§ 13. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлениях о частицах и их движении. Она заменяет описание вещества как сплошной среды более подробной моделью. С её помощью можно объяснять давление, температуру и изменение агрегатных состояний.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы могут состоять из одинаковых или разных атомов и сами участвуют в движении. Понятие молекулы нужно, чтобы связать состав вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Оно происходит не только в газах, но также в жидкостях и твёрдых телах, хотя характер движения различается. Этот термин подчёркивает, что движение связано с температурой и не прекращается самопроизвольно.

Броуновское движение — беспорядочное движение крупных частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул среды. Такая частица намного больше молекулы, поэтому её перемещение можно наблюдать в микроскоп. Явление служит наглядным подтверждением движения невидимых молекул.

Как это устроено

Вещество рассматривают как совокупность огромного числа частиц, потому что его свойства зависят от поведения этих частиц. Молекулы настолько малы, а расстояния между ними обычно настолько незначительны в сравнении с размерами тела, что непосредственно рассмотреть их обычными средствами невозможно. Однако деление вещества на всё меньшие части, смешивание веществ и сжимаемость газов показывают, что между частицами есть промежутки.

Тепловое движение не прекращается, потому что частицы обладают энергией и постоянно сталкиваются. При каждом столкновении изменяются их скорости и направления, поэтому движение выглядит беспорядочным. Нагревание увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц и обычно их среднюю скорость, хотя отдельные молекулы в один и тот же момент движутся по-разному.

Между частицами действуют одновременно притяжение и отталкивание, но их соотношение зависит от расстояния. Если частицы находятся на сравнительно большом расстоянии, заметнее притяжение, а при сильном сближении быстро усиливается отталкивание. Поэтому частицы могут удерживаться рядом, но не проникают друг в друга и не сжимаются безгранично.

Беспорядочные столкновения частиц вызывают наблюдаемые явления. Самопроизвольное перемешивание частиц разных веществ называют диффузией, а неравномерные удары молекул по крупной взвешенной частице создают броуновское движение. Удары молекул газа о стенки сосуда передают стенкам импульс и проявляются как давление.

МКТ подтверждают опыты, в которых наблюдаются диффузия, броуновское движение, сжимаемость газов и зависимость скорости смешивания от температуры. Эти явления невозможно объяснить без предположения о движущихся частицах. Отдельную молекулу нельзя увидеть в обычном опыте из-за её очень малого размера, поэтому теория проверяется по совокупному результату действия огромного числа частиц.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

Таблица связывает каждое положение теории с опытом и явлением, которое оно объясняет. При разборе нового примера сначала определите, какое положение МКТ в нём проявляется, затем найдите соответствующее подтверждение. Один и тот же факт может быть связан сразу с несколькими свойствами частиц.

Разбор задач

Распространение запаха духов

Условие. Объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате даже при отсутствии заметного движения воздуха. Нужно установить причину перемещения пахучих частиц и не подменять её потоками воздуха.

1. Молекулы духов отделяются от поверхности жидкости и попадают в воздух.
2. Молекулы воздуха и духов непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваясь друг с другом.
3. Из-за этих столкновений молекулы духов постепенно проникают в области, где их сначала почти не было. Такое взаимное проникновение частиц называют диффузией.

Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии — хаотическому движению и перемешиванию молекул духов с молекулами воздуха. Заметное движение воздуха может ускорить процесс, но не является необходимым условием.

Неравномерные удары в воде

Условие. Две одинаковые частицы находятся в воде, причём одна движется заметно быстрее другой. Определить, какая частица испытывает более интенсивные и неравномерные удары молекул среды, и объяснить причину.

1. Сравниваются частицы одинакового размера и состава, поэтому различие не связано с их массой или площадью поверхности.
2. Более быстрые перемещения означают, что в данный момент результирующие удары молекул воды по этой частице сильнее или менее скомпенсированы.
3. Нельзя считать, что сама крупная частица движется быстрее молекул воды: её движение возникает как результат множества случайных столкновений.

Ответ. Более быстрые и резкие перемещения испытывает частица, на которую в данный момент действуют более интенсивные некомпенсированные удары молекул воды. Это проявление броуновского движения, а не движение отдельной молекулы среды.

Давление нагретого газа

Условие. Объяснить, почему давление газа в закрытом сосуде увеличивается при нагревании, если объём сосуда не меняется. Нужно связать изменение давления с движением молекул, а не с появлением новых частиц.

1. При нагревании число молекул и объём сосуда остаются прежними, поэтому среднее расстояние между молекулами в целом не меняется.
2. Температура повышается, средняя кинетическая энергия и средняя скорость молекул возрастают.
3. Более быстрые молекулы чаще и сильнее ударяют о стенки, передавая им больше импульса за единицу времени.

Ответ. Давление увеличивается из-за более частых и сильных ударов молекул о стенки сосуда при неизменном объёме.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы неподвижны, а движутся только крупные тела. Так думают, потому что движение отдельных молекул не видно непосредственно. Проверка: вспомните диффузию и броуновское движение — они возможны только при непрерывном движении частиц.

Ошибка: утверждать, что между любыми частицами действуют только силы притяжения. Причина — привычное объяснение сцепления вещества без учёта расстояния между частицами. Проверка: при сильном сближении обязательно учитывайте резкое отталкивание.

Ошибка: путать броуновское движение с движением самих молекул. Броуновская частица намного крупнее молекул среды и меняет движение из-за множества некомпенсированных ударов. Проверка: выясните, какая частица наблюдается и какие невидимые частицы действуют на неё.

Ошибка: считать, что все молекулы при данной температуре движутся с одинаковой скоростью. Температура характеризует среднюю кинетическую энергию, а не скорость каждой отдельной молекулы. Проверка: используйте слово «средняя» и помните о столкновениях, постоянно меняющих скорости.

Связь с другими темами

Из химии нужны представления об атомах, молекулах и составе вещества. Они помогают различать частицу вещества и химический элемент. Без этих понятий трудно понять, что именно движется и взаимодействует.

Из механики пригодятся масса, скорость, столкновение и изменение движения тела. Эти понятия позволяют объяснить передачу импульса при ударах молекул. На такой основе позже вводится давление газа.

Положения МКТ используются при изучении идеального газа, давления и температуры. Далее они приводят к уравнению состояния и объяснению тепловых процессов. Поэтому эта тема служит основой молекулярной физики.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества разделены промежутками.
• Частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении.
• Интенсивность теплового движения увеличивается с повышением температуры.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются на сравнительно больших расстояниях и отталкиваются на малых.
• Диффузия и броуновское движение подтверждают движение частиц.
• Макроскопические свойства вещества объясняются движением и взаимодействием его частиц.