Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — теория, которая объясняет свойства вещества его строением и движением частиц. Она позволяет связать наблюдаемые явления, например распространение запаха, с поведением невидимых молекул. Благодаря этому можно рассуждать о свойствах вещества, не рассматривая каждую частицу отдельно.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы могут состоять из одного или нескольких атомов, соединённых между собой. Понятие молекулы помогает описывать состав вещества и объяснять, почему при смешивании оно сохраняет свои химические особенности.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Слово «хаотическое» означает, что отдельные частицы движутся в разных направлениях, а не выстраиваются в общий поток. Это понятие нужно, чтобы объяснить перенос вещества и тепловые явления; с температурой связана интенсивность такого движения.

Броуновское движение — беспорядочное движение частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул окружающей среды. Оно названо по фамилии учёного Роберта Броуна, наблюдавшего такое движение. Изучая его, можно увидеть последствия движения молекул, хотя сами молекулы неразличимы.

Как это устроено

Представление об атомах и молекулах позволяет объяснять свойства вещества не только его внешним видом, но и устройством. Например, запах распространяется по комнате, потому что частицы вещества перемещаются и смешиваются с частицами воздуха. Значит, наблюдаемое изменение связано с движением мельчайших частиц, а не с тем, что вещество «само исчезает» или переносится без причины. МКТ помогает находить такую связь между наблюдением и поведением частиц.

Первое основное положение МКТ утверждает, что вещество состоит из частиц: атомов, молекул или ионов. Частицы очень малы, и их размеры различаются в зависимости от вида вещества; в привычном объёме их чрезвычайно много. Поэтому даже крошечная капля содержит огромное число молекул, и изменения в веществе обычно описывают через их совокупное поведение. Эта модель объясняет, почему свойства целого тела зависят от состава и количества частиц.

Частицы непрерывно движутся, потому что обладают тепловой энергией, а их движение происходит беспорядочно из-за постоянных столкновений и взаимодействий. В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений, а в жидкостях и газах могут перемещаться по объёму. Температура связана со средней энергией хаотического движения частиц: при нагревании оно обычно становится интенсивнее. Поэтому повышается скорость многих процессов, например диффузии.

Частицы взаимодействуют друг с другом: на некотором расстоянии они притягиваются, а при сильном сближении начинают отталкиваться. Притяжение помогает объяснить, почему вещество сохраняет связность, а отталкивание не даёт частицам бесконечно сблизиться. Соотношение этих сил меняется с расстоянием, поэтому нельзя представлять молекулы только как притягивающиеся друг к другу. Их взаимодействие проявляется в свойствах твёрдых тел, жидкостей и газов.

Броуновское движение и диффузия позволяют судить о движении молекул по видимым последствиям. В броуновском движении крупная частица сталкивается с молекулами среды, причём удары с разных сторон не уравновешиваются каждое мгновение. При диффузии частицы двух соприкасающихся веществ проникают друг между другом благодаря хаотическому движению. Оба явления подтверждают, что молекулы движутся и взаимодействуют, хотя напрямую наблюдать их нельзя.

Наблюдения, подтверждающие положения молекулярно-кинетической теории

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какое явление наблюдается, а затем проследите, какое поведение частиц может его вызвать. Один опыт не обязательно подтверждает все положения МКТ сразу. Сравнение разных наблюдений помогает увидеть, как отдельные свойства вещества связаны с движением, промежутками и взаимодействием частиц.

Разбор задач

Задача 1. Каплю красителя внесли в стакан воды. Опишите, почему со временем окрашивается весь объём воды. Нужно объяснить распространение красителя, не предполагая, что кто-то перемешивает воду. Используем представления о движении частиц и диффузии.

1. Частицы красителя и воды находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
2. У границы капли частицы красителя переходят в соседние области воды, а частицы воды перемещаются навстречу им. Так вещества постепенно смешиваются по всему доступному объёму.

Ответ: вода окрашивается вследствие диффузии — взаимного проникновения частиц красителя и воды. Хаотическое движение постепенно распределяет краситель по стакану. Перемешивание ускорило бы процесс, но для его начала не требуется.

Задача 2. Частица пыльцы в жидкости движется беспорядочно. Изменится ли характер её движения при повышении температуры жидкости? Для ответа важно отличить движение пыльцы от движения молекул. Пыльца намного крупнее молекул и испытывает их столкновения.

1. При нагревании жидкости тепловое движение её молекул обычно становится интенсивнее.
2. Более энергичные и неравномерные удары молекул сильнее меняют скорость и направление частицы пыльцы. Поэтому её беспорядочное движение обычно становится заметнее и интенсивнее.

Ответ: характер движения останется беспорядочным, но при повышении температуры оно обычно усилится. Причина — более интенсивные удары молекул жидкости. Это не означает, что пыльца движется так же, как отдельные молекулы.

Задача 3. Сравните два газа одинакового объёма при одинаковой температуре, если в первом число молекул вдвое больше. Как соотносятся средние расстояния между молекулами? Нужно сравнить концентрацию частиц, то есть их число в единице объёма. Считать требуется качественно: предполагается, что газы распределены по своим объёмам равномерно.

1. При одинаковом объёме в первом газе молекул вдвое больше, поэтому его концентрация вдвое выше.
2. Для грубой оценки можно представить, что каждой молекуле соответствует одинаковая доля объёма. Среднее расстояние связано с линейным размером этой доли, поэтому при увеличении числа частиц вдвое оно уменьшается, но не вдвое: ориентировочно в ³√2 раза.

Ответ: среднее расстояние между молекулами первого газа меньше; в простой модели равномерного распределения оно примерно в ³√2 раза меньше. Это качественная оценка, а не точный расчёт расстояния между каждой парой молекул. Температура в сравнении не меняет вывод о концентрации, заданной числом частиц и объёмом.

Типичные ошибки

Ошибка — считать молекулы неподвижными в твёрдом теле. Так думают, потому что твёрдое тело сохраняет форму и его частицы не перемещаются свободно по всему объёму. Однако частицы колеблются около устойчивых положений; проверить себя можно вопросом, прекращается ли тепловое движение при сохранении формы. Нет: движение продолжается, хотя оно ограничено.

Ошибка — называть броуновским движением перемещение самих молекул. Наблюдаемая частица пыльцы или другого вещества намного крупнее молекул, и её беспорядочные перемещения становятся видны благодаря неуравновешенным ударам молекул среды. Чтобы проверить объяснение, сравните размеры наблюдаемой частицы и молекулы и спросите, что именно различает глаз или микроскоп. Броуновская частица — не молекула.

Ошибка — думать, что при диффузии частицы одного вещества просто проталкивают частицы другого. Такое объяснение упускает хаотическое движение обеих групп частиц и создаёт неверное представление о направленном потоке. Проверьте себя: движение сохранялось бы, если бы поменять вещества местами? Да, потому что частицы обоих веществ движутся и взаимно смешиваются.

Ошибка — представлять взаимодействие молекул только как притяжение. Притяжение объясняет, почему частицы удерживаются рядом, но не объясняет, почему они не сливаются при столкновении. При сильном сближении преобладает отталкивание. Проверка проста: полное описание взаимодействия должно учитывать и притяжение, и отталкивание на разных расстояниях.

Связь с другими темами

Перед изучением МКТ полезно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, а также различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния. Эти сведения помогают понять, почему частицы в разных веществах могут вести себя по-разному. Например, в твёрдом теле они колеблются около устойчивых положений, а в газе перемещаются по всему доступному объёму.

Основные положения МКТ станут основой для изучения идеального газа, давления и температуры. Позже с их помощью можно объяснить, как движение частиц связано с давлением газа на стенки сосуда и с изменениями при нагревании. Та же модель нужна для понимания тепловых явлений и переходов вещества между состояниями.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Броуновское движение подтверждает тепловое движение молекул.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ.
• С повышением температуры тепловое движение обычно становится интенсивнее.