1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — теория, объясняющая свойства тел движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят. Она помогает связать наблюдаемые свойства вещества с поведением невидимых частиц. Благодаря этому можно объяснить, например, распространение запаха или сохранение формы твёрдого тела.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы настолько малы, что отдельную обычно нельзя увидеть невооружённым глазом. Понятие молекулы позволяет описывать состав вещества и объяснять, как оно ведёт себя при смешивании или нагревании.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Такие частицы крупнее молекул и могут быть видны в микроскоп. Наблюдая за ними, можно судить о движении невидимых молекул окружающей среды.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их хаотического движения. При этом вещества распространяются друг в друга даже без намеренного перемешивания. Понятие диффузии нужно, чтобы объяснить, например, как запах оказывается в разных частях комнаты.

Как это устроено

Все вещества состоят из частиц, хотя сами частицы слишком малы для непосредственного наблюдения. Это положение подтверждают опыты, в которых удаётся обнаружить следы очень малого количества вещества: оно распределяется по большому объёму. Такое наблюдение можно объяснить тем, что вещество разделено на мельчайшие частицы, способные перемещаться и смешиваться с другими.

Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении. Если бы они остановились, не происходили бы ни распространение запахов, ни постепенное смешивание веществ. Особенно наглядный аргумент даёт броуновское движение: взвешенные в жидкости мелкие частицы перемещаются беспорядочно, значит, молекулы жидкости постоянно воздействуют на них. Это движение не прекращается само по себе, поскольку не прекращается тепловое движение молекул.

Частицы взаимодействуют друг с другом, а не просто свободно разлетаются или проходят одна сквозь другую. На некотором расстоянии между ними действует притяжение, помогающее удерживать частицы рядом. Когда частицы сближаются слишком сильно, проявляется резкое отталкивание. Сочетание притяжения и отталкивания объясняет, почему вещества сохраняют целостность и почему частицы не могут занять одно и то же место.

Диффузия возникает, когда частицы одного вещества беспорядочно движутся среди частиц другого. Из-за хаотического перемещения вещества постепенно распространяются друг в друга, пока их состав не станет более равномерным. При повышении температуры частицы обычно движутся интенсивнее, поэтому взаимное проникновение идёт быстрее. Так объясняется, почему тёплая жидкость окрашивается быстрее холодной.

Броуновское движение наблюдают у сравнительно крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости. Молекулы среды непрерывно ударяют по такой частице с разных сторон, но в каждый момент удары не полностью уравновешены. Поэтому частица получает толчок в одну сторону, затем в другую и движется беспорядочно. При нагревании молекулы движутся интенсивнее, и их удары становятся сильнее, поэтому движение броуновской частицы заметнее.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

В первых трёх строках записаны положения теории, а последние две показывают явления, связанные с движением частиц. Сопоставляйте каждое явление с его причиной: диффузию вызывают перемещения частиц веществ, а броуновское движение — удары молекул среды по взвешенным частицам. Таблица помогает отделить само положение теории от наблюдения, которое его подтверждает.

Разбор задач

Запах в комнате

В комнате открыли флакон с пахучим веществом. Нужно объяснить, почему через некоторое время запах ощущается в разных её частях. Запах создают молекулы вещества, перешедшие в газообразное состояние и смешавшиеся с воздухом. Для объяснения важно проследить, как эти молекулы перемещаются от флакона.

1. Молекулы пахучего вещества и воздуха непрерывно и хаотически движутся.
2. Из-за этого молекулы пахучего вещества постепенно распространяются в разные стороны и проникают между молекулами воздуха.
3. Перемещение продолжается, поэтому частицы запаха достигают удалённых участков комнаты. Это диффузия; движение воздуха может дополнительно ускорить распространение.

Ответ: запах распространяется по комнате благодаря диффузии — взаимному проникновению хаотически движущихся молекул пахучего вещества и воздуха.

Краситель в холодной и тёплой воде

Каплю красителя поместили в два стакана с водой: один холодный, другой тёплый. Требуется определить, где окраска распространится быстрее, и обосновать выбор. В обоих случаях частицы красителя и воды движутся, поэтому происходит диффузия. Различается интенсивность их движения при разных температурах.

1. Сравниваем температуру: тёплая вода имеет более высокую температуру, чем холодная.
2. При более высокой температуре частицы движутся интенсивнее. Поэтому частицы красителя и воды быстрее перемещаются и взаимно проникают друг в друга.
3. Значит, тёплая вода окрасится быстрее. Здесь причина — ускорение диффузии при нагревании, а не особое свойство самого красителя.

Ответ: быстрее окраска распространится в стакане с тёплой водой, потому что при повышении температуры движение частиц усиливается и диффузия ускоряется.

Движение частиц под микроскопом

В воде наблюдают взвешенные мелкие частицы. Они движутся беспорядочно, а при нагревании воды их движение становится заметнее. Нужно объяснить и характер движения, и его изменение при нагревании. Наблюдаемые частицы не следует принимать за молекулы воды: они значительно крупнее.

1. Молекулы воды непрерывно хаотически движутся и ударяют по взвешенным частицам со всех сторон.
2. В каждый момент удары не вполне уравновешены, поэтому частица получает толчок в одну сторону, а затем меняет направление. Так возникает броуновское движение.
3. При нагревании молекулы воды движутся интенсивнее и сильнее ударяют по частицам. Поэтому их беспорядочное перемещение становится заметнее.

Ответ: частицы движутся из-за неравномерных ударов молекул воды, а нагревание усиливает движение молекул и делает броуновское движение более заметным.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что движутся только молекулы газов. Так думают, потому что в газе перемещение заметнее, чем в жидкости или твёрдом теле. Однако частицы движутся во всех агрегатных состояниях, хотя характер их движения различается. Проверка: вспомните диффузию в жидкостях и движение частиц в твёрдом теле.

Броуновское движение иногда путают с движением самих молекул. Причина путаницы — молекулы невидимы, а наблюдаемая в микроскоп частица тоже кажется очень маленькой. Но броуновская частица крупнее молекул и перемещается под действием их ударов. Проверка: спросите себя, что именно можно увидеть в микроскоп и что создаёт толчки.

Диффузию ошибочно объясняют только перемешиванием или потоками вещества. Это объяснение не учитывает, что взаимное проникновение частиц может происходить и без намеренного перемешивания. Его причина — хаотическое движение частиц соприкасающихся веществ. Проверка: представьте, как запах распространяется в неподвижном воздухе.

Неверно полагать, что частицы вещества только притягиваются. Такое представление не объясняет, почему частицы не сближаются бесконечно. При сильном сближении проявляется отталкивание, а на некотором расстоянии — притяжение. Проверка: учитывайте оба вида взаимодействия, а не только один.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ нужно знать, что вещества бывают твёрдыми, жидкими и газообразными, и уметь описывать наблюдения опытов. Это позволяет связывать свойства разных агрегатных состояний с поведением частиц. Далее молекулярно-кинетические представления понадобятся при изучении температуры, давления и уравнения состояния идеального газа. Они также помогают объяснять свойства агрегатных состояний и тепловые явления.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц веществ.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул окружающей среды.
• При повышении температуры диффузия обычно происходит быстрее.