Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и движении его частиц. Она объясняет свойства тел через поведение атомов и молекул, а не только через внешние наблюдения. Благодаря ей можно связать нагревание, давление и распространение веществ с движением частиц.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов, соединённых определённым образом. Это понятие нужно, чтобы описывать состав вещества и отличать отдельную частицу от тела, состоящего из множества частиц.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение частиц, взвешенных в жидкости или газе. Например, частица пыльцы в воде меняет направление под действием ударов молекул воды. Наблюдение такого движения позволяет судить о невидимом движении молекул среды.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Поэтому запах постепенно распространяется по комнате, а растворённое вещество — по всему объёму воды. Термин помогает описать самопроизвольное смешивание без перемешивания ложкой или потоком.

Как это устроено

Первое положение теории утверждает, что вещества состоят из частиц: атомов, молекул или других более сложных образований. Между частицами есть промежутки, поэтому вещество не является сплошной средой в микроскопическом смысле. Малые размеры и массы частиц объясняют, почему отдельную молекулу нельзя увидеть невооружённым глазом, но её действие проявляется в совокупности огромного числа частиц.

Частицы непрерывно и хаотически движутся, потому что обладают тепловой энергией. В покоящемся стакане воды вода не перемещается как целое, однако её молекулы продолжают двигаться во всех направлениях. При повышении температуры средняя энергия и скорость движения возрастают, поэтому многие процессы, связанные с перемещением частиц, ускоряются.

Диффузия служит наблюдаемым подтверждением движения частиц: граница между двумя веществами постепенно исчезает без внешнего перемешивания. В газах частицы свободнее перемещаются и расстояния между ними больше, поэтому диффузия обычно идёт быстрее, чем в жидкостях; в твёрдых телах она особенно медленная. Нагревание ускоряет процесс, поскольку частицы движутся интенсивнее и чаще меняют положение.

Броуновская частица движется хаотически, потому что молекулы жидкости или газа ударяют по ней с разных сторон. В каждый момент число и сила ударов с противоположных направлений немного различаются, поэтому толчки не компенсируются. Сами молекулы не видны, но их беспорядочное воздействие проявляется в скачкообразном движении более крупной частицы.

Молекулы взаимодействуют друг с другом на расстоянии. При сравнительно большом расстоянии преобладает притяжение, благодаря которому частицы удерживаются рядом, а при сильном сближении резко возрастает отталкивание из-за строения атомов. Такое сочетание сил не даёт частицам бесконечно сближаться и помогает объяснить устойчивость веществ.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

В таблице сначала указана идея теории или наблюдаемое явление, затем её смысл и экспериментальная опора. Последний столбец показывает, какой вывод о частицах можно сделать из наблюдения.

Разбор задач

Задача 1. В комнате открыли флакон с пахучим веществом. Объясните, почему запах со временем ощущается в разных её частях. Нужно определить механизм распространения запаха и связать его с движением частиц воздуха и пахучего вещества.

1. Молекулы пахучего вещества выходят из флакона и смешиваются с молекулами воздуха.
2. Из-за хаотического теплового движения они перемещаются во всех направлениях, переходя в области с меньшей концентрацией.
3. Постепенно молекулы достигают разных участков комнаты, поэтому рецепторы воспринимают запах не только рядом с флаконом.

Ответ: запах распространяется благодаря диффузии и хаотическому движению молекул. Воздушные потоки могут дополнительно ускорять перенос, но основной молекулярно-кинетический механизм — взаимное проникновение частиц.

Задача 2. В двух сосудах одинакового объёма находятся вода и воздух. Сравните, где быстрее распространяется примесь вещества, и объясните зависимость результата от температуры. Сравнивать нужно не количество примеси, а скорость её перемещения между частицами среды.

1. В воздухе молекулы расположены дальше друг от друга и движутся свободнее, чем в воде.
2. Поэтому при одинаковой температуре диффузия примеси обычно быстрее происходит в воздухе.
3. При нагревании обеих сред движение частиц усиливается, и диффузия ускоряется, хотя воздух обычно сохраняет преимущество по скорости.

Ответ: примесь быстрее распространяется в воздухе. Повышение температуры увеличивает интенсивность теплового движения и ускоряет диффузию в обоих сосудах.

Задача 3. Частица пыльцы в воде движется беспорядочно, хотя вода неподвижна. Объясните наблюдение и предскажите, как изменится характер движения при повышении температуры. Следует различать покой воды как целого и движение её молекул.

1. Молекулы воды непрерывно и хаотически движутся, хотя видимый объём воды остаётся на месте.
2. Они ударяют по частице пыльцы с разных сторон, но число и сила ударов в каждый момент неодинаковы.
3. Неуравновешенные толчки заставляют частицу менять направление и скорость; при нагревании движение молекул усилится, а скачки частицы станут более интенсивными.

Ответ: наблюдается броуновское движение, вызванное ударами молекул воды. При повышении температуры оно обычно становится заметнее и активнее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать броуновское движение движением самих молекул. Её допускают, потому что наблюдают беспорядочное перемещение частицы и не видят ударов среды. Проверьте себя: броуновская частица значительно крупнее молекул и движется именно под их воздействием.

Ошибка: представлять молекулы неподвижными в покоящемся теле. Так происходит, если смешивать движение тела как целого с движением его частиц. Проверьте рассуждение вопросом: сохраняется ли тепловое движение молекул при отсутствии перемещения стакана или стола?

Ошибка: думать, что при диффузии частицы одного вещества проталкивают частицы другого только в одном направлении. Диффузия является взаимным проникновением, а хаотическое движение идёт во все стороны. Проверьте себя: после смешивания частицы обоих веществ оказываются распределены по всему доступному объёму.

Ошибка: считать, что молекулы только притягиваются. Это представление не объясняет, почему тела сопротивляются сжатию и почему частицы не сливаются в одну точку. Помните: при очень малом расстоянии между молекулами преобладает отталкивание.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать твёрдые тела, жидкости и газы, а также движение тела целиком и движение его частиц. Это различие помогает не принимать неподвижность предмета за неподвижность молекул.

Положения молекулярно-кинетической теории понадобятся при изучении температуры и давления газа. На их основе вводятся модель идеального газа и уравнение состояния.

Представление о взаимодействии частиц помогает объяснить свойства агрегатных состояний. Оно связывает строение вещества с прочностью твёрдых тел, текучестью жидкостей и сжимаемостью газов.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц — атомов и молекул.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются на некоторых расстояниях и отталкиваются при сильном сближении.
• Диффузия подтверждает движение частиц вещества.
• Броуновское движение возникает из-за ударов молекул среды по взвешенным частицам.
• При повышении температуры тепловое движение частиц становится интенсивнее.