Вещество состоит из частиц.
Молекула - это самая маленькая частица вещества, которая обладает его основными химическими свойствами.
Молекула состоит из атомов. Атом - наименьшая частица вещества, которая не делится при химических реакциях.
Многие молекулы состоят из двух или больше атомов, удерживаемых вместе химическими связями. Некоторые молекулы состоят из сотен тысяч атомов.
Второе положение молекулярно-кинетической теории
Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Это движение не зависит от внешних воздействий. Движение происходит в непредсказуемом направлении из-за столкновения молекул. Доказательством является броуновское движение частиц (открыто Р.Броуном 1827г). Частицы помещают в жидкость или газ и наблюдают их непредсказуемое движение из-за соударений с молекулами вещества.
Броуновское движение
Доказательством хаотического движения является диффузия - проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества. Например, запах освежителя воздуха мы ощущаем не только в том месте, где его распылили, но он постепенно перемешивается с молекулами воздуха во всей комнате.
Агрегатное состояние вещества
В газах среднее расстояние между молекулами в сотни раз превышает их размеры. В основном молекулы движутся поступательно и равномерно . После столкновений начинают вращаться.
В жидкостях расстояние между молекулами значительно меньше. Молекулы совершают колебательное и поступательное движения. Молекулы через малые промежутки времени скачкообразно переходят в новые положения равновесия (мы наблюдаем текучесть жидкости).
В твердых телах молекулы колеблются и очень редко перемещаются (только при увеличении температуры).
Третье положение молекулярно-кинетической теории
Между молекулами существуют силы взаимодействия, которые имеют электромагнитную природу . Эти силы позволяют объяснить возникновение сил упругости . Когда вещество сжимают, молекулы сближаются, между ними возникает сила отталкивания, когда внешние силы отдаляют молекулы друг от друга (растягивают вещество), между ними возникает сила притяжения.
Плотность вещества
Это скалярная величина, которая определяется по формуле
Плотность веществ - известные табличные значения
Химические характеристики вещества
Постоянная Авогадро N A - число атомов, содержащихся в 12г изотопа углерода
МКТ - это просто!
«Ничто не существует, кроме атомов и пустого пространства …» - Демокрит
«Любое тело может делиться до бесконечности» - Аристотель
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ)
Цель МКТ
- это объяснение строения и свойств различных макроскопических тел и тепловых явлений, в них протекающих, движением и взаимодействием частиц, из которых состоят тела.
Макроскопические тела
- это большие тела, состоящие из огромного числа молекул.
Тепловые явления
- явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел.
Основные утверждения МКТ
1. Вещество состоит из частиц (молекул и атомов).
2. Между частицами есть промежутки.
3. Частицы беспорядочно и непрерывно движутся.
4. Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).
Подтверждение МКТ:
1. экспериментальное
- механическое дробление вещества; растворение вещества в воде; сжатие и расширение газов; испарение; деформация тел; диффузия; опыт Бригмана: в сосуд заливается масло, сверху на масло давит поршень, при давлении 10 000 атм масло начинает просачиваться сквозь стенки стального сосуда;
Диффузия; броуновское движение частиц в жидкости под ударами молекул;
Плохая сжимаемость твердых и жидких тел; значительные усилия для разрыва твердых тел; слияние капель жидкости;
2. прямое
- фотографирование, определение размеров частиц.
Броуновское движение
Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных частиц в жидкости (или газе).
Броуновское движение стало доказательством непрерывного и хаотичного (теплового) движения молекул вещества.
- открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г.
- дано теоретическое объяснение на основе МКТ А. Эйнштейном в 1905 г.
- экспериментально подтверждено французским физиком Ж. Перреном.
Масса и размеры молекул
Размеры частиц
Диаметр любого атома составляет около см.
Число молекул в веществе
где V - объем вещества, Vo - объем одной молекулы
Масса одной молекулы
где m - масса вещества,
N - число молекул в веществе
Единица измерения массы в СИ: [m]= 1 кг
В атомной физике массу обычно измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.).
Условно принято считать за 1 а.е.м. :
Относительная молекулярная масса вещества
Для удобства расчетов вводится величина - относительная молекулярная масса вещества.
Массу молекулы любого вещества можно сравнить с 1/12 массы молекулы углерода.
где числитель - это масса молекулы, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода
Это величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения
Относительная атомная масса химического элемента
где числитель - это масса атома, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода
Величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения
Относительная атомная масса каждого химического элемента дана в таблице Менделеева.
Другой способ определения относительной молекулярной массы вещества
Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс химических элементов, входящих в состав молекулы вещества.
Относительную атомную массу любого химического элемента берем из таблицы Менделеева!)
Количество вещества
Количество вещества (ν) определяет относительное число молекул в теле.
где N - число молекул в теле, а Na - постоянная Авогадро
Единица измерения количества вещества в системе СИ: [ν]= 1 моль
1 моль - это количество вещества, в котором содержится столько молекул (или атомов), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.
Запомни!
В 1 моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул!
Но!
Одинаковые количества вещества для разных веществ имеют разную массу!
Постоянная Авогадро
Число атомов в 1 моле любого вещества называют числом Авогадро или постоянной Авогадро:
Молярная масса
Молярная масса (M) - это масса вещества, взятого в одном моле, или иначе - это масса одного моля вещества.
Масса молекулы
- постоянная Авогадро
Единица измерения молярной массы: [M]=1 кг/моль.
Формулы для решения задач
Эти формулы получаются в результате подстановки вышерассмотренных формул.
Масса любого количества вещества
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Уравнение, положенное в основу молекулярно-кинетической теории, связывает макроскопические величины, описывающие (например, давление) с параметрами его молекул (их и скоростями). Это уравнение имеет вид:
Здесь – масса газовой молекулы, – концентрация таких частичек в единице объема, – усреднённый квадрат скорости молекул.
Основное уравнение МКТ наглядно объясняет, каким образом идеальный газ создает на окружающие его стенки сосуда. Молекулы все время ударяются о стенку, воздействуя на нее с некоторой силой F. Тут следует вспомнить : когда молекула ударяется о предмет, на нее действует сила -F, вследствие чего молекула «отбивается» от стенки. При этом мы считаем соударения молекул со стенкой абсолютно упругими: механическая энергия молекул и стенки полностью сохраняется, не переходя во . Это значит, что при соударениях изменяются только молекул, а нагревания молекул и стенки не происходит.
Зная, что соударение со стенкой было упругим, мы можем предсказать, как изменится скорость молекулы после столкновения. Модуль скорости останется таким же, как и до соударения, а направление движения изменится на противоположное относительно оси Ох (считаем, что Ох – это та ось, которая перпендикулярна стенке).
Молекул газа очень много, движутся они хаотично и о стенку ударяются часто. Найдя геометрическую сумму сил, с которой каждая молекула воздействует на стенку, мы узнаём силу давления газа. Чтобы усреднить скорости молекул, необходимо использовать статистические методы. Именно поэтому в основном уравнении МКТ используют усредненный квадрат скорости молекул , а не квадрат усредненной скорости : усредненная скорость хаотично движущихся молекул равна нулю, и в этом случае никакого давления мы бы не получили.
Теперь ясен физический смысл уравнения: чем больше молекул содержится в объеме, чем они тяжелее и чем быстрее движутся – тем большее давление они создают на стенки сосуда.
Основное уравнение МКТ для модели идеального газа
Следует заметить, что основное уравнение МКТ выводилось для модели идеального газа с соответствующими допущениями:
- Соударения молекул с окружающими объектами абсолютно упругие. Для реальных же газов это не совсем так; часть молекул всё-таки переходит во внутреннюю энергию молекул и стенки.
- Силами взаимодействия между молекулами можно пренебречь. Если же реальный газ находится при высоком давлении и сравнительно низкой температуре, эти силы становятся весьма существенными.
- Молекулы считаем материальными точками, пренебрегая их размером. Однако размеры молекул реальных газов влияют на расстояние между самими молекулами и стенкой.
- И, наконец, основное уравнение МКТ рассматривает однородный газ – а в действительности мы часто имеем дело со смесями газов. Как, например, .
Однако для разреженных газов это уравнение дает очень точные результаты. Кроме того, многие реальные газы в условиях комнатной температуры и при давлении, близком к атмосферному, весьма напоминают по свойствам идеальный газ.
Как известно из законов , кинетическая энергия любого тела или частицы . Заменив произведение массы каждой из частичек и квадрата их скорости в записанном нами уравнении, мы можем представить его в виде:
Также кинетическая энергия газовых молекул выражается формулой , что нередко используется в задачах. Здесь k – это постоянная Больцмана, устанавливающая связь между температурой и энергией. k=1,38 10 -23 Дж/К.
Основное уравнение МКТ лежит в основе термодинамики. Также оно используется на практике в космонавтике, криогенике и нейтронной физике.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определить скорость движения частиц воздуха в нормальных условиях. |
| Решение | Используем основное уравнение МКТ, считая воздух однородным газом. Так как воздух на самом деле – это смесь газов, то и решение задачи не будет абсолютно точным.
Давление газа:
Можем заметить, что произведение – это газа, так как n – концентрация молекул воздуха (величина, обратная объему), а m – масса молекулы. Тогда предыдущее уравнение примет вид: В нормальных условиях давление равно 10 5 Па, плотность воздуха 1,29кг/м 3 – эти данные можно взять из справочной литературы. Из предыдущего выражения получим молекул воздуха:
|
| Ответ | м/с |
ПРИМЕР 2
| Задание | Определить концентрацию молекул однородного газа при температуре 300 К и 1 МПа. Газ считать идеальным. |
| Решение | Решение задачи начнём с основного уравнения МКТ:  , как и любых материальных частичек: . Тогда наша расчетная формула примет несколько другой вид:
|
Основные положения МКТ:
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.
Идеальный газ - это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.
Основные отличия идеального газа от реального: частицы идеального газа - шарики очень малых размеров, практически материальные точки; между частицами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия; соударения частиц абсолютно упругие. Реальный газ - газ, который не описывается уравнением состояния идеального газа Клапейрона - Менделеева. Зависимости между его параметрами показывают, что молекулы в реальном газе взаимодействуют между собой и занимают определенный объем. Состояние реального газа часто на практике описывается обобщенным уравнением Менделеева - Клапейрона.
2 Параметры и функции состояния. Уравнение состояния идеального газа.
Параметры:
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней.
Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул.
Удельный объем v - это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем v, то по определению v= V/М. В системе СИ единица удельного объема 1 м3/кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния
уравнение Клапейрона - Менделеева
3 Смеси газов. Кажущаяся молекулярная масса. Газовая постоянная смеси газов.
Смесь газов – механическое соединение не вступающих друг с другом химическую реакцию газов. Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее компонентов:Парциальное давление pi - давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объем смеси. Газовую постоянную смеси определяют как:,- кажущаяся (средняя) молекулярная масса смеси. При объемном составе, при массовом составе:.-универсальная газовая постоянная.
4 Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, записанный с помощью термодинамических понятий (аналитическая формулировка: вечный двигатель 1 рода невозможен):
Энергия. Под внутренней энергией в термодинамике понимают кинетическую энергию движения молекул, потенциальную энергию их взаимодействия и нулевая (энергея движения частиц внутри молекулы при T=0K). Кинетическая энергия молекул является функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема V, т. е. является функцией V. Поэтому внутренняя энергия U есть функция состояния тела.
Теплота. Энергия, предаваемая от одного тела к другому за счет разности температур, называется теплотой. Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводностью, конвекцией), либо на расстоянии (излучением), причем во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур между телами.
Работа. Энергия, передаваемая от одного тела к другому при изменении объема этих тел или перемещение в пространстве, называется работой. При конечном изменении объема работа против сил внешнего давления, называемая работой расширения, равна Работа изменения объема эквивалентна площади под кривой процесса в диаграмме р, v.
Внутренняя энергия - это свойство самой системы, она характеризует состояние системы. Теплота и работа - это энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействий системы с окружающей средой. Они характеризуют те количества энергии, которые переданы системе или отданы ею через ее границы в определенном процессе.
Нас окружают разнообразные предметы. Мы можем увидеть, что это либо твердые тела, либо жидкости, либо газы. Возникает масса вопросов обо всем, что нас окружает. Ответы на многие вопросы дает молекулярно-кинетическая теория .
Молекулярно-кинетическая теория – это совокупность воззрений, используемых для описания наблюдаемых и измеряемых свойств вещества на основе изучения свойств атомов и молекул данного вещества, их взаимодействия и движения.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Все тела состоят из частиц – атомов, молекул, ионов.
Все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.
Таким образом, в молекулярно-кинетической теории объектом исследования является система, состоящая из большого количества частиц – макросистема . Для объяснения поведения такой системы законы механики не применимы. Поэтому основным методом исследования является статистический метод изучения свойств вещества.
Для объяснения и предсказания явлений важно знать основные характеристики молекул :
- Размеры
Оценка размера молекулы может быть сделана как размер кубика a в котором содержится одна молекула, исходя из плотности твердых или жидких веществ и массы одной молекулы:
- Масса молекул
Отношение массы вещества m к числу молекул N в данном веществе:
- Относительная молекулярная масса
Отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:
- Количество вещества
Количество вещества равно отношению числа частиц N в теле (атомов – в атомарном веществе, молекул – в молекулярном) к числу молекул в одном моле веществаN А:
- Постоянная Авогадро
Количество молекул, содержащихся в 1 моль вещества.
- Молярная масса
Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля.
В Международной системе единиц молярная масса вещества выражается в кг/моль .
- Взаимодействие (количественно на основе опытов)
Для взаимодействия молекул характерно одновременно и притяжение, и отталкивание: на расстояниях r
Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. С точки зрения МКТ агрегатные состояния различаются по значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга .
Основные положения молекулярно-кинетической теории неоднократно подтверждались различными физическими экспериментами. Например, исследованием:
А) Диффузии
Б) Броуновского движения
Краткие итоги
Молекулярно-кинетическая теория объясняет строение и свойства тел на основе движения и взаимодействия атомов, молекул и ионов. В основе МКТ лежат три положения , которые полностью подтверждены экспериментально и теоретически:
1) все тела состоят из частиц – молекул, атомов, ионов;
2) частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении;
3) между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.
Молекулярное строение вещества подтверждается непосредственным наблюдением молекул в электронных микроскопах, а также растворением твердых веществ в жидкостях, сжимаемостью и проницаемостью вещества. Тепловое движение – броуновским движением и диффузией. Наличие межмолекулярного взаимодействия прочностью и упругостью твердых тел, поверхностным натяжением жидкостей.
Опорный конспект к уроку:
Вопросы для самоконтроля по блоку «Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование»
- Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории.
- Какие наблюдения и эксперименты подтверждают основные положения молекулярно-кинетической теории?
- Что такое молекула? атом?
- Что называют относительной молекулярной массой? Какая формула выражает это понятие?
- Что называют количеством вещества? Какая формула выражает это понятие? Какова единица количества вещества?
- Что называют постоянной Авогадро?
- Что такое молярная масса вещества? Какая формула выражает смысл этого понятия? Какова единица молярной массы?
- Какова природа межмолекулярных сил?
- Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодействия?
- Как силы взаимодействия зависят от расстояния между ними?
- Опишите характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
- Каков характер упаковки частиц у газов, жидкостей и твердых тел?
- Каково среднее расстояние между молекулами у газов, жидкостей и твердых тел?
- Перечислите основные свойства газов, жидкостей, твердых тел.
- Что называют броуновским движением?
- О чем свидетельствует броуновское движение?
- Что называют диффузией? Приведите примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах.
- 18. Как зависит скорость диффузии от температуры тел?