Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — теория, которая объясняет свойства вещества строением, движением и взаимодействием его частиц. Она связывает наблюдаемые свойства тел с поведением частиц, которые нельзя рассмотреть невооружённым глазом. Благодаря этому можно объяснять явления вроде смешивания веществ и давления газа, а не только описывать их.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекула может состоять из одного или нескольких атомов, соединённых между собой. Это понятие помогает представить, из каких мельчайших составляющих образовано вещество, и объяснить, почему при его превращениях меняется состав частиц.

Броуновское движение — непрерывное беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе. Такие частицы обычно намного крупнее молекул среды, поэтому их можно наблюдать в микроскоп. Явление позволяет судить о движении невидимых молекул по тому, как перемещаются доступные наблюдению частицы.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ. Например, молекулы запаха распространяются среди молекул воздуха, а частицы красителя — среди частиц воды. Понятие нужно, чтобы описывать смешивание веществ даже тогда, когда сама среда не движется заметным потоком.

Как это устроено

Представление о частицах вещества опирается не только на теоретические рассуждения, но и на опыт. Если привести в соприкосновение разные вещества, со временем можно обнаружить их взаимное смешивание, хотя первоначально граница между ними была заметна. Наблюдение за взвешенными частицами под микроскопом также показывает, что вещества не являются сплошными неподвижными средами. Результаты таких опытов согласуются с предположением о частицах и позволяют проверять его последствия.

Диффузия служит свидетельством движения частиц: если бы молекулы были неподвижны, вещества не проникали бы друг в друга сами собой. Частицы постоянно перемещаются в случайных направлениях и постепенно оказываются в новых местах. При повышении температуры их тепловое движение становится интенсивнее, поэтому смешивание обычно идёт быстрее. Это не означает, что каждая частица движется по прямой к нужному месту: общий результат складывается из множества хаотических перемещений.

Броуновское движение можно объяснить ударами молекул среды по взвешенной частице. Молекулы со всех сторон сталкиваются с ней, но в каждый отдельный момент удары не бывают совершенно одинаковыми по числу и силе. Возникающий толчок смещает частицу, а следующее неравновесие меняет направление её движения. Поэтому траектория частицы выглядит беспорядочной, хотя сама жидкость или газ могут казаться неподвижными.

Частицы не только движутся, но и взаимодействуют. Когда они находятся на сравнительно большом расстоянии, заметно притяжение, способствующее их удержанию рядом; при сильном сближении существенным становится отталкивание. Поэтому нельзя описывать взаимодействие только одним притяжением: его характер зависит от расстояния. Этим объясняется, почему вещества могут сохранять форму или объём и одновременно сопротивляться чрезмерному сжатию.

Итак, молекулярно-кинетическая теория включает три основных положения: вещество состоит из частиц, частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют. Диффузия и броуновское движение подтверждают существование частиц и их движение, а свойства тел помогают обнаружить действие межчастичных сил. Изменение скорости диффузии при нагревании связывает наблюдаемое явление с температурой и интенсивностью теплового движения. Каждое положение не просто постулируется, а проверяется по наблюдаемым последствиям.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

Читая таблицу, сначала соотнеси каждое положение теории с тем, что оно предсказывает, а затем — с подходящим наблюдением. Один опыт может подтверждать сразу несколько связанных идей, поэтому важно указать, какое именно свойство он демонстрирует. Например, ускорение смешивания при нагревании показывает связь температуры с движением частиц.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате. Нужно определить, перемещается ли запах только вместе с заметным потоком воздуха или может распространяться самопроизвольно. Запах связан с молекулами пахучего вещества, которые попадают в воздух. Их движение хаотично, поэтому со временем они оказываются и в удалённых частях комнаты.

1. Выделим вещества, которые соприкасаются: пары духов и воздух.
2. Молекулы обоих веществ непрерывно движутся и сталкиваются, поэтому постепенно проникают друг между другом.
3. Такое взаимное распространение частиц называется диффузией; направленного движения всех молекул к человеку для него не требуется.

Ответ: запах распространяется по комнате вследствие диффузии молекул духов в воздухе, обусловленной их хаотическим тепловым движением. Воздушные потоки могут дополнительно ускорить распространение, но не являются единственной причиной.

Задача 2. При одинаковых условиях сравнить скорость распространения капли красителя в холодной и горячей воде. Сравниваем именно температуру, а остальные условия считаем одинаковыми: объём воды, размер капли и отсутствие перемешивания. Краситель распространяется благодаря движению его частиц и частиц воды. Чем интенсивнее тепловое движение, тем быстрее в среднем происходит взаимное проникновение частиц.

1. В холодной воде тепловое движение частиц менее интенсивно, поэтому диффузия идёт медленнее.
2. В горячей воде частицы в среднем движутся интенсивнее, и распределение красителя по объёму происходит быстрее.
3. Следовательно, сравниваем не отдельные случайные траектории, а время, за которое краситель заметно распространится.

Ответ: капля быстрее распространится в горячей воде. Вывод относится к одинаковым условиям опыта и не требует, чтобы сама вода заметно перемешивалась.

Задача 3. Объяснить, почему мелкая взвешенная в жидкости частица движется беспорядочно, хотя сама жидкость кажется неподвижной. Здесь нужно объяснить движение видимой частицы через поведение невидимых молекул жидкости. Молекулы непрерывно движутся и ударяют по частице со всех сторон. Их удары не уравновешены совершенно в каждый момент, поэтому суммарный толчок меняется по величине и направлению.

1. Жидкость может не иметь заметного общего потока, но её молекулы всё равно находятся в тепловом движении.
2. Неодинаковые удары молекул с разных сторон смещают взвешенную частицу.
3. Из-за изменения результирующего толчка частица движется беспорядочно; это броуновское движение, а не перенос всей жидкости.

Ответ: беспорядочное движение частицы вызывается непрерывными неуравновешенными ударами молекул жидкости. Броуновская частица значительно крупнее молекул среды и не является отдельной молекулой.

Типичные ошибки

Считать броуновскую частицу молекулой. Ошибка возникает потому, что и молекулы, и броуновские частицы движутся беспорядочно. Однако взвешенная частица обычно достаточно крупная, чтобы её можно было увидеть в микроскоп, а толкают её молекулы среды. Проверь себя: различай наблюдаемое тело и невидимые частицы, столкновения которых вызывают его движение.

Сводить диффузию к потокам жидкости или газа. Так можно подумать, если наблюдать смешивание при перемешивании или сквозняке. Но диффузия происходит из-за теплового движения частиц и без заметного общего движения среды; поток лишь может её ускорить. Для проверки представь неподвижную воду с каплей красителя: частицы постепенно распространяются и без помешивания.

Полагать, что частицы движутся только при нагревании. Нагревание усиливает движение, но не создаёт его с нуля. Тепловое движение существует при любой температуре выше абсолютного нуля, хотя его интенсивность зависит от температуры. Проверь себя вопросом: если температура не меняется, означает ли это, что частицы остановились? Нет, они продолжают двигаться.

Представлять взаимодействие частиц только как притяжение. Это упрощение связано с тем, что притяжением удобно объяснять связность вещества. При очень малых расстояниях между частицами существенно отталкивание, поэтому сжатие встречает сопротивление. Проверка проста: полная картина должна объяснять и удержание частиц вместе, и невозможность безгранично сближать их.

Связь с другими темами

Для изучения молекулярно-кинетической теории полезно знать, что вещества бывают твёрдыми, жидкими и газообразными, а их свойства можно исследовать опытами. Это помогает связывать поведение частиц с тем, что наблюдается у целого тела. Дальше основные положения понадобятся при изучении давления газа, температуры и внутренней энергии. Они также помогают объяснять различия агрегатных состояний вещества и переходы между ними.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• Диффузия подтверждает движение частиц.
• Броуновское движение вызвано ударами молекул среды.
• При повышении температуры тепловое движение частиц становится интенсивнее.