1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлении о частицах и их движении. Она позволяет объяснять наблюдаемые явления через поведение очень маленьких частиц. С её помощью связывают свойства вещества с тем, как устроены и взаимодействуют его молекулы.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы могут состоять из одного или нескольких атомов, но в этой теме важно прежде всего их поведение как частиц вещества. Это понятие нужно, чтобы описывать состав вещества и объяснять, как оно перемешивается с другими веществами.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. «Хаотическое» означает, что частицы движутся в разных направлениях, а их движение не организовано в общий поток. Понятие помогает объяснить диффузию и изменение свойств вещества при нагревании.

Броуновское движение — беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызываемое ударами молекул среды. Сама видимая частица значительно крупнее молекул, но её перемещения показывают действие невидимых частиц. Поэтому наблюдение броуновского движения помогает судить о движении молекул.

Как это устроено

Обычное тело кажется сплошным, потому что его частицы очень малы, а расстояния между ними нельзя различить глазом. Однако впечатление сплошности не означает, что вещество непрерывно: оно состоит из отдельных молекул и атомов. На существование частиц указывают, например, сжимаемость газов и диффузия. Газ можно сжать, потому что между его частицами есть промежутки, а смешивание веществ показывает, что частицы способны перемещаться.

Молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. В газе они свободно перемещаются между столкновениями, а в жидкости могут переходить с места на место; в твёрдом теле частицы в основном колеблются около устойчивых положений. Поэтому запах духов постепенно распространяется по комнате, даже если воздух кажется неподвижным: молекулы пахучего вещества перемешиваются с молекулами воздуха. Такое взаимное проникновение веществ называют диффузией.

Броуновское движение можно увидеть, если наблюдать под микроскопом мельчайшие частицы, взвешенные в воде. Они движутся беспорядочно, хотя жидкость в целом может казаться неподвижной. Причина в том, что молекулы воды непрерывно ударяют по взвешенной частице с разных сторон, причём удары не уравновешиваются каждое мгновение. Движение крупной частицы становится видимым свидетельством движения гораздо более мелких молекул.

Частицы вещества не только движутся, но и взаимодействуют. Когда они находятся на некотором расстоянии, заметно притяжение, которое помогает удерживать частицы рядом и объясняет, например, слипание капель. При сильном сближении начинает преобладать отталкивание: оно не даёт частицам бесконечно сблизиться. Разное соотношение этих сил связано с тем, что твёрдые тела сохраняют форму, а поверхности жидкостей проявляют упругость и поверхностное натяжение.

Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц: при нагревании оно обычно становится интенсивнее. Более подвижные частицы быстрее перемещаются и чаще оказываются в новых местах, поэтому диффузия идёт быстрее. Например, краситель быстрее распространяется в тёплой воде, чем в холодной. Нагревание не создаёт движение частиц, а меняет его интенсивность.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

Сначала определите, какое положение или явление описано в первой колонке, а затем найдите соответствующее ему подтверждение. Примеры показывают, как общие идеи МКТ проявляются в повседневных наблюдениях. Одна и та же опытная картина иногда подтверждает сразу несколько положений, поэтому сопоставляйте её с содержанием всей строки.

Разбор задач

Почему запах духов распространяется по комнате?

Условие. Запах духов постепенно ощущается в разных местах комнаты, хотя заметного движения воздуха нет. Нужно объяснить, почему запах распространяется. Будем считать, что духи испаряются и их молекулы попадают в воздух.

1. Выделим частицы, которые перемещаются: это молекулы пахучего вещества, смешивающиеся с молекулами воздуха. Они не остаются на месте даже тогда, когда воздух в целом кажется неподвижным.
2. Свяжем их перемещение с тепловым движением: молекулы движутся хаотично и сталкиваются друг с другом. Поэтому молекулы духов постепенно оказываются всё дальше от места испарения.
3. Назовём наблюдаемое явление диффузией — взаимным проникновением частиц разных веществ. Она происходит постепенно, а не переносит весь запах мгновенно.

Ответ: молекулы духов хаотически движутся и перемешиваются с молекулами воздуха, поэтому запах распространяется по комнате даже без заметного воздушного потока.

Где быстрее растворится кристаллик марганцовки?

Условие. В холодную и горячую воду одновременно опустили одинаковые кристаллики марганцовки. Нужно сравнить скорость растворения и объяснить различие. Сравниваем при прочих одинаковых условиях: объёмах воды и перемешивании.

1. При растворении частицы вещества отделяются от кристалла и перемешиваются с частицами воды. Значит, сравнить нужно скорость перемещения и смешивания частиц в двух случаях.
2. В горячей воде тепловое движение частиц интенсивнее, чем в холодной. Частицы быстрее перемещаются, поэтому растворённое вещество быстрее распространяется по всему объёму.
3. Следовательно, диффузия идёт быстрее в горячей воде. Это означает, что окраска воды становится равномерной за меньшее время, хотя сам процесс растворения не происходит мгновенно.

Ответ: кристаллик быстрее растворится в горячей воде, потому что при более высокой температуре тепловое движение частиц интенсивнее и диффузия ускоряется.

Почему частица пыльцы движется в неподвижной воде?

Условие. Под микроскопом видна частица пыльцы, взвешенная в воде. Она движется беспорядочно, хотя вода внешне покоится. Нужно объяснить причину её движения и показать, как она связана с молекулами.

1. Отделим движение частицы пыльцы от движения воды как целого: наблюдаемая частица не увлекается видимым потоком жидкости. Её перемещения происходят даже без заметного движения всей воды.
2. Молекулы воды непрерывно движутся и ударяют по поверхности пыльцы с разных сторон. В каждый момент число и сила ударов могут быть неодинаковыми, поэтому результирующее воздействие меняется.
3. Из-за этих неуравновешенных ударов частица перемещается то в одну, то в другую сторону. Такое беспорядочное движение взвешенных частиц называют броуновским.

Ответ: частица пыльцы движется из-за неравномерных ударов хаотически движущихся молекул воды, а не потому, что вода целиком течёт в определённом направлении.

Типичные ошибки

Считать, что в покоящемся веществе молекулы неподвижны, — значит путать покой тела в целом с движением его частиц. Так ошибаются, потому что не видят движения молекул непосредственно. Проверьте себя: если бы движение прекращалось при остановке тела, диффузия не происходила бы в неподвижной среде.

Броуновское движение иногда принимают за движение жидкости целиком. Причина ошибки — видимая частица действительно перемещается в жидкости, но наблюдение за одной частицей не показывает, что вся вода движется потоком. Чтобы проверить объяснение, вспомните: движение частицы вызывают удары молекул среды с разных сторон.

Утверждение, что между частицами действуют только силы притяжения, неполно. Частицы могут притягиваться, но при очень сильном сближении начинает преобладать отталкивание; эту часть взаимодействия часто забывают. Проверьте себя вопросом: что помешало бы частицам сблизиться без ограничения, если бы отталкивания не существовало?

Диффузию нельзя считать мгновенным перемещением вещества из одного места в другое. Её описывают как постепенное перемешивание частиц, и процесс занимает время, потому что частицы движутся хаотически, а не направленно. Проверка простая: понаблюдайте, как постепенно распространяются краситель или запах, и сравните скорость при разной температуре.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ нужно различать тело, вещество и частицу, а также уметь узнавать диффузию и растворение. Эти наблюдения помогают связать свойства видимых тел с поведением невидимых частиц. Позже положения теории используют, чтобы объяснять давление газа, температуру и уравнение состояния.

Представления о частицах и их взаимодействии пригодятся при изучении агрегатных состояний вещества. Они также помогают разбирать испарение, плавление и другие тепловые явления. В каждой из этих тем важно учитывать движение частиц и изменение их взаимодействия.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Между частицами имеются промежутки.
• Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Броуновское движение подтверждает движение молекул.
• При повышении температуры тепловое движение обычно становится интенсивнее.