Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — теория, которая описывает строение и свойства вещества через движение и взаимодействие его частиц. Она позволяет связать невидимые процессы на уровне частиц с наблюдаемыми явлениями, например смешиванием веществ и изменением их температуры. С помощью МКТ можно объяснять, а не только описывать свойства тел.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства; молекулы состоят из атомов. Состав молекулы определяет, к какому веществу она относится, а атомы внутри неё соединены определённым образом. Это понятие помогает отличать частицу вещества от самого атома и рассматривать состав вещества на микроскопическом уровне.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Частицы движутся в разных направлениях, поэтому их движение в целом не задаёт какого-либо одного направления для всего тела. Интенсивность теплового движения связана с температурой: при нагревании она обычно возрастает, и это помогает объяснить изменения свойств вещества.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, молекулы одного газа постепенно распространяются среди молекул другого, даже если воздух не перемешивают. Понятие диффузии нужно, чтобы описывать и объяснять самостоятельное смешивание веществ.

Как это устроено

Первое положение МКТ утверждает, что вещество состоит из частиц. Его подтверждает опыт: если многократно делить каплю вещества, сохраняются очень малые порции, а свойства материала не исчезают сразу при каждом делении. Вещества можно измельчать и растворять, потому что их частицы разделены промежутками и способны распределяться среди частиц другого вещества. Делимость не означает, что вещество можно делить без конца и при этом получать частицы с теми же химическими свойствами: наименьшей такой частицей считают молекулу.

Частицы движутся непрерывно и хаотически, потому что находятся в тепловом движении и постоянно взаимодействуют друг с другом. Невидимое движение молекул можно заметить по диффузии: частицы одного вещества сами распространяются среди частиц другого. Ещё одно наблюдаемое свидетельство — броуновское движение взвешенных частиц. Эти явления показывают, что движение не прекращается, даже если всё тело или сосуд кажутся неподвижными.

Взаимодействие частиц зависит от расстояния между ними. Когда частицы сближены на очень малое расстояние, сильнее проявляется отталкивание: оно препятствует дальнейшему сжатию вещества. Если расстояние становится несколько больше, может преобладать притяжение, которое помогает частицам удерживаться рядом. Поэтому неверно считать, что молекулы только притягиваются или только отталкиваются: характер взаимодействия меняется с расстоянием.

Диффузия ускоряется при нагревании, потому что с ростом температуры тепловое движение частиц становится интенсивнее. Частицы быстрее меняют положение, и взаимное проникновение веществ идёт заметнее за то же время. При охлаждении движение становится менее интенсивным, поэтому смешивание обычно замедляется. Скорость диффузии зависит не только от температуры, но и от агрегатного состояния и свойств веществ.

Броуновское движение — это беспорядочное перемещение достаточно мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно возникает потому, что молекулы среды непрерывно ударяют по такой частице с разных сторон, а удары не уравновешиваются точно в каждый момент. Видимая частица намного крупнее молекул, и наблюдатель видит именно её перемещение, а не траектории молекул. При нагревании молекулы среды движутся интенсивнее, поэтому броуновское движение обычно становится заметнее.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

Сначала прочитайте положение, затем соотнесите его смысл с наблюдаемым подтверждением. Наблюдение не показывает молекулы напрямую, но позволяет сделать вывод об их существовании, движении и взаимодействии. Одно явление может быть связано сразу с несколькими положениями МКТ.

Разбор задач

Каплю чернил добавили в стакан воды. Объясните, почему со временем окрашивается весь объём воды.

Нужно объяснить распространение окраски в воде, не предполагая, что кто-то перемешивает её ложкой. Частицы чернил оказываются рядом с частицами воды и постепенно распределяются в разных направлениях. Это пример диффузии, которая происходит благодаря тепловому движению.

1. Капля распадается на частицы, окрашивающие воду.
2. Частицы чернил и воды непрерывно хаотически движутся, сталкиваясь и меняя направление.
3. Из-за этого окрашенные частицы постепенно проникают в разные части стакана, пока вода не приобретает более равномерную окраску.

Ответ: весь объём воды окрашивается из-за диффузии — взаимного проникновения частиц чернил и воды при их тепловом движении.

В двух одинаковых сосудах проводят опыт с диффузией, один сосуд нагрет сильнее. В каком сосуде смешивание произойдёт быстрее и почему?

Сравниваем сосуды при условии, что остальные условия опыта одинаковы. Тогда главное различие — температура, а значит, и интенсивность теплового движения частиц. Следовательно, можно предсказать, в каком сосуде быстрее будет идти диффузия.

1. В более нагретом сосуде частицы в среднем движутся интенсивнее.
2. За одинаковое время они успевают переместиться и перераспределиться заметнее.
3. Поэтому вещества быстрее смешиваются в нагретом сосуде; при охлаждении процесс обычно замедляется.

Ответ: быстрее смешивание произойдёт в сосуде, нагретом сильнее, потому что повышение температуры усиливает тепловое движение частиц.

Частица пыльцы в воде движется беспорядочно даже в неподвижном сосуде. Объясните наблюдение и укажите, что изменится при нагревании воды.

Сосуд неподвижен, но это не означает, что неподвижны его молекулы. Частица пыльцы гораздо крупнее молекул воды, однако молекулы непрерывно сталкиваются с ней с разных сторон. Чтобы ответить про нагревание, нужно учесть, как температура влияет на движение этих молекул.

1. Молекулы воды хаотически движутся и ударяют по частице пыльцы.
2. Удары с разных сторон не уравновешиваются точно, поэтому пыльца перемещается беспорядочно.
3. При нагревании движение молекул воды становится интенсивнее, и броуновское движение обычно усиливается.

Ответ: пыльца движется из-за неравномерных ударов молекул воды; при нагревании её беспорядочное движение станет интенсивнее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы неподвижны, если тело покоится. Путают движение тела целиком с движением его частиц: покоящийся стакан не перемещается по комнате, но его молекулы продолжают тепловое движение. Проверьте себя: спросите, описывается ли движение тела или частиц внутри него; это не одно и то же.

Ошибка: называть броуновское движение движением молекул. Такое смешение возникает потому, что оба процесса связаны с хаотическим движением и ударами. Однако наблюдаемая частица намного крупнее молекул среды и движется под действием их ударов; проверьте, что именно видно в опыте.

Ошибка: объяснять диффузию только перемешиванием или течением. Перемешивание действительно ускоряет смешивание, поэтому легко принять его за обязательную причину. Но диффузия происходит и в неподвижных средах; проверьте, движутся ли частицы сами по себе даже при отсутствии потока.

Ошибка: утверждать, что частицы притягиваются на любом расстоянии. Такое объяснение упускает, что характер взаимодействия зависит от расстояния. На очень малых расстояниях преобладает отталкивание, а на несколько больших — притяжение; для проверки всегда уточняйте, как расположены частицы.

Связь с другими темами

Для понимания МКТ полезно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, а также различать твёрдые тела, жидкости и газы. Их частицы движутся и взаимодействуют по-разному, поэтому агрегатное состояние влияет на свойства вещества и скорость диффузии. Представления о движении частиц понадобятся при изучении температуры и внутренней энергии, а взаимодействие частиц помогает перейти к объяснению давления газов. Диффузия связывает микроскопическое описание вещества с заметными явлениями в природе и быту.

Что запомнить

• Любое вещество состоит из частиц.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Диффузия происходит вследствие теплового движения частиц.
• При повышении температуры диффузия обычно ускоряется.
• Броуновское движение подтверждает движение молекул среды.