Тема 7. Молекулярно-кинетическая теория

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов, соединённых между собой. Например, молекула воды включает атомы водорода и кислорода. Понятие молекулы помогает объяснить, из каких частиц построено вещество.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Оно продолжается и тогда, когда тело в целом покоится: частицы не замирают, а движутся внутри него. Температура связана со скоростью этого движения: при нагревании частицы в среднем движутся быстрее. Поэтому температура показывает, насколько интенсивно происходит тепловое движение.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, капля красителя постепенно распространяется в воде без перемешивания. Диффузия показывает, что частицы разных веществ способны перемещаться и смешиваться. Она помогает объяснить распространение запахов и растворение веществ.

Броуновское движение — непрерывное беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул среды. Наблюдатель видит движение достаточно крупных частиц, а не отдельных молекул. Их толкают молекулы жидкости или газа, сталкивающиеся с ними с разных сторон. Это явление служит свидетельством движения невидимых молекул.

Как это устроено

Диффузия и броуновское движение дают наблюдаемые доказательства того, что вещество состоит из частиц. Если бы частицы были неподвижны, краситель не распространялся бы сам по воде, а взвешенная крупинка не меняла бы направление движения. При броуновском движении толчки молекул среды не уравновешиваются полностью, поэтому частица движется беспорядочно. Диффузия, в свою очередь, возникает из-за перемещения частиц разных веществ навстречу друг другу.

Движение частиц беспорядочно, потому что они постоянно сталкиваются и меняют направление. При нагревании частицы получают больше энергии и движутся быстрее. Поэтому они быстрее распространяются в веществе, и диффузия ускоряется. При охлаждении движение становится менее интенсивным, так что перемешивание частиц происходит медленнее.

Частицы не только движутся, но и взаимодействуют. На небольших расстояниях между ними заметно притяжение, которое помогает удерживать частицы рядом. Если сблизить их слишком сильно, начинает преобладать отталкивание. Сочетание этих сил объясняет, почему вещество не распадается на отдельные частицы и почему они не могут бесконечно сближаться.

Состояние вещества зависит от того, как расположены его частицы и насколько свободно они перемещаются. В твёрдом теле частицы находятся близко и сохраняют положения около определённых мест, поэтому тело удерживает форму. В жидкости частицы тоже расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга, поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В газе частицы далеко друг от друга и движутся свободно, поэтому газ занимает весь предоставленный объём.

Размер молекулы можно оценить опытом с тонкой плёнкой масла. Если капля растекается по воде в слой, состоящий из одного слоя молекул, толщина слоя примерно равна размеру молекулы. Для расчёта используют объём капли и площадь плёнки: h = V/S. Это оценка, потому что плёнка может быть неидеальной, а форму молекул нельзя считать строго одинаковой.

Наблюдения, подтверждающие молекулярное строение вещества

Сравнивайте в таблице не только то, что видно, но и причину наблюдаемого явления. Диффузия и броуновское движение показывают движение частиц разными способами. Последняя строка связывает скорость этого движения с температурой.

Разбор задач

Задача 1. Каплю красителя опустили в воду. Объясните, почему со временем окраска распространяется по всему сосуду, даже если воду не перемешивают. Для ответа нужно назвать наблюдаемое явление и найти его причину. Внешнее перемешивание не обязательно для распространения красителя.

1. Краситель состоит из частиц, которые попадают между частицами воды. Это взаимное проникновение частиц разных веществ называется диффузией.
2. Молекулы красителя и воды непрерывно и беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются, меняют направление и постепенно распределяются по сосуду.
3. Перемешивание могло бы ускорить распространение, но не является его причиной. Диффузия продолжается и без него благодаря тепловому движению.

Ответ: окраска распространяется из-за диффузии: молекулы красителя и воды движутся и постепенно смешиваются.

Задача 2. В двух сосудах растворили одинаковое количество вещества: в одном вода холодная, в другом тёплая. Где диффузия идёт быстрее и почему? Количество вещества одинаковое, поэтому сравниваем только условия, влияющие на движение частиц. Такими условиями здесь будет температура воды.

1. При более высокой температуре частицы в среднем движутся быстрее. Значит, в тёплой воде молекулы растворённого вещества и воды быстрее перемещаются.
2. Более быстрое движение ускоряет взаимное проникновение частиц. Следовательно, диффузия в тёплой воде идёт интенсивнее.
3. В холодной воде частицы движутся медленнее, поэтому для того же распределения вещества потребуется больше времени. Этот вывод относится к одинаковому веществу и сопоставимым условиям опыта.

Ответ: в сосуде с тёплой водой, потому что при повышении температуры частицы движутся быстрее.

Задача 3. На воду нанесли каплю масла объёмом 0,0006 см³. Она растеклась слоем площадью 0,3 м². Оцените толщину слоя, считая, что он состоит из одного слоя молекул. Толщину найдём по формуле h = V/S, но перед вычислением переведём объём в кубические метры. При таком условии толщину можно принять за примерный размер молекулы.

1. Переведём объём: 1 см³ = 10⁻⁶ м³, поэтому 0,0006 см³ = 6·10⁻¹⁰ м³. Площадь уже дана в квадратных метрах, значит, единицы согласованы.
2. Подставим значения в формулу: h = V/S = (6·10⁻¹⁰ м³)/(0,3 м). Разделим 6·10⁻¹⁰ на 0,3 и получим 2·10⁻⁹.
3. Проверим единицу результата: м³/м² = м. Следовательно, толщина плёнки равна 2·10⁻⁹ м, то есть около двух миллиардных метра.

Ответ: h ≈ 2·10⁻⁹ м; при условии одного слоя это оценка размера молекулы масла.

Типичные ошибки

Ошибка: считать молекулы неподвижными, если тело покоится. Так думают, потому что не замечают движения частиц невооружённым глазом. Но покоится тело целиком, тогда как его частицы продолжают тепловое движение. Проверь себя: вспомни, может ли происходить диффузия в неподвижной воде.

Ошибка: объяснять диффузию только перемешиванием. Перемешивание действительно помогает быстрее распределить вещество, поэтому эти процессы легко спутать. Однако диффузия идёт и без внешнего воздействия, поскольку частицы движутся сами. Проверь себя: если оставить каплю красителя в воде, распространится ли окраска со временем?

Ошибка: путать броуновское движение с движением молекул. Наблюдать движение молекул напрямую нельзя, зато видны мелкие взвешенные частицы. Они движутся из-за ударов молекул среды, которые действуют на них неравномерно. Проверь себя: назови отдельно движущуюся частицу и то, что её толкает.

Ошибка: утверждать, что молекулы только притягиваются или только отталкиваются. Такое упрощение возникает, если учитывать взаимодействие только при одном расстоянии между частицами. На небольшом расстоянии проявляется притяжение, а при очень сильном сближении — отталкивание. Проверь себя: ответь, меняется ли взаимодействие при изменении расстояния между частицами.

Связь с другими темами

Для изучения молекулярно-кинетической теории нужно различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния вещества. Важно знать, что у них разные свойства: например, твёрдое тело сохраняет форму, а газ занимает весь доступный объём. Эти наблюдения позволяют связать видимые свойства тел с расположением и подвижностью частиц.

Представления о движении частиц понадобятся при изучении температуры и тепловых явлений. Идеи о взаимодействии и расположении частиц помогут объяснить, почему вещество меняет агрегатное состояние при нагревании или охлаждении. Так микроскопическое строение связывается с изменениями, которые можно наблюдать в обычной жизни.

Что запомнить

• Любое вещество состоит из частиц — молекул и атомов.
• Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• Тепловое движение частиц усиливается при повышении температуры.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц разных веществ.
• Броуновское движение подтверждает движение молекул среды.
• Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
• Строение и подвижность частиц помогают объяснить свойства твёрдых тел, жидкостей и газов.