"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Молекулы и атомы настолько малы, что их нельзя измерить линейкой или увидеть невооружённым глазом. Однако размер молекулы можно оценить косвенно: например, определить толщину очень тонкой масляной плёнки на воде. Если считать плёнку однослойной, её толщина примерно равна размеру молекулы масла. В теме также важны связь объёма, площади и толщины слоя, перевод единиц и понимание приблизительности результата.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Например, молекула воды обладает свойствами воды, хотя состоит всего из нескольких атомов. Размер молекул обычно имеет порядок 10−10 м.
Атом — частица химического элемента, входящая в состав молекул. Молекула может состоять из одинаковых или разных атомов, соединённых между собой. Размер атома сопоставим с размером молекулы, но точные значения зависят от вещества и строения частиц.
Размер молекулы — характерная длина, по которой оценивают величину молекулы. Для многих веществ она имеет порядок 10−10 м, то есть десятимиллиардную долю метра. Это не обязательно точный диаметр: сложную молекулу можно сравнивать с условной длиной или толщиной.
Масляная плёнка — тонкий слой масла, растёкшийся по поверхности воды. Измерив объём капли и площадь плёнки, можно вычислить её толщину. Если масло образовало один слой молекул, эта толщина даёт оценку размера молекулы.
Молекулы нельзя измерить обычной линейкой, потому что цена её деления во много раз больше размера частицы. Невооружённый глаз тоже не различает такие объекты: свет и возможности глаза не позволяют увидеть отдельную молекулу. Поэтому размер определяют не напрямую, а по результатам опыта с доступными измерениями.
Чтобы получить оценку размера одной молекулы, нужно связать невидимую частицу с наблюдаемым слоем вещества. Если известны объём масла и площадь, которую оно заняло, можно найти толщину слоя. При условии, что слой состоит примерно из одного ряда молекул, его толщина близка к размеру молекулы.
В опыте каплю масла помещают на поверхность воды. Масло не растворяется в воде и остаётся сверху, а силы взаимодействия между частицами заставляют его растекаться по свободной поверхности. Поэтому небольшое количество масла превращается в большое, очень тонкое пятно.
Объём масла при растекании не исчезает и не появляется: меняются только форма и площадь слоя. Для тонкого слоя объём равен произведению площади на толщину: V = Sh. Значит, толщину можно вычислить по формуле h = V/S, где V — объём капли, S — площадь плёнки, а h — её толщина.
Полученная толщина является приблизительной оценкой размера молекулы. Масляная плёнка может иметь неровные края, состоять не из одного идеального слоя и распределяться неравномерно. Кроме того, молекулы разных веществ и даже разные направления одной молекулы могут иметь неодинаковые размеры.
| Объект или величина | Порядок размера | Как оценивают | Что показывает результат |
|---|---|---|---|
| Атом | 10−10 м | По косвенным измерениям и сравнению с молекулами | Малый масштаб строения вещества |
| Молекула | 10−10 м | По толщине однослойной плёнки или другим косвенным данным | Характерный размер частицы вещества |
| Толщина масляной плёнки | Около 10−10 м | h = V/S | Приблизительный размер молекулы масла |
| Объём капли масла | Зависит от капли, например мм³ | Измеряют объём масла до растекания | Количество вещества в опыте |
| Площадь масляной плёнки | Зависит от растекания, например м² | Измеряют площадь пятна на воде | Размер поверхности, занятой маслом |
В таблице нужно отличать размеры частиц от величин, измеряемых во время опыта. Объём и площадь сами по себе не равны размеру молекулы, но через формулу V = Sh позволяют найти толщину слоя. Перед вычислением проверяйте, что единицы объёма, площади и длины согласованы.
Условие: масляная капля объёмом 0,1 мм³ растеклась по поверхности воды площадью 0,2 м². Нужно оценить толщину плёнки. Искомую величину найдём из формулы для тонкого слоя.
Ответ: толщина плёнки равна 5 · 10−10 м. Это значение можно использовать как оценку размера молекулы масла.
Условие: толщина масляной плёнки равна 5 · 10−10 м, площадь плёнки — 0,04 м². Требуется найти объём масла. Здесь неизвестен объём, поэтому применяем формулу слоя без преобразования единиц.
Ответ: объём масла равен 2 · 10−11 м³. Единица м³ получается потому, что м² умножается на м.
Условие: молекулы выстроены в цепочку длиной 1 мм, размер одной молекулы принят равным 10−10 м. Нужно узнать число молекул. Сначала переведём длину цепочки в метры, а затем разделим её на размер одной частицы.
Ответ: в цепочке будет примерно 10 000 000 молекул. Это показывает, насколько много очень маленьких частиц помещается даже в отрезке длиной 1 мм.
Ошибка 1. Считать, что молекулу можно непосредственно увидеть в обычный оптический микроскоп. Такое мнение возникает потому, что микроскоп увеличивает изображение, но его разрешающая способность всё равно недостаточна для частиц размером около 10−10 м. Проверяйте себя: сравнивайте размер объекта не только с увеличением, но и с возможностью различить две близкие точки.
Ошибка 2. Подставлять площадь в квадратных сантиметрах, а толщину — в метрах. Из-за разных единиц результат получается неверным, хотя сами действия с формулой правильны. Перед вычислением приведите все величины к одной системе, например к м² и м.
Ошибка 3. Путать объём капли с площадью плёнки. При растекании сохраняется количество масла, то есть его объём, а площадь поверхности увеличивается. Проверьте обозначения: в формуле V = Sh объём измеряется в м³, площадь — в м², толщина — в м.
Ошибка 4. Воспринимать 10−10 м как точный размер любой молекулы. Это число показывает порядок величины, а не одинаковый результат для всех веществ. Помните, что размеры зависят от строения молекулы и условий опыта.
Для этой темы нужны знания об единицах длины и объёма, переводе величин и записи чисел в стандартном виде. Без этого легко ошибиться в степенях десяти или единицах площади и объёма. Эти навыки пригодятся при решении всех количественных задач по физике.
Размеры молекул связаны со строением вещества: молекулы состоят из атомов и находятся в непрерывном движении. Их малый размер объясняет, почему вещество кажется сплошным, хотя между частицами есть промежутки. Наблюдать отдельные частицы трудно, поэтому используют косвенные опыты.
Дальше эти представления понадобятся при изучении диффузии, броуновского движения и молекулярно-кинетической теории. Размер частиц помогает объяснить скорость смешивания веществ и хаотическое движение небольших тел. Формула V = Sh также встречается при расчётах свойств тонких слоёв.
Почему молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом?
Размеры молекул имеют порядок 10−10 м, поэтому они во много раз меньше предметов, различимых глазом. Отдельная молекула также меньше разрешающей способности обычного оптического микроскопа.
Почему толщину масляной плёнки можно принять за размер молекулы?
Если масло растеклось одним слоем, его толщина примерно равна поперечному размеру одной молекулы. На практике плёнка может быть не идеально однослойной, поэтому так получают оценку, а не точное значение.
Почему масло растекается по поверхности воды тонким слоем?
Масло плохо смешивается с водой и обычно плавает на её поверхности. Силы взаимодействия между частицами масла и водой, а также стремление масла занять поверхность заставляют каплю растекаться.
Одинаковы ли размеры молекул разных веществ?
Нет, молекулы разных веществ имеют разное строение и размеры. Значение порядка 10−10 м является общей оценкой, а не точным размером каждой молекулы.
Как правильно перевести объём капли из мм³ в м³?
Так как 1 мм = 10−3 м, то 1 мм³ = (10−3 м)³ = 10−9 м³. Поэтому число, выраженное в мм³, нужно умножить на 10−9.
3. Размеры молекул и атомов
