Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах макроскопических тел через движение и взаимодействие частиц. Макроскопическими называют тела, которые состоят из огромного числа невидимых частиц. Теория связывает наблюдаемые свойства вещества с поведением атомов, молекул или ионов.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры. Хаотическим оно называется потому, что частицы движутся в разных направлениях и сталкиваются. Это понятие нужно, чтобы объяснить нагревание, давление газа и перемешивание веществ.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Например, частицы запаха постепенно распространяются по комнате, даже если воздух почти неподвижен. Диффузия показывает, что частицы действительно перемещаются сами, а не покоятся на месте.

Броуновское движение — хаотическое движение видимых частиц, вызываемое ударами молекул окружающей среды. Такая частица достаточно велика, чтобы её можно было наблюдать, но достаточно мала, чтобы отдельные удары молекул меняли её движение. Наблюдение этого явления служит экспериментальным подтверждением непрерывного движения молекул.

Как это устроено

Вещество рассматривают как совокупность огромного числа отдельных частиц, потому что любой образец можно мысленно разделять на всё более малые части. Химические свойства при этом сохраняются на уровне молекулы, а у простых веществ — на уровне атомов. Ионы отличаются от нейтральных атомов наличием электрического заряда, но также являются частицами вещества.

Хаотическое движение частиц объясняет диффузию: частицы одного вещества случайно уходят из областей, где их много, в области, где их меньше. Одновременно частицы другого вещества движутся в обратном направлении, поэтому происходит взаимное проникновение. Так распространяются запахи и постепенно перемешиваются капля чернил с водой или слои газов.

Броуновское движение особенно наглядно подтверждает движение молекул. Если бы молекулы жидкости или газа были неподвижны, мелкая взвешенная частица испытывала бы постоянные уравновешенные воздействия и не меняла бы положения. Наблюдаемая беспорядочная траектория возникает потому, что с разных сторон по частице одновременно ударяет неодинаковое число молекул.

При повышении температуры средняя скорость теплового движения обычно увеличивается. Быстрее движущиеся частицы чаще и энергичнее сталкиваются, поэтому они быстрее покидают исходную область и проникают между частицами другого вещества. По этой причине диффузия в горячей воде обычно идёт быстрее, чем в холодной, хотя на неё влияют также свойства среды.

На малых расстояниях частицы взаимодействуют друг с другом. Когда частицы немного удалены, силы притяжения стремятся сблизить их; при чрезмерном сближении резко усиливается отталкивание электронных оболочек и других внутренних структур. Сочетание этих сил объясняет устойчивость твёрдых тел и жидкостей, а также их сопротивление сжатию.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

Таблицу удобно читать построчно: сначала определить положение теории, затем связать его с объяснением и наблюдаемым эффектом. Последний столбец показывает, каким опытом или наблюдением можно проверить соответствующее утверждение.

Одно явление может подтверждать сразу несколько положений. Например, диффузия показывает наличие частиц и их движение, а особенности поведения жидкости дополнительно указывают на взаимодействие частиц.

Разбор задач

Распространение запаха

Условие. Объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате при отсутствии заметного движения воздуха. Нужно установить механизм переноса пахучего вещества и отличить его от направленного потока воздуха.

1. Молекулы духов, попавшие в воздух, начинают двигаться вместе с другими молекулами во всех направлениях.
2. Из-за случайных столкновений часть молекул переходит в соседние области, где их концентрация меньше.
3. Многократное взаимное проникновение частиц приводит к распространению запаха по комнате.

Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии — хаотическому движению и взаимному проникновению молекул духов и воздуха. Заметный поток воздуха для этого не обязателен, хотя сквозняк может значительно ускорить перенос.

Диффузия чернил в воде

Условие. Сравнить скорость распространения капли чернил в холодной и горячей воде. Объяснить, почему в одном сосуде окрашивание происходит быстрее.

1. В обоих сосудах частицы чернил и воды движутся хаотично и постепенно перемешиваются.
2. В горячей воде температура выше, поэтому средняя интенсивность теплового движения частиц больше.
3. Более быстрые частицы чаще переходят между соседними областями, и окрашивание завершается раньше.

Ответ. Капля быстрее распространяется в горячей воде, потому что при нагревании диффузия обычно ускоряется. В реальном опыте перемешивание нельзя дополнительно усиливать встряхиванием, иначе появятся потоки воды.

Расстояние между частицами

Условие. В сосуде объёмом 1 см³ находится 10¹⁹ одинаковых частиц. Оценить среднее расстояние между соседними частицами, считая их расположенными примерно в узлах кубической сетки.

1. Найдём объём, приходящийся на одну частицу: V₁ = V/N = 1 см³ / 10¹⁹ = 10⁻¹⁹ см³.
2. Для кубической сетки этот объём приблизительно равен кубу среднего расстояния: l³ ≈ V₁.
3. Извлечём кубический корень: l ≈ ∛10⁻¹⁹ см ≈ 4,6 · 10⁻⁷ см.

Ответ. Среднее расстояние составляет примерно 4,6 · 10⁻⁷ см, или 4,6 нм. Это оценка: реальные частицы расположены не в идеальной сетке и имеют разные расстояния между соседями.

Типичные ошибки

Частицы неподвижны. Так думают, потому что тело кажется покоящимся в целом. На самом деле в тепловом равновесии частицы продолжают хаотически двигаться; проверить себя можно вопросом, исчезает ли движение при постоянной температуре.

Диффузия — это любой перенос вещества. Ошибка возникает, когда смешивают диффузию с потоком жидкости или газа. При диффузии перенос вызывается движением самих частиц, поэтому следует проверить, есть ли направленное движение всей среды.

Броуновская частица сама активно перемещается. Такое объяснение не учитывает молекулы окружающей среды: они неравномерно ударяют по частице и меняют её скорость. Проверка проста: при уменьшении размеров частицы и наблюдении под микроскопом беспорядочное движение становится заметнее.

При нагревании увеличиваются молекулы. Такую мысль подсказывает расширение тела, но обычно меняется расстояние между частицами и скорость их движения, а не размер самих молекул. Нужно различать размеры частиц и промежутки между ними.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны химические представления об атоме, молекуле, ионе и агрегатных состояниях вещества. Они помогают правильно называть частицы и понимать различия между газом, жидкостью и твёрдым телом.

Положения молекулярно-кинетической теории используются при объяснении давления газа, температуры и уравнения состояния идеального газа. В этих темах свойства большого объёма вещества связывают с движением огромного числа частиц.

Взаимодействие частиц важно при изучении жидкостей и твёрдых тел, теплового расширения и фазовых переходов. Изменение расстояний и связей между частицами объясняет плавление, испарение и переход вещества из одного состояния в другое.

Что запомнить

• Вещество состоит из огромного числа частиц.
• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Диффузия подтверждает движение частиц.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул среды.
• При повышении температуры тепловое движение обычно становится более интенсивным.