Упражнение 1

Определения и обозначения

Молекула — частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых определённым образом. Понятие молекулы помогает объяснить, почему вещество сохраняет свои свойства даже в очень малом объёме.

Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул и других веществ. Например, молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Понятие атома нужно, чтобы описывать состав молекул и различать химические элементы.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их хаотического движения. Поэтому запах распространяется по комнате, а капля красителя постепенно окрашивает воду. Диффузия показывает, что частицы вещества движутся сами, без внешнего перемешивания.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение частиц, взвешенных в жидкости или газе. Частица заметно перемещается потому, что молекулы среды ударяют по ней с разных сторон. Это явление позволяет наблюдать последствия движения невидимых молекул.

Как это устроено

Диффузия в газах и жидкостях подтверждает наличие движущихся частиц. Если привести в соприкосновение разные вещества, их частицы постепенно распределяются по всему доступному объёму. Такое перемещение возникает из-за случайных столкновений и не требует направленного движения всего вещества.

Скорость диффузии зависит от температуры, потому что нагревание увеличивает среднюю скорость хаотического движения молекул. Быстрее перемещаясь и чаще сталкиваясь, они за меньшее время проникают в соседние области. Поэтому запах обычно распространяется быстрее в тёплой комнате, чем в холодной.

Броуновская частица получает удары от огромного числа молекул жидкости или газа. В каждый момент количество и сила ударов с разных сторон немного различаются, поэтому силы не уравновешиваются. Направление движения частицы постоянно меняется, хотя сама жидкость или газ могут казаться неподвижными.

Взаимодействие молекул зависит от расстояния между ними. На расстояниях, где частицы ещё не слишком сближены, может преобладать притяжение, а при сильном сближении резко возрастает отталкивание. Так молекулы не разлетаются бесконечно далеко и не сжимаются в одну точку.

Наблюдаемые свойства вещества связаны с микроскопической картиной его строения. Перемешивание веществ говорит о движении частиц, а сопротивление сжатию — о сильном отталкивании при малых расстояниях. Значит, качественные опыты позволяют связать невидимые процессы на уровне молекул с измеряемыми свойствами тела.

Наблюдаемые явления и положения молекулярно-кинетической теории

Сначала определите, какое явление описано в условии, а затем сопоставьте его с положением молекулярно-кинетической теории. Последний столбец помогает понять, почему проявление явления может усиливаться или ослабевать.

Таблица особенно полезна при сравнении диффузии и броуновского движения. В обоих случаях виден результат движения молекул, но наблюдаемым объектом является либо само перемешивание веществ, либо крупная частица, которую толкает окружающая среда.

Разбор задач

Перемешивание двух газов

Условие. В сосуде рядом друг с другом находятся два газа. Нужно объяснить, почему со временем они перемешаются, хотя сосуд неподвижен и внешнее перемешивание не производится.

1. Представим, что граница между газами условна: молекулы каждого газа могут перемещаться по всему доступному объёму.
2. Каждая молекула движется хаотически и сталкивается с другими молекулами, поэтому её направление постоянно меняется.
3. Часть молекул первого газа проникает в область второго, а молекулы второго — в область первого.
4. Постепенное взаимное проникновение частиц приводит к выравниванию состава газа по объёму сосуда.

Ответ. Газы перемешиваются вследствие диффузии, вызванной непрерывным хаотическим движением их молекул. Неподвижность сосуда не мешает движению частиц внутри него.

Запах в холодной и тёплой комнате

Условие. Сравнить распространение запаха в холодной и тёплой комнате и объяснить различие. Внешний поток воздуха считаем одинаковым или отсутствующим.

1. Запах распространяется потому, что молекулы пахучего вещества диффундируют в воздухе.
2. При большей температуре средняя скорость молекул воздуха и пахучего вещества выше.
3. Более быстрые частицы за то же время совершают больше перемещений и столкновений.
4. Следовательно, при прочих равных условиях запах распространяется быстрее в тёплой комнате.

Ответ. В тёплой комнате диффузия обычно идёт быстрее, чем в холодной. Если есть сильное движение воздуха, оно тоже переносит запах, но это уже не причина самой диффузии.

Броуновская частица при нагревании

Условие. Микроскопическую частицу в жидкости наблюдают при двух температурах. Нужно предсказать, как изменится характер её движения при нагревании жидкости.

1. Частицу со всех сторон постоянно ударяют молекулы жидкости, причём удары не бывают идеально одинаковыми.
2. При нагревании средняя скорость молекул возрастает, поэтому их удары становятся в среднем более энергичными.
3. Неуравновешенность ударов сильнее изменяет скорость частицы, и её перемещения становятся заметнее.
4. Направление по-прежнему меняется хаотически, потому что движение молекул остаётся беспорядочным.

Ответ. При нагревании броуновское движение обычно усиливается: частица движется более интенсивно и быстрее меняет направление. Источником движения остаются удары молекул жидкости, а не собственная активность частицы.

Типичные ошибки

Диффузия вызвана только перемешиванием снаружи. Так думают, потому что при перемешивании процесс действительно ускоряется, но диффузия происходит и в покоящейся среде. Проверьте себя: спросите, продолжается ли взаимное проникновение частиц после прекращения перемешивания.

Броуновская частица сама создаёт своё движение. Ошибка возникает из-за того, что наблюдается именно крупная частица, а невидимые удары не заметны. Проверьте объяснение: источник движения должен быть внешним — это неуравновешенные удары молекул среды.

При нагревании молекулы обязательно увеличиваются. Обычно меняется не размер молекул, а интенсивность и средняя скорость их движения. Проверьте себя: в объяснении нагревания говорите о движении и столкновениях, а не об увеличении самих частиц.

Молекулы только притягиваются. Такое представление не объясняет, почему вещество сопротивляется сильному сжатию. Проверьте себя: при малом расстоянии между молекулами обязательно учитывайте резко возрастающее отталкивание.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении вещества, атомах и молекулах. Также важно знать, что температура характеризует степень нагретости тела и связана с интенсивностью движения его частиц. Эти знания позволяют объяснять наблюдаемые явления не только описанием, но и их внутренней причиной.

Молекулярно-кинетические представления понадобятся при изучении давления газа и уравнения состояния идеального газа. Они также используются при объяснении тепловых явлений, поскольку связывают макроскопические величины с движением и взаимодействием частиц.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Диффузия — следствие движения частиц.
• При повышении температуры диффузия обычно происходит быстрее.
• Броуновское движение вызывают удары молекул жидкости или газа.
• Молекулы взаимодействуют: притягиваются на некоторых расстояниях и отталкиваются при сильном сближении.