30. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлениях о движении и взаимодействии его частиц. Иначе говоря, свойства тела объясняют не только его внешним видом, но и тем, что происходит внутри него. Это определение нужно, чтобы связать наблюдаемые явления с поведением частиц.

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может состоять из одного или нескольких атомов, но при химическом делении вещества именно молекула сохраняет его характерные свойства. Понятие молекулы помогает рассуждать о составе вещества, не принимая всё тело за единое целое.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества, связанное с температурой. «Хаотическое» означает, что частицы движутся в разных направлениях, а не согласованно по одному пути. Это понятие объясняет перемешивание веществ и показывает, почему температура связана с движением их частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, частицы одного газа постепенно оказываются между частицами другого газа. Понимание диффузии позволяет объяснить, как вещества смешиваются без перемешивания ложкой или другим внешним воздействием.

Как это устроено

О том, что вещества состоят из частиц, можно судить по тому, как они смешиваются. Капля красителя постепенно окрашивает воду, а запах духов распространяется по комнате, хотя никто не переносит каждую частицу отдельно. Такие наблюдения легче объяснить, если считать, что вещества состоят из очень мелких частиц, способных перемещаться и занимать промежутки между частицами другого вещества.

Частицы не остаются на месте даже тогда, когда тело кажется неподвижным: их движение продолжается постоянно. Оно хаотическое, потому что на частицы действуют соседние частицы, и направление их движения всё время меняется. Непосредственно наблюдать движение отдельных молекул трудно, но можно видеть броуновское движение — беспорядочные перемещения мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Эти частицы толкают молекулы среды, движущиеся в разных направлениях, и их толчки не уравновешиваются каждое мгновение.

Когда соприкасаются разные вещества, частицы одного вещества перемещаются между частицами другого. Так возникает диффузия: она происходит в газах, жидкостях и даже твёрдых телах, хотя в последних идёт особенно медленно. При повышении температуры частицы обычно движутся интенсивнее, чаще меняют положение и быстрее распространяются. Поэтому запах быстрее заполняет тёплую комнату, чем прохладную.

Частицы вещества не только движутся, но и взаимодействуют. На некотором расстоянии между ними действует притяжение: оно помогает частицам удерживаться рядом, а телам — сохранять целостность. Если же частицы сблизить слишком сильно, начинает преобладать отталкивание. Такое сочетание взаимодействий важно для объяснения того, почему тела не распадаются на отдельные частицы и почему частицы не могут бесконечно сближаться.

Три основных положения МКТ формулируют так: все вещества состоят из частиц; частицы находятся в непрерывном хаотическом движении; частицы взаимодействуют друг с другом. Каждое положение дополняет остальные: одного существования частиц недостаточно, чтобы объяснить их перемещение и смешивание. Движение объясняет диффузию, а взаимодействие — способность вещества сохранять целостность. Вместе эти идеи связывают наблюдаемые свойства веществ с их внутренним строением.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

Читайте таблицу как цепочку: сначала определите положение теории, затем уточните, что именно оно утверждает, и найдите пример. Пример не всегда показывает частицу напрямую: броуновское движение, например, служит наблюдаемым следствием движения молекул среды. Несколько подтверждений помогают увидеть, как общие положения МКТ объясняют разные явления.

Разбор задач

Распространение красителя в воде

Условие. В стакане воды растворили каплю красителя. Объясните, почему со временем окраска распространяется по всему объёму.

1. Определяем, какие вещества соприкасаются: вода и краситель. Их частицы могут перемещаться и проникать между частицами другого вещества.
2. Учитываем тепловое движение: частицы непрерывно движутся хаотично, поэтому частицы красителя постепенно оказываются в разных местах стакана.
3. Связываем наблюдение с явлением: взаимное проникновение частиц воды и красителя называется диффузией. В результате краситель распределяется по объёму.

Ответ. Окраска распространяется из-за диффузии: хаотическое тепловое движение переносит частицы красителя по воде. Если ждать достаточно долго, они перемешаются с частицами воды по всему объёму.

Запах в тёплой и прохладной комнате

Условие. Сравните, как быстро распространяется запах в тёплой и прохладной комнате. Объясните различие.

1. Сначала называем явление: запах распространяется потому, что частицы пахучего вещества перемешиваются с частицами воздуха. Это диффузия в газе.
2. Сравниваем условия: в более тёплой комнате температура выше, поэтому тепловое движение частиц обычно интенсивнее. Частицы быстрее перемещаются и распределяются по комнате.
3. Делаем вывод о скорости: при прочих равных диффузия в тёплом воздухе идёт быстрее. Разница связана не с тем, что запах «тянет» воздух, а с движением частиц.

Ответ. Обычно запах распространяется быстрее в тёплой комнате, потому что с повышением температуры усиливается движение частиц. В прохладной комнате диффузия идёт медленнее.

Броуновское движение частиц в жидкости

Условие. Мелкие частицы, взвешенные в жидкости, беспорядочно перемещаются даже при отсутствии заметного течения. Объясните наблюдение и укажите, что оно подтверждает.

1. Различаем наблюдаемое и невидимое: наблюдатель видит движение взвешенных частиц, а не отдельных молекул жидкости. Поэтому нельзя считать, что эти частицы и есть молекулы.
2. Учитываем столкновения: молекулы жидкости движутся хаотично и ударяют по взвешенной частице с разных сторон. В каждый момент удары могут быть неравными, поэтому частица меняет направление.
3. Называем явление и вывод: такое беспорядочное перемещение называют броуновским движением. Оно служит подтверждением непрерывного хаотического движения молекул жидкости.

Ответ. Частицы перемещаются из-за неравных ударов молекул жидкости. Броуновское движение подтверждает, что молекулы вещества непрерывно и хаотично движутся.

Типичные ошибки

• Считать молекулы неподвижными — ошибка: тепловое движение происходит при любой температуре. Такое заблуждение возникает потому, что в неподвижном теле движения отдельных молекул не видно. Проверь себя: если вещество не перемешивается быстро, это ещё не означает, что его частицы остановились.

• Путать броуновское движение с движением молекул — значит называть молекулами видимые взвешенные частицы. Их беспорядочное перемещение вызвано ударами молекул среды, которые непосредственно не наблюдаются. Проверь себя: уточни, что именно движется в опыте и что приводит его в движение.

• Считать, что диффузия бывает только в газах, — неверно: она наблюдается также в жидкостях и твёрдых телах. Ошибка возникает потому, что в газах смешивание обычно заметно быстрее. Проверь себя: сравни скорость диффузии в разных состояниях, а не само наличие явления.

• Предполагать, что частицы только притягиваются, — значит не учитывать зависимость взаимодействия от расстояния. При очень сильном сближении преобладает отталкивание, поэтому частицы не могут бесконечно сближаться. Проверь себя: в объяснении взаимодействия назови и притяжение, и отталкивание.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ полезно знать, что вещества бывают твёрдыми, жидкими и газообразными, и уметь описывать их наблюдаемые свойства. Сравнение формы и объёма этих состояний помогает задавать вопросы о расположении и движении частиц. Теория даёт способ перейти от видимого поведения тела к объяснению его внутреннего строения.

Представления о движении и взаимодействии частиц понадобятся при изучении тепловых явлений, температуры и свойств газов. Они помогают объяснять, как изменение температуры связано с поведением вещества и почему тела реагируют на нагревание по-разному. Поэтому положения МКТ становятся основой для дальнейших тем молекулярной физики.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Частицы вещества взаимодействуют друг с другом.
• Броуновское движение подтверждает тепловое движение молекул.
• Диффузия происходит из-за хаотического движения частиц.
• При повышении температуры диффузия обычно ускоряется.