы.
Золото можно расплющивать в листки толщины , а обрабатывая такие листки водным раствором цианистого калия, можно получать листки золота толщины . Следовательно, размер молекулы золота значительно меньше одной сотой доли микрометра.
На рисунках мы будем изображать молекулы в виде шариков. Однако молекулы (а также, как увидим дальше, и атомы) имеют строение, различное у разных веществ, часто довольно сложное. Известны, например, форма и строение не только таких простых «молекул, как и (рис. 370), но и несравненно более сложных, содержащих многие тысячи атомов.
Рис.. 370. Схемы строения молекул воды (а) и углекислого газа (б)
ГЛАВА 4. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ КЛАСС О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Решение задач по данной теме должно помогать формированию у учащихся первоначальных понятий о молекулярном строении веществ.
В задачах необходимо рассмотреть прежде всего такие факты, научное объяснение которых неизбежно приводит к представлениям о том, что тела состоят из мельчайших частиц - молекул.
Далее следует решить ряд задач, дающих понятие о размерах молекул, а также их свойствах, движении и взаимодействии. Из-за недостаточной математической подготовки учащихся большинство задач должны быть качественными.
Значительное внимание необходимо уделить также экспериментальным задачам. Несложные экспериментальные задачи учащиеся могут выполнять и в домашних условиях.
Полученные сведения о молекулярном строении веществ затем используют для объяснения различия между твердым, жидким и газообразным состояниями вещества.
1. Существование молекул. Размеры молекул
Первоначальное понятие о молекулах и их размерах полезно уточнить и углубить с помощью задач, в которых даны фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа.
Решение задач, показывающих сложное строение молекул, необязательно. Но в ознакомительном плане, особенно в сильных по успеваемости классах, можно рассмотреть 2-3 задачи, показывающие, что молекулы сложных веществ состоят из более мелких частиц - атомов.
Наряду с качественными можно дать задачи на несложные расчеты абсолютных и относительных размеров молекул.
43. На рисунке 11 показана фотография частицы твердого тела, полученная с помощью электронного микроскопа. Какой
Рис. 11. (см. скан)
вывод можно сделать на основе этой фотографии о строении твердого тела? Пользуясь указанным на фотографии масштабом, определите размер одной частички - молекулы.
Решение. Внимание обращают на то, что все молекулы одинаковы, расположены в твердом теле в определенном порядке и имеюг такую плотную упаковку, что между ними остаются только незначительные промежутки.
Для определения диаметра молекул подсчитывают их число (50) на указанном расстоянии 0,00017 см, и, вычисляя, находят, что диаметр молекулы равен примерно 0,000003 см.
Нужно сказать учащимся, что это гигантская молекула. Молекула воды, например, имеет поперечник примерно в сто раз меньше.
44. Оптический микроскоп позволяет различить объекты размером около 0,00003 см. Можно ли в такой микроскоп увидеть капельку воды, по диаметру которой укладывается сто, тысяча, миллион молекул? Диаметр молекулы воды равен примерно
Следовательно, в оптический микроскоп можно увидеть только такую капельку воды, диаметр которой не менее чем в 1000 раз больше диаметра молекулы воды. Сами же молекулы воды нельзя увидеть в оптический микроскоп.
45. Число молекул в воздуха при нормальном давлении и 0°С составляет . Считая, что диаметр одной молекулы газа равен примерно 0,00000003 см, подсчитайте, какой длины получились бы «бусы», если бы все эти молекулы можно было плотно нанизать на невидимую нить.
Ответ. 8 млн. км.
46 (э). Опустите в воду вверх дном две пробирки и поместите в них оголенные провода, присоединенные к полюсам батарейки Пронаблюдайте за пузырьками газов и исследуйте их состав с помощью тлеющей лучинки. Откуда появились газы?
Решение. По яркому горению лучинки в одной пробирке и вспышке в другой заключают, что в одной пробирке находился кислород, а в другой - водород.
Поясняют, что газы появились при разложении молекулы воды. Следовательно, свойства молекулы при ее делении на более мелкие части не сохраняются. Учащимся можно сообщить, что вода разлагается на кислород и водород также при нагревании водяного пара до очень высокой температуры.
Хотелось бы рассказать о важных вещах, которые редко разъясняются на сайтах компаний, реализующих очистительные системы, а ведь гораздо приятнее понимать, о чем идет речь, выбирая фильтр для своей семьи или на работу. В этом обзоре представлены некоторые важные аспекты, которые нужно учитывать при выборе фильтра.
Что такое микрон и нанометр?
Если Вы искали фильтр для воды, то скорее всего сталкивались с названием "микрон". Когда речь идет о механических картриджах, часто можно увидеть такие фразы, как "блок фильтрует грубые частички загрязнений размерами до 10 микрон и более". Но сколько же это - 10 микрон? Хотелось бы знать, какие загрязнения и примести картридж, рассчитанный на 10 микрон, пропустит. Касательно мембран (будь то проточный фильтр или обратный осмос) используется другой термин - нанометр, тоже сложный для представления размер. Один микрон - это 0,001 миллиметра, то есть если условно разделить один миллиметр на 1000 делений, то как раз получим 1 микрон. Нанометр - это 0,001 микрона, то есть по сути одна миллионная миллиметра. Названия «микрон» и «нанометр» придуманы для упрощения представления столь малых чисел.
Микроны чаще всего используются для представления глубины фильтрации, производимой полипропиленовыми или угольными картриджами, нанометры - для представления уровня фильтрации, производимой ультрафильтрационными или обратноосмотическими мембранами.
Чем отличаются фильтры для воды ?
Существует 3 основных типа фильтров: проточные, проточные с ультрафильтрационной мембраной (мембранные) и фильтры обратного осмоса. В чем главное различие этих систем? Проточный фильтр можно считать базовой очисткой, так как он редко очищает воду до состояния питьевой - то есть в отличие от двух других типов фильтров, после проточного воду нужно кипятить перед употреблением (исключением являются системы, содержащие материал Арагон, Аквален и Ecomix). Мембранные фильтры - фильтры с ультрафильтрационной мембраной очищают воду от всех типов загрязнений, однако оставляют нетронутым солевой баланс воды - то есть в воде остается естественный кальций, магний и другие минералы. Обратноосмотическая система очищает воду полностью, включая минералы, бактерии, соли - на выходе фильтра вода содержит, как ни странно, исключительно молекулы воды.
Хлор - самый хитрый из загрязнителей воды
Обычно, чтобы очистить воду от загрязнителя мембранной системой, поры мембраны должны быть меньше, чем размеры элемента. Однако это не работает с хлором, так как размеры его молекулы равны размерам молекулы воды и если сделать поры мембраны меньше, чем размеры хлора - то и вода тоже пройти не сможет. Вот такой парадокс. Поэтому все обратноосмотические системы в составе предфильтров и в качестве постфильтра имеют угольные картриджи, которые тщательно очищают хлор из воды. Причем заметьте, так как главная "головная боль" украинской воды - это именно хлор, если Вы хотите купить обратный осмос, стоит подбирать систему с двумя угольными картриджами в предфильтре - это говорит о качестве очистки.
Надеемся представленная информацию стала полезной для Вас. Больше информации можно найти на сайте