Dimensiunile atomilor și moleculelor. Estimați diametrul moleculei sale.Care este diametrul unei molecule de apă?

Instituție de învățământ municipală

„Școala medie de bază nr. 10”

Determinarea diametrului molecular

Lucrări de laborator

Interpret: Masaev Evgeniy

clasa a VII-a "A"

Director: Reznik A.V.

districtul Guryevsky

Introducere

Anul acesta am început să studiez fizica. Am învățat că corpurile care ne înconjoară constau din particule minuscule - molecule. M-a interesat dimensiunea moleculelor. Datorită dimensiunilor lor foarte mici, moleculele nu pot fi văzute cu ochiul liber sau cu un microscop obișnuit. Am citit că moleculele pot fi văzute doar cu un microscop electronic. Oamenii de știință au demonstrat că moleculele diferitelor substanțe diferă unele de altele, dar moleculele aceleiași substanțe sunt aceleași. Am vrut să măsoare diametrul unei molecule în practică. Dar, din păcate, programa școlară nu prevede studiul problemelor de acest gen și, considerând-o singură, s-a dovedit a fi o sarcină dificilă și a trebuit să studiez literatura despre metodele de determinare a diametrului moleculelor.

Capitoleu. Molecule

1.1 Din teoria problemei

O moleculă în sensul modern este cea mai mică particulă a unei substanțe care are toate ei proprietăți chimice. Molecula este capabilă de existență independentă. Poate consta din atomi identici, de exemplu, oxigen O2, ozon O3, azot N2, fosfor P4, sulf S6 etc., sau din atomi diferiți: aceasta include moleculele tuturor substanțelor complexe. Cele mai simple molecule constau dintr-un atom: acestea sunt molecule de gaze inerte - heliu, neon, argon, krypton, xenon, radon. În așa-numiții compuși și polimeri cu greutate moleculară mare, fiecare moleculă poate consta din sute de mii de atomi.

Dovada experimentală a existenței moleculelor a fost oferită mai întâi în mod convingător de fizicianul francez J. Perrin în 1906, în timp ce studia mișcarea browniană. Așa cum a arătat Perrin, este rezultatul mișcării termice a moleculelor - și nimic altceva.

Esența unei molecule poate fi descrisă din alt punct de vedere: o moleculă este un sistem stabil format din nuclee atomice (identice sau diferiți) și electroni din jur, iar proprietățile chimice ale moleculei sunt determinate de electronii învelișurilor exterioare din atomii. Atomii sunt combinați în molecule în cele mai multe cazuri prin legături chimice. De obicei, o astfel de legătură este creată de una, două sau trei perechi de electroni, care sunt împărțiți între doi atomi.

Atomii din molecule sunt legați între ei într-o anumită secvență și distribuiți în spațiu într-un anumit mod. Legăturile dintre atomi au puteri diferite; este estimat prin cantitatea de energie care trebuie cheltuită pentru a rupe legăturile interatomice.

Moleculele se caracterizează printr-o anumită dimensiune și formă. S-a determinat prin diferite metode că 1 cm3 din orice gaz în condiții normale conține aproximativ 2,7 x 10 19 molecule.

Pentru a înțelege cât de mare este acest număr, vă puteți imagina că molecula este o „cărămidă”. Apoi, dacă luați un număr de cărămizi egal cu numărul de molecule din 1 cm 3 de gaz în condiții normale și le așezați dens pe suprafața terestră a întregului glob, acestea ar acoperi suprafața cu un strat de 120 m înălțime, care este de aproape 4 ori înălțimea unei clădiri de 10 etaje. Numărul mare de molecule pe unitate de volum indică dimensiunea foarte mică a moleculelor în sine. De exemplu, masa unei molecule de apă este m=29,9 x 10 -27 kg. Dimensiunile moleculelor sunt în mod corespunzător mici. Diametrul unei molecule este considerat a fi distanța minimă până la care forțele de respingere le permit să se apropie. Cu toate acestea, conceptul de dimensiune moleculară este condiționat, deoarece la distanțe moleculare conceptele fizicii clasice nu sunt întotdeauna justificate. Dimensiunea medie a moleculelor este de aproximativ 10-10 m.

O moleculă ca sistem format din electroni și nuclei care interacționează se poate afla în stări diferite și se poate trece de la o stare la alta forțat (sub influența influențelor externe) sau spontan. Toate moleculele de un anumit tip sunt caracterizate de un anumit set de stări, care pot servi la identificarea moleculelor. Ca formațiune independentă, o moleculă are în fiecare stare un anumit set de proprietăți fizice; aceste proprietăți sunt păstrate într-un grad sau altul în timpul tranziției de la molecule la substanța formată din ele și determină proprietățile acestei substanțe. În timpul transformărilor chimice, moleculele unei substanțe schimbă atomi cu molecule ale altei substanțe, se descompun în molecule cu mai puțini atomi și, de asemenea, intră în reacții chimice alte tipuri. Prin urmare, chimia studiază substanțele și transformările lor în legătură inextricabilă cu structura și starea moleculelor.

O particulă neutră din punct de vedere electric este de obicei numită moleculă. Într-o substanță, ionii pozitivi coexistă întotdeauna cu cei negativi.

Pe baza numărului de nuclee atomice incluse în moleculă, moleculele se disting ca diatomice, triatomice etc. Dacă numărul de atomi dintr-o moleculă depășește sute și mii, molecula se numește macromoleculă. Suma maselor tuturor atomilor care alcătuiesc o moleculă este considerată masa moleculară. Pe baza greutății moleculare, toate substanțele sunt împărțite în mod convențional în moleculare joase și înalte.

1.2 Metode de măsurare a diametrului moleculelor

În fizica moleculară, principalii „actori” sunt moleculele, particulele inimaginabil de mici care alcătuiesc fiecare substanță din lume. Este clar că pentru a studia multe fenomene este important să știm ce molecule sunt acestea. În special, care sunt dimensiunile lor.

Când oamenii vorbesc despre molecule, ele sunt de obicei considerate ca niște bile mici, elastice și dure. Prin urmare, cunoașterea dimensiunii moleculelor înseamnă cunoașterea razei lor.

În ciuda dimensiunilor moleculare mici, fizicienii au reușit să dezvolte multe moduri de a le determina. Fizica 7 vorbește despre două dintre ele. Se profită de proprietatea unor (foarte puține) lichide de a se răspândi sub formă de peliculă de o moleculă de grosime. În altul, dimensiunea particulelor este determinată folosind un dispozitiv complex - un proiector de ioni.

Structura moleculelor este studiată prin diferite metode experimentale. Difracția electronilor, difracția cu neutroni și analiza structurală cu raze X oferă informații directe despre structura moleculelor. Difracția electronilor, o metodă care studiază împrăștierea electronilor de către un fascicul de molecule în faza gazoasă, permite calcularea parametrilor de configurație geometrică pentru molecule izolate relativ simple. Difracția neutronilor și analiza structurală cu raze X sunt limitate la analiza structurii moleculelor sau a fragmentelor individuale ordonate în faza condensată. Studiile cu raze X, pe lângă informațiile specificate, fac posibilă obținerea de date cantitative despre distributie spatiala densitatea electronilor în molecule.

Metodele spectroscopice se bazează pe individualitatea spectrelor compușilor chimici, care este determinată de setul de stări și nivelurile de energie corespunzătoare caracteristice fiecărei molecule. Aceste metode permit analiza spectrală calitativă și cantitativă a substanțelor.

Spectrele de absorbție sau de emisie în regiunea de microunde a spectrului fac posibilă studierea tranzițiilor între stările de rotație, determinarea momentelor de inerție ale moleculelor și, pe baza acestora, - lungimile legăturilor, unghiurile de legătură și alți parametri geometrici ai moleculelor. Spectroscopia în infraroșu, de regulă, studiază tranzițiile între stările vibrațional-rotaționale și este utilizată pe scară largă în scopuri spectrale și analitice, deoarece multe frecvențe vibraționale ale anumitor fragmente structurale de molecule sunt caracteristice și se modifică ușor atunci când se deplasează de la o moleculă la alta. În același timp, spectroscopia în infraroșu face posibilă evaluarea configurației geometrice de echilibru. Spectrele moleculelor din intervalele de frecvențe optice și ultraviolete sunt asociate în principal cu tranzițiile între stările electronice. Rezultatul cercetării lor sunt date despre caracteristicile suprafețelor potențiale pentru diferite stări și valorile constantelor moleculare care determină aceste suprafețe potențiale, precum și durata de viață a moleculelor în stări excitate și probabilitățile de tranziție de la o stare la o alta.

Informații unice despre detaliile structurii electronice a moleculelor sunt furnizate de spectrele foto- și de fotoelectroni cu raze X, precum și spectrele Auger, care fac posibilă evaluarea tipului de simetrie a orbitalilor moleculari și a caracteristicilor distribuției densității electronice. . Spectroscopia cu laser (în diverse intervale de frecvență), caracterizată printr-o selectivitate excepțional de mare a excitației, a deschis posibilități largi de studiere a stărilor individuale ale moleculelor. Spectroscopia cu laser pulsat permite analizarea structurii moleculelor de scurtă durată și a transformărilor lor într-un câmp electromagnetic.

O varietate de informații despre structura și proprietățile moleculelor sunt obținute prin studierea comportamentului acestora în câmpurile electrice și magnetice externe.

Există, totuși, o metodă foarte simplă, deși nu cea mai precisă, de calculare a razelor moleculelor (sau atomilor).Se bazează pe faptul că moleculele unei substanțe, atunci când aceasta se află în stare solidă sau lichidă, pot fi considerate strâns adiacente între ele. În acest caz, pentru o estimare aproximativă, putem presupune că volumul V ceva masă m a unei substanțe este pur și simplu egală cu suma volumelor moleculelor pe care le conține. Apoi obținem volumul unei molecule prin împărțirea volumului V pe numărul de molecule N.

Numărul de molecule dintr-un corp cântărind mîn egală măsură, după cum se știe,

, Unde M- masa molară a substanței N A este numărul lui Avogadro. De aici și volumul V 0 dintr-o moleculă se determină din egalitate.

Această expresie include raportul dintre volumul unei substanțe și masa ei. Opusul este adevărat

Este clar că nu vom putea măsura direct o astfel de particule de materie. Vom realiza un experiment din care, prin calcule simple, putem determina dimensiunea moleculelor. Desigur, ați văzut pe suprafața apei pelicule subțiri colorate formate din produse petroliere (uleiuri lubrifiante, motorină etc.). Culoarea filmelor subțiri apare din cauza suprapunerii razelor de lumină reflectate de pe suprafețele superioare și inferioare ale filmului, un fenomen numit interferență luminoasă. Din același motiv, bulele de săpun strălucesc cu toate culorile curcubeului.
Vei studia fenomenul de interferență la lecțiile de fizică. Și acum ne interesează grosimea filmului - v-ați întrebat vreodată cât de gros este? Determinarea grosimii filmului este foarte simplă: trebuie să-i împărțiți volumul la suprafața. Chiar și marinarii antici au observat că, dacă se toarnă ulei vegetal pe suprafața apei, acesta se va răspândi într-un loc foarte mare (la acea vreme a apărut o părere destul de ciudată că în acest fel se poate „calma” marea în timpul unei furtuni). Probabil prima persoană care a măsurat suprafața unei pete de ulei pe apă a fost remarcabilul om de știință și diplomat american Benjamin Franklin (1706-1790), a cărui imagine apare pe bancnota de o sută de dolari. Cea mai faimoasă invenție a lui este paratrăsnetul (sau mai bine zis, paratrăsnetul). În 1774, Franklin a călătorit în Europa pentru a rezolva un alt conflict dintre Anglia și Statele Unite. În timpul liber de la negocieri, a experimentat cu filme de ulei la suprafața apei. Spre surprinderea lui, o lingură de ulei vegetal s-a întins pe toată suprafața micului iaz. Dacă turnați ulei nevegetal în apă, dar ulei de mașină nevâscos, pata de la acesta nu va fi atât de mare: o picătură produce un cerc cu un diametru de aproximativ 20 cm. Zona unui astfel de film este aproximativ 300 cm3, volumul unei picături este de aproximativ 0,03 cm3. Prin urmare, grosimea filmului este de 0,03 cm1 / 300 cm3 = 0,0001 cm = 0,001 mm - 1 micron. O miime de milimetru este o valoare foarte mică; nu orice microscop poate vedea o particulă de această dimensiune.
Dar avem garanția că moleculele de ulei de mașină se răspândesc în apă într-un singur strat? La urma urmei, numai în acest caz grosimea filmului va corespunde mărimii moleculelor. Nu avem o astfel de garanție și iată de ce. Moleculele care alcătuiesc uleiul de motor sunt numite hidrofobe (tradus din greacă „hidrofob” - „teamă de apă”). Ei „aderă” destul de bine unul la celălalt, dar foarte fără tragere de inimă cu moleculele de apă. Dacă o substanță similară cu uleiul de mașină este turnată pe suprafața apei, aceasta formează pe ea o peliculă destul de groasă (după standardele moleculare), constând din sute și chiar mii de straturi moleculare. Pe lângă faptul că astfel de calcule sunt interesante în sine, ele sunt de mare importanță practică. De exemplu, până în prezent este imposibil să se evite accidentele uriașelor cisterne care transportă petrol la mii de kilometri de locul producției sale. Ca urmare a unui astfel de accident, o cantitate imensă de petrol se poate vărsa în mare, ceea ce va avea un efect dăunător asupra organismelor vii. Uleiul este mai vâscos decât uleiul de motor, așa că pelicula de pe suprafața apei poate fi ceva mai groasă. Astfel, într-unul dintre accidente, s-au vărsat 120.000 de tone de petrol, acoperind o suprafață de 500 km3. După cum arată un calcul simplu, grosimea medie a unui astfel de film este de 200 de microni. Grosimea peliculei depinde atât de tipul uleiului, cât și de temperatura apei: în mări reci, unde uleiul devine mai gros, pelicula este mai groasă, în mări calde, unde uleiul devine mai puțin vâscos, pelicula este mai subțire. Dar, în orice caz, accidentul unui tanc mare, când zeci de mii de tone de petrol cad în mare, este un dezastru. La urma urmei, dacă tot uleiul vărsat se răspândește într-un strat subțire, atunci se va forma o pată de suprafață enormă și este extrem de dificil să eliminați un astfel de film.
Este posibil să se facă o substanță răspândită peste apă, astfel încât să se formeze un singur strat de molecule (un astfel de film se numește monomolecular)? Se pare că acest lucru este posibil, dar în loc de ulei de mașină sau petrol, trebuie să luați o altă substanță. Moleculele unei astfel de substanțe trebuie să aibă un așa-numit grup hidrofil (adică „iubitor de apă”) de atomi la un capăt și o grupare hidrofobă la celălalt capăt. Ce se întâmplă dacă o substanță formată din astfel de molecule este plasată pe suprafața apei? Partea hidrofilă a moleculelor, încercând să se dizolve în apă, va trage molecula în apă, în timp ce partea hidrofobă, care se „teme” de apă, se va încăpățâna să evite contactul cu apa. Ca urmare a unei astfel de „neînțelegeri” reciproce, moleculele (dacă sunt ușor „presate” din lateral folosind o scândură) se vor alinia pe suprafața apei, așa cum se arată în Fig. 3.1: capetele lor hidrofile sunt încastrate în apă, iar capetele lor hidrofobe ies în afară.
\6666666666ы/
Orez. 3.1. Așa sunt orientate moleculele de agenți tensioactivi la granița apă-aer, formând o „palzadă Langmuir” - numită după chimistul și fizicianul american Irving Langmuir (1881-1957), care a creat în 1916 teoria structurii unor astfel de straturi pe suprafața lichidelor
Substanțele care se comportă în acest fel se numesc surfactanți. Acestea includ, de exemplu, săpunul și alți detergenți; acid oleic, care face parte din uleiul de floarea soarelui; alcool palmitic, care face parte din uleiul de palmier și uleiul de balenă. Răspândirea unor astfel de substanțe pe suprafața apei produce pelicule mult mai subțiri decât uleiul de mașină. Acest fenomen este cunoscut de mult timp; experimente similare au fost efectuate încă din secolul al XVIII-lea. Dar abia la sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea, ca urmare a experimentelor efectuate de fizicianul englez John William Rayleigh (1842-1919), fizicianul german Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) și un număr de alți oameni de știință, s-a demonstrat că grosimea filmului poate atinge dimensiuni atât de mici, care sunt comparabile cu dimensiunile moleculelor individuale.
Într-unul dintre aceste experimente, chimistul englez Neil Kensington Adam.Majoritatea moleculelor și ionilor substanțelor cunoscute nouă au dimensiuni de ordinul a 1 nm. Astfel, diametrul moleculelor de hidrogen este de aproximativ 0,2 nm, iod - 0,5 nm, alcool etilic - 0,4 nm; raza ionilor de aluminiu este de 0,06 nm, sodiu - 0,10 nm, clorură - 0,13 nm, clor - 0,18 nm, iod - 0,22 nm. Dar printre molecule există și giganți, ale căror dimensiuni, după standardele moleculare, sunt cu adevărat astronomice. Astfel, în nucleele celulelor animalelor și plantelor superioare există molecule de ereditate - acizi dezoxiribonucleici (ADN). Lungimea lor poate depăși 2.000.000 nm, adică 2 mm!
Pentru a încheia această secțiune, o scurtă poveste despre metoda ingenioasă (deși nu cea mai precisă) folosită în 1908 de omul de știință francez Jean Perrin pentru a „cântări” molecule. După cum știți, densitatea aerului scade odată cu înălțimea. La începutul secolului al XIX-lea, omul de știință francez Pierre Laplace a dezvoltat o formulă care permite calcularea presiunii la diferite altitudini. Conform acestei formule, presiunea atmosferică scade la jumătate la fiecare 6 km de creștere. Această valoare depinde, desigur, de forța gravitației, precum și de masa moleculelor de aer. Dacă aerul ar fi format nu din azot și oxigen, ci din molecule de hidrogen foarte ușoare (sunt de 16 ori mai ușoare decât moleculele de oxigen), atunci s-ar observa o scădere a presiunii atmosferice la jumătate la o altitudine de nu 6 km, ci de aproximativ 16 ori. mai mult, adică aproximativ 100 km. În schimb, dacă moleculele ar fi foarte grele, atmosfera ar fi „presată” pe suprafața Pământului și presiunea ar scădea rapid odată cu înălțimea.
Raționând astfel. În loc de molecule, Perrin a decis să folosească bile minuscule de colorant de gummigut suspendate în apă. A încercat să pregătească o suspensie (emulsie) cu bile de aceeași dimensiune - aproximativ 1 micron în diametru. Apoi a pus o picătură de emulsie la microscop și, mișcând șurubul microscopului pe verticală, a numărat numărul de bile de gumă la diferite înălțimi. S-a dovedit că formula lui Laplace este destul de aplicabilă emulsiilor: pentru fiecare creștere de 6 µm, numărul de bile din câmpul vizual a scăzut la jumătate. Deoarece 6 km este exact de un miliard de ori mai mare decât 6 microni, Perrin a concluzionat că moleculele de oxigen și azot sunt de același număr de ori mai ușoare decât gumballs (și masa lor poate fi deja determinată experimental).

Masa molara de apa:

Dacă moleculele dintr-un lichid sunt împachetate strâns și fiecare dintre ele se potrivește într-un cub cu un volum de V 1 cu coastă d, Acea .

Volumul unei molecule: ,unde: Vm o singură rugăciune, N / A- Numărul lui Avogadro.

Volumul unui mol de lichid: , unde: M- masa sa molară este densitatea sa.

Diametrul moleculei:

Calculând avem:

Greutatea moleculară relativă a aluminiului Mr=27. Determinați principalele sale caracteristici moleculare.

1. Masa molară a aluminiului: M=Mr. 10-3 M = 27. 10 -3

Aflați concentrația de molecule, heliu (M = 4,10 -3 kg/mol) în condiții normale (p = 10 5 Pa, T = 273 K), viteza lor pătrată medie și densitatea gazului. De la ce adâncime într-un corp de apă plutește o bula de aer dacă volumul ei se dublează?

Nu știm dacă temperatura aerului din bulă rămâne aceeași. Dacă este același, atunci procesul de ascensiune este descris de ecuație pV=const. Dacă se schimbă, atunci ecuația pV/T=const.

Să evaluăm dacă facem o mare greșeală dacă neglijăm schimbarea temperaturii.

Să presupunem că avem rezultatul cel mai nefavorabil.Lasă vremea să fie foarte caldă și temperatura apei la suprafața rezervorului să ajungă la +25 0 C (298 K). În partea de jos, temperatura nu poate fi mai mică de +4 0 C (277 K), deoarece această temperatură corespunde densității maxime a apei. Astfel, diferența de temperatură este de 21K. În raport cu temperatura inițială, această valoare este %%.Este puțin probabil să întâlnim un astfel de corp de apă, diferența de temperatură între suprafață și fundul căruia este egală cu valoarea numită. În plus, bula plutește destul de repede și este puțin probabil să aibă timp să se încălzească complet în timpul ascensiunii. Astfel, eroarea reală va fi semnificativ mai mică și putem neglija complet schimbarea temperaturii aerului în bule și putem folosi legea Boyle-Mariotte pentru a descrie procesul: p 1 V 1 =p 2 V 2, Unde: p 1- presiunea aerului în bulă la adâncime h (p 1 = p atm. + rgh), p 2- presiunea aerului în bula de lângă suprafață. p 2 = p atm.

(p atm + rgh)V =p atm 2V; ;

ceașcă

Un pahar întors cu susul în jos este scufundat într-un iaz. La ce adâncime va începe paharul să se scufunde?

Aerul este blocat într-un pahar răsturnat. Problema spune că sticla începe să se scufunde doar la o anumită adâncime. Aparent, dacă este eliberat la o adâncime mai mică decât o anumită adâncime critică, va pluti în sus (presupunând că sticla este poziționată strict vertical și nu se răsturnează).

Nivelul deasupra căruia plutește sticla și sub care se scufundă este caracterizat de egalitatea forțelor aplicate sticlei din diferite părți.

Forțele care acționează asupra sticlei în direcția verticală sunt forța gravitațională în jos și forța de plutire în sus.

Forța de flotabilitate este legată de densitatea lichidului în care este plasat sticla și de volumul de lichid deplasat de acesta.

Forța gravitației care acționează asupra sticlei este direct proporțională cu masa acestuia.

Din contextul problemei rezultă că pe măsură ce sticla se scufundă, forța ascendentă scade. O scădere a forței de flotabilitate poate apărea numai datorită scăderii volumului lichidului deplasat, deoarece lichidele sunt practic incompresibile, iar densitatea apei la suprafață și la o anumită adâncime este aceeași.

O scădere a volumului lichidului deplasat poate apărea din cauza comprimării aerului din sticlă, care, la rândul său, poate apărea din cauza creșterii presiunii. Schimbarea temperaturii pe măsură ce sticla este scufundată poate fi ignorată dacă nu ne interesează o precizie prea mare a rezultatului. Justificarea corespunzătoare este dată în exemplul anterior.

Relația dintre presiunea gazului și volumul acestuia la temperatură constantă este exprimată prin legea Boyle-Mariotte.

Presiunea lichidului crește de fapt odată cu adâncimea și se transmite în toate direcțiile, inclusiv în sus, în mod egal.

Presiunea hidrostatică este direct proporțională cu densitatea lichidului și înălțimea acestuia (adâncimea de imersie).

După ce am notat ca ecuație inițială ecuația care caracterizează starea de echilibru a sticlei, substituind în ea secvențial expresiile găsite în timpul analizei problemei și rezolvând ecuația rezultată pentru adâncimea dorită, ajungem la concluzia că pentru a pentru a obține un răspuns numeric trebuie să cunoaștem valorile densității apei, presiunea atmosferică, masa sticlei, volumul și accelerația acesteia cădere liberă.

Toate argumentele efectuate pot fi afișate astfel:

Deoarece nu există date în textul problemei, o vom stabili noi înșine.

Dat:

Densitatea apei r=10 3 kg/m 3.

Presiunea atmosferică 10 5 Pa.

Volum sticla 200 ml = 2 00. 10 -3 l = 2. 10 -4 m 3.

Masa paharului este de 50 g = 5. 10 -2 kg.

Accelerația gravitațională g = 10 m/s 2.

Soluție numerică:

Ridicarea balonului

De câte grade trebuie încălzit aerul din interiorul balonului pentru ca acesta să înceapă să se ridice?

Problema ridicării unui balon, la fel ca problema unui pahar care se scufundă, poate fi clasificată ca o problemă statică.

Mingea va începe să se ridice în același mod cu paharul care se scufundă, de îndată ce egalitatea forțelor aplicate acestor corpuri și îndreptate în sus și în jos este perturbată. Bila, la fel ca sticla, este supusă forței gravitaționale îndreptate în jos și forței de plutire îndreptate în sus.

Forța de plutire este legată de densitatea aerului rece care înconjoară mingea. Această densitate poate fi găsită din ecuația Mendeleev-Clapeyron.

Forța gravitațională este direct proporțională cu masa mingii. Masa mingii, la rândul său, constă din masa carcasei și masa de aer cald din interiorul acesteia. Masa de aer cald poate fi găsită și din ecuația Mendeleev-Clapeyron.

Schematic, raționamentul poate fi afișat după cum urmează:

Din ecuație, puteți exprima cantitatea dorită, estima valorile posibile ale mărimilor necesare pentru a obține o soluție numerică a problemei, înlocuiți aceste mărimi în ecuația rezultată și găsiți răspunsul în formă numerică.

Un vas închis conține 200 g de heliu. Gazul trece printr-un proces complex. Modificarea parametrilor săi este reflectată în graficul volumului față de temperatura absolută.

1. Exprimați masa gazului în SI.

2. Care este masa moleculară relativă a acestui gaz?

3. Care este masa molară a acestui gaz (în SI)?

4. Care este cantitatea de substanță conținută în vas?

5. Câte molecule de gaz sunt în vas?

6. Care este masa unei molecule din acest gaz?

7. Numiți procesele din secțiunile 1-2, 2-3, 3-1.

8. Determinați volumul de gaz în punctele 1,2, 3, 4 în ml, l, m 3.

9. Determinați temperatura gazului în punctele 1,2, 3, 4 la 0 C, K.

10. Determinați presiunea gazului în punctele 1, 2, 3, 4 în mm. rt. Artă. , atm, Pa.

11. Înfățișați acest proces pe un grafic al presiunii în funcție de temperatura absolută.

12. Înfățișați acest proces pe un grafic al presiunii în funcție de volum.

Instructiuni de rezolvare:

1. Vezi starea.

2. Greutatea moleculară relativă a unui element se determină cu ajutorul tabelului periodic.

3. M=M r·10 -3 kg/mol.

7. p=const - izobar; V=const-izochoric; T=const - izotermă.

8. 1 m 3 = 10 3 l; 1 l = 10 3 ml. 9. T=t+ 273. 10. 1 atm. = 10 5 Pa = 760 mm Hg. Artă.

8-10. Puteți folosi ecuația Mendeleev-Clapeyron sau legile gazelor lui Boyle-Mariotte, Gay-Lussac, Charles.

Răspunsuri la problemă

m = 0,2 kg
M r = 4
M = 4 10 -3 kg/mol
n = 50 mol
N = 3 10 25
m =6,7 10 -27 kg
1 - 2 - izobar
2 - 3 - izocoric
3 - 1 - izotermă
№	ml	l	m 3
	2 10 5		0,2
	7 10 5		0,7
	7 10 5		0,7
	4 10 5		0,4
№	0 C	LA
№	mmHg.	ATM	Pa
	7,6 10 3		10 6
	7,6 10 3		10 6
	2,28 10 3		0,3 10 6
	3,8 10 3		0,5 10 6

Umiditatea relativă a aerului dintr-un vas închis ermetic la o temperatură t 1 = 10 0 C este egală cu j 1 = 80%.

>>Fizica: Principii de bază ale teoriei cinetice moleculare. Dimensiuni moleculare

Moleculele sunt foarte mici, dar uite cât de ușor este să le estimezi dimensiunea și masa. O observație și câteva calcule simple sunt suficiente. Adevărat, încă trebuie să ne dăm seama cum să facem asta.
Teoria cinetică moleculară a structurii materiei se bazează pe trei afirmații: materia este formată din particule; aceste particule se mișcă aleatoriu; particulele interacționează între ele. Fiecare afirmație este strict dovedită prin experimente.
Proprietățile și comportamentul tuturor corpurilor fără excepție, de la ciliați la stele, sunt determinate de mișcarea particulelor care interacționează între ele: molecule, atomi sau chiar formațiuni mai mici - particule elementare.
Estimarea dimensiunilor moleculare. Pentru a fi complet siguri de existența moleculelor, trebuie determinate dimensiunile acestora.
Cel mai simplu mod de a face acest lucru este să urmăriți o picătură de ulei, cum ar fi uleiul de măsline, răspândită pe suprafața apei. Uleiul nu va acoperi niciodată întreaga suprafață dacă vasul este mare ( Fig.8.1). Este imposibil să forțați o picătură cu un volum de 1 mm 3 să se răspândească astfel încât să ocupe o suprafață mai mare de 0,6 m 2. Se poate presupune că, atunci când uleiul se răspândește pe suprafața maximă, formează un strat gros de doar o moleculă - un „strat monomolecular”. Grosimea acestui strat este ușor de determinat și, prin urmare, de estimat dimensiunea moleculei de ulei de măsline.

Volum V stratul de ulei este egal cu produsul suprafeței sale S prin grosime d strat, adică V=Sd. Prin urmare, dimensiunea moleculei de ulei de măsline este:

Nu este nevoie să enumerăm acum toate modalitățile posibile de a demonstra existența atomilor și a moleculelor. Instrumentele moderne fac posibilă vizualizarea imaginilor unor atomi și molecule individuali. Figura 8.2 prezintă o micrografie a suprafeței unei plachete de siliciu, unde denivelările sunt atomi individuali de siliciu. Astfel de imagini s-au învățat pentru prima dată să fie obținute în 1981 folosind nu microscoape optice obișnuite, ci microscoape complexe de tunel.

Dimensiunile moleculelor, inclusiv uleiul de măsline, sunt mai mari decât dimensiunile atomilor. Diametrul oricărui atom este de aproximativ 10 -8 cm. Aceste dimensiuni sunt atât de mici încât sunt greu de imaginat. În astfel de cazuri, se recurge la comparații.
Iată una dintre ele. Dacă strângeți degetele într-un pumn și îl măriți la dimensiunea globului, atunci atomul la aceeași mărire va deveni de dimensiunea unui pumn.
Numărul de molecule. Cu dimensiuni moleculare foarte mici, numărul lor în orice corp macroscopic este enorm. Să calculăm numărul aproximativ de molecule dintr-o picătură de apă cu o masă de 1 g și, prin urmare, un volum de 1 cm 3.
Diametrul unei molecule de apă este de aproximativ 3 10 -8 cm Având în vedere că fiecare moleculă de apă, atunci când moleculele sunt strâns împachetate, ocupă un volum (3 10 -8 cm) 3, puteți afla numărul de molecule dintr-o picătură cu împărțirea volumului picăturii (1 cm 3) la volum, pe moleculă:

La fiecare inhalare, captezi atât de multe molecule încât, dacă toate ar fi distribuite uniform în atmosfera Pământului după expirare, atunci fiecare locuitor al planetei ar primi două sau trei molecule care se aflau în plămânii tăi la inhalare.
Dimensiunile atomilor sunt mici: .
Cele trei prevederi principale ale teoriei cinetice moleculare vor fi discutate în mod repetat.

???
1. Ce măsurători trebuie făcute pentru a estima dimensiunea moleculei de ulei de măsline?
2. Dacă un atom ar fi mărit la dimensiunea unei semințe de mac (0,1 mm), ce dimensiune a corpului ar atinge boabele cu aceeași creștere?
3. Enumerați dovezile cunoscute de dvs. pentru existența unor molecule care nu sunt menționate în text.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a

Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; recomandări metodologice; programe de discuții Lecții integrate

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,

Teoria cinetică moleculară a gazelor ideale

În fizică, două metode principale sunt utilizate pentru a descrie fenomenele termice: cinetică moleculară (statistică) și termodinamică.

Metoda cinetică moleculară (statistic) pe baza ideii că toate substanţele constau din molecule aflate în mişcare haotică. Deoarece numărul de molecule este uriaș, este posibil, folosind legile statisticii, să găsim anumite modele pentru întreaga substanță în ansamblu.

Metoda termodinamică provine din legile experimentale de bază numite legile termodinamicii. Metoda termodinamică abordează studiul fenomenelor similare mecanicii clasice, care se bazează pe legile experimentale ale lui Newton. Această abordare nu ia în considerare structura internă a materiei.

Principii de bază ale teoriei cinetice moleculare

Și justificarea lor experimentală. Mișcarea browniană.

Masa și dimensiunea moleculelor.

O teorie care studiază fenomenele termice din corpurile macroscopice și explică dependența proprietăților interne ale corpurilor de natura mișcării și a interacțiunii dintre particulele care alcătuiesc corpurile se numește teoria cinetică moleculară ( prescurtat MKT ) sau pur și simplu fizică moleculară.

Teoria cinetică moleculară se bazează pe trei principii cele mai importante:

Conform prima pozitie MKT , V Toate corpurile constau dintr-un număr mare de particule (atomi și molecule), între care există spații .

Atom este o microparticulă neutră din punct de vedere electric, constând dintr-un nucleu încărcat pozitiv și o înveliș de electroni care o înconjoară. Se numește o colecție de atomi de același tip element chimic . În starea lor naturală, în natură apar atomi a 90 de elemente chimice, dintre care cel mai greu este uraniul. Când sunt apropiați, atomii se pot uni în grupuri stabile. Se numesc sisteme cu un număr mic de atomi legați împreună moleculă . De exemplu, o moleculă de apă este formată din trei atomi (Fig.): doi atomi de hidrogen (H) și un atom de oxigen (O), deci este desemnată H 2 O. Moleculele sunt cele mai mici particule stabile ale unei substanțe date care au proprietăți chimice de bază. De exemplu, cea mai mică particulă de apă este o moleculă de apă, cea mai mică particulă de zahăr este o moleculă de zahăr.

Se spune că se află în substanțe formate din atomi care nu sunt uniți în molecule stare atomică; altfel vorbesc despre stare moleculară. În primul caz, cea mai mică particulă a unei substanțe este un atom (de exemplu, He), în al doilea caz, este o moleculă (de exemplu, H 2 O).

Dacă două corpuri constau din același număr de particule, atunci se spune că ele conțin aceleași cantitate de substanță . Cantitatea de substanță este notă cu litera greacă ν(nu) și se măsoară în alunițe. Pentru 1 mol ia cantitatea de substanță în 12 g de carbon. Deoarece 12 g de carbon conțin aproximativ 6∙1023 de atomi, atunci pentru cantitatea de substanță (adică numărul de moli) dintr-un corp format din N particule, putem scrie

Dacă introducem notația N A = 6∙10 23 mol -1.

atunci relația (1) va lua forma următoarei formule simple:

Prin urmare, cantitate de substanță este raportul dintre numărul N de molecule (atomi) dintr-un corp macroscopic dat și numărul N A de atomi din 0,012 kg de atomi de carbon:

1 mol de orice substanță conține N A = 6,02·10 23 de molecule. Se numește numărul N A constanta lui Avogadro. Sensul fizic al constantei lui Avogadro este că valoarea sa arată numărul de particule (atomi dintr-o substanță atomică, molecule dintr-o substanță moleculară) conținute în 1 mol de orice substanță.

Se numește masa unui mol dintr-o substanță Masă molară . Dacă masa molară este notă cu litera μ, atunci pentru cantitatea de substanță dintr-un corp de masă m putem scrie:

Din formulele (2) și (3) rezultă că numărul de particule din orice corp poate fi determinat prin formula:

Masa molară este determinată de formula

M=M g 10-3 kg/mol

Aici se notează M g masa moleculară (atomică) relativă a unei substanțe, măsurată în a.m.u. (unități de masă atomică), care în fizica moleculară caracterizează de obicei masa moleculelor (atomi).Masa moleculară relativă M g se poate determina dacă masa moleculară medie (m m) a unei substanțe date este împărțită la 1/12 din masa izotopului de carbon 12 C:

1/12 m 12 C = 1 a.u.m = 1,66 10 -27 kg.

La rezolvarea problemelor, această valoare este găsită folosind tabelul periodic. Acest tabel arată masele atomice relative ale elementelor. Adăugarea lor în conformitate cu formula chimică a moleculei unei substanțe date și obținerea relativă moleculară M g . De exemplu, pentru

carbon (C) M g =12.10 -3 kg/mol

apă (H2O) M g = (1·2+16)=18.10 -3 kg/mol.

Definit în mod similar masa atomică relativă.

Un mol de gaz în condiții normale ocupă un volum V 0 = 22,4 10 23 m 3

Prin urmare, în 1 m 3 de orice gaz la conditii normale (determinat de presiunea P = 101325 Pa = 10 5 Pa = 1 atm; temperatura 273ºK (0ºC), volumul de 1 mol de gaz ideal V 0 = 22,4 10 -3 m 3) conține același număr de molecule:

Acest număr se numește constantă Loshmidt.

Moleculele (precum atomii) nu au limite clare. Dimensiunile moleculelor de solide pot fi estimate aproximativ după cum urmează:

unde este volumul pentru 1 moleculă, este volumul întregului corp,

m și ρ sunt masa și densitatea sa, N este numărul de molecule din el.

Atomii și moleculele nu pot fi văzute cu ochiul liber sau cu un microscop optic. Prin urmare, îndoielile multor oameni de știință sfârşitul XIX-lea V. în realitatea existenţei lor se poate înţelege. Cu toate acestea, în secolul al XX-lea. situația a devenit diferită. Acum, cu ajutorul unui microscop electronic, precum și cu microscopia holografică, este posibil să se observe imagini nu numai ale moleculelor, ci chiar și ale atomilor individuali.

Datele de difracție de raze X arată că diametrul oricărui atom este de ordinul d = 10 -8 cm (10 -10 m). Moleculele sunt mai mari decât atomii. Deoarece moleculele sunt formate din mai mulți atomi, cu cât numărul de atomi dintr-o moleculă este mai mare, cu atât este mai mare dimensiunea acesteia. Dimensiunile moleculelor variază de la 10 -8 cm (10 -10 m) la 10 -5 cm (10 -7 m).

Masele moleculelor și atomilor individuali sunt foarte mici, de exemplu, valoarea absolută a masei unei molecule de apă este de aproximativ 3·10 -26 kg. Masa moleculelor individuale este determinată experimental folosind un dispozitiv special - un spectrometru de masă.

Pe lângă experimentele directe care fac posibilă observarea atomilor și moleculelor, multe alte date indirecte vorbesc în favoarea existenței lor. Acestea sunt, de exemplu, fapte referitoare la dilatarea termică a corpurilor, compresibilitatea lor, dizolvarea unor substanțe în altele etc.

Conform a doua poziţie a teoriei cinetice moleculare, particulele se mișcă continuu și haotic (aleatoriu).

Această poziție este confirmată de existența difuziei, evaporării, presiunii gazului pe pereții vasului, precum și de fenomenul de mișcare browniană.

Mișcarea aleatorie înseamnă că moleculele nu au căi preferate și mișcările lor au direcții aleatorii.

Difuzia (din latină difuzie - răspândire, răspândire) - fenomen când, ca urmare a mișcării termice a unei substanțe, are loc pătrunderea spontană a unei substanțe în alta (dacă aceste substanțe vin în contact). Conform teoriei cinetice moleculare, o astfel de amestecare are loc ca urmare a moleculelor care se mișcă aleatoriu ale unei substanțe care pătrund în spațiile dintre moleculele altei substanțe. Adâncimea de penetrare depinde de temperatură: cu cât temperatura este mai mare, cu atât viteza de mișcare a particulelor substanței este mai mare și difuzia are loc mai rapid. Difuzia se observă în toate stările materiei - în gaze, lichide și solide. Difuzia are loc cel mai repede în gaze (de aceea mirosul se răspândește atât de repede în aer). Difuzia are loc mai lent în lichide decât în ​​gaze. Acest lucru se explică prin faptul că moleculele lichidului sunt situate mult mai dense și, prin urmare, este mult mai dificil să „treceți” prin ele. Difuzia are loc cel mai lent în solide. Într-un experiment, plăci de plumb și aur lustruite fin au fost așezate una peste alta și strânse cu o greutate. După cinci ani, aurul și plumbul s-au pătruns unul în celălalt cu 1 mm. Difuzia în solide asigură îmbinarea metalelor în timpul sudării, lipirii, cromării etc. Difuzia are mare importanțăîn procesele de viață ale oamenilor, animalelor și plantelor. De exemplu, datorită difuziei, oxigenul pătrunde din plămâni în sângele uman și din sânge în țesuturi.

Mișcarea browniană numită mișcare aleatorie a particulelor mici dintr-o altă substanță suspendată într-un lichid sau gaz. Această mișcare a fost descoperită în 1827 de botanistul englez R. Brown, care a observat la microscop mișcarea polenului suspendat în apă. În zilele noastre, pentru astfel de observații, se folosesc părți mici de vopsea gummigut, care nu se dizolvă în apă. Într-un gaz, mișcarea browniană este realizată, de exemplu, de particule de praf sau de fum suspendate în aer. Mișcarea browniană a unei particule are loc deoarece impulsurile cu care moleculele unui lichid sau gaz acționează asupra acestei particule nu se compensează reciproc. Moleculele mediului (adică moleculele de gaz sau lichid) se mișcă haotic, astfel încât impacturile lor conduc particula browniană în mișcare aleatorie: particula browniană își schimbă rapid viteza în direcție și mărime (Fig. 1).

În timpul studiului mișcării browniene s-a descoperit că intensitatea acesteia: a) crește odată cu creșterea temperaturii mediului; b) crește pe măsură ce dimensiunea particulelor browniene în sine scade; c) scade într-un lichid mai vâscos și d) este complet independent de materialul (densitatea) particulelor browniene. În plus, s-a constatat că această mișcare este universală (deoarece se observă în toate substanțele suspendate în stare pulverizată într-un lichid), continuă (într-o cuvă închisă pe toate părțile, se poate observa săptămâni, luni, ani) și haotic (aleatoriu).

Conform a treia prevedere a IKT , particulele de materie interacționează între ele: sunt atrase la distanțe scurte și se resping atunci când aceste distanțe scad.

Prezența forțelor de interacțiune intermoleculară (forțe de atracție și repulsie reciprocă) explică existența unor corpuri lichide și solide stabile.

Aceleași motive explică compresibilitatea scăzută a lichidelor și capacitatea solidelor de a rezista la deformații la compresiune și la tracțiune.

Forțele interacțiunii intermoleculare sunt de natură electromagnetică și se rezumă la două tipuri: atracție și repulsie. Aceste forțe se manifestă la distanțe comparabile cu dimensiunea moleculelor. Motivul pentru aceste forțe este că moleculele și atomii constau din particule încărcate cu semne opuse de sarcini - electroni negativi și nuclee atomice încărcate pozitiv. În general, moleculele sunt neutre din punct de vedere electric. În figura 2.2, folosind săgeți, se arată că nucleele atomilor, în interiorul cărora sunt protoni încărcați pozitiv, se resping reciproc, iar electronii încărcați negativ se comportă în același mod. Dar există forțe atractive între nuclee și electroni.

Dependența forțelor de interacțiune dintre molecule de distanța dintre ele explică calitativ mecanismul molecular al apariției forțelor elastice în solide. Când un corp solid este întins, particulele se îndepărtează unele de altele. În acest caz, apar forțe atractive ale moleculelor, care readuc particulele în poziția lor inițială. Când un corp solid este comprimat, particulele se apropie. Acest lucru duce la o creștere a forțelor de respingere, care readuc particulele în poziția inițială și previn comprimarea ulterioară.

Prin urmare, la deformații mici (de milioane de ori mai mari decât dimensiunea moleculelor) este îndeplinită legea lui Hooke, conform căreia forța elastică este proporțională cu deformația. La deplasări mari, legea lui Hooke nu se aplică

Valabilitatea acestei poziții este evidențiată de rezistența tuturor corpurilor la compresiune, precum și (cu excepția gazelor) la întinderea lor.