Молекулярная физика

 Основные положения молекулярно-кинетической теории

Великому американскому физику Ричарду Фейнману, автору знаменитого курса «Фейнманов-

ские лекции по физике», принадлежат замечательные слова:

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания ока-

зались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только

одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло

бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее

не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — малень-

ких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом

расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной

этой фразе. . . содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь прило-

жить к ней немного воображения и чуть соображения.

В этих словах заключена суть молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения веще-

ства. А именно, основными положениями МКТ являются следующие три утверждения.

1. Любое вещество состоит из мельчайших частиц — молекул и атомов. Они расположены в

пространстве дискретно, то есть на некоторых расстояниях друг от друга.

2. Атомы или молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения1 , которое

никогда не прекращается.

3. Атомы или молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и

отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами.

Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экпериментальных

фактов. Давайте рассмотрим подробнее эти положения и приведём их опытное обоснование.

Атомы и молекулы

Возьмём бумажный листок и начнём делить его на всё более и более мелкие части. На каждом

ли шаге мы будем получать кусочки именно бумаги, или на каком-то этапе появится нечто

новое?

Первое положение МКТ говорит нам о том, что вещество не является делимым до беско-

нечности. Рано или поздно мы дойдём до «последнего рубежа» — мельчайших частиц данного

вещества. Эти частицы — атомы и молекулы. Их также можно разделить на части, но тогда

исходное вещество прекратит своё существование.

Атом — это наименьшая частица данного химического элемента, сохраняющая все его

химические свойства. Химических элементов не так много — все они сведены в таблицу Мен-

делеева.

Молекула — это наименьшая частица данного вещества (не являющегося химическим эле-

ментом), сохраняющая все его химические свойства. Молекула состоит из двух или более атомов

одного или нескольких химических элементов.

Например, H₂O — это молек ула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома

кислорода. Разделив её на атомы, мы перестанем иметь дело в веществом под названием «вода».

Далее, разделив атомы H и O на составные части, мы получим набор протонов, нейтронов

и электронов и тем самым потеряем информацию о том, что поначалу это были водород и

кислород.

Размер атома или молекулы (состоящей из небольшого числа атомов) составляет порядка

10^-8

 Это настолько малая величина, что атом невозможно разглядеть ни в какой оптический

микроскоп.

Атомы и молекулы называются для краткости просто частицами вещества. Чем именно

является частица — атомом или молекулой — в каждом конкретном случае установить нетруд-

но. Если речь идёт о химическом элементе, то частицей будет атом; если же рассматривается

сложное вещество, то его частица — это молекула, состоящая из нескольких атомов.

Далее, первое положение МКТ утверждает, что частицы вещества не заполняют простран-

ство непрерывно. Частицы расположены дискретно, то есть как бы в отдельных точках. Между

частицами имеются промежутки, величина которых может меняться в некоторых пределах.

В пользу первого положения МКТ свидетельствует явление теплового расширения тел. А

именно, при нагревании увеличиваются расстояния между частицами вещества, и размеры

тела возрастают. При охлаждении, наоборот, расстояния между частицами уменьшаются, в

результате чего тело сжимается.

Ярким подтверждением первого положения МКТ служит также диффузия — взаимное про-

никновение соприкасающихся веществ друг в друга.

Например, на рис. 1 показан2

процесс диффузии в жидкости. Частицы растворимого ве-щества помещены в стакан с водой и расположены вначале в верхней левой части стакана.

С течением времени частицы перемещаются (как говорят, диффундируют) из области высокой

концентрации в область низкой концентрации. В конце концов концентрация частиц становится

везде одинаковой — частицы равномерно распределяются по всему объёму жидкости.

 Как объяснить диффузию с точки зрения молекулярно-кинетической теории? Очень про-

сто: частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества.

Диффузия идёт тем быстрее, чем больше эти промежутки — поэтому легче всего смешиваются

друг с другом газы (в которых расстояния между частицами много больше размеров самих

частиц).

Тепловое движение атомов и молекул

Напомним ещё раз формулировку второго положения МКТ: частицы вещества совершают

беспорядочное движение (называемое также тепловым движением), которое никогда не пре-

кращается.

Опытным подтверждением второго положения МКТ служит опять-таки явление диффу-

зии — ведь взаимное проникновение частиц возможно лишь при их беспрерывном движении!

Но наиболее ярким доказательством вечного хаотического движения частиц вещества являет-

ся броуновское движение. Так называется непрерывное беспорядочное движение броуновских

частиц — пылинок или крупинок (размерами 10^-5-10^-4см)

Размеры броуновских частиц в 1000–10000 раз превышают размер атома. С одной стороны,

броуновская частица достаточна мала и пока ещё «чувствует», что в разных направлениях по

ней бьёт различное количество молекул; это различие в числе ударов приводит к заметным пе-

ремещениям броуновской частицы. С другой стороны, броуновские частицы достаточно велики

для того, чтобы их можно было разглядеть в микроскоп.

Кстати говоря, броуновское движение может рассматриваться и как доказательство само-

го факта существования молекул, т. е. также может служить опытным обоснованием первого

положения МКТ.

Взаимодействие частиц вещества

Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы вза-

имодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от

расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы при-

тяжения, при уменьшении — силы отталкивания.

О справедливости третьего положения МКТ свидетельствуют силы упругости, возникающие

при деформациях тел. При растяжении тела увеличиваются расстояния между его частицами,

и начинают преобладать силы притяжения частиц друг к другу. При сжатии тела расстоя-

ния между частицами уменьшаются, и в результате преобладают силы отталкивания. В обоих

случаях упругая сила направлена в сторону, противоположную деформации Другим подтверждением существования сил межмолекулярного взаимодействия служит на-

личие трёх агрегатных состояний вещества.

В газах молекулы удалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие раз-

меры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях — примерно в 1000 раз). На таких

расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы

занимают весь предоставленный им объём и легко сжимаются.

В жидкостях промежутки между молекулами сравнимы с размерами молекул. Силы моле-

кулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение жидкостями объёма. Но

для сохранения жидкостями ещё и формы эти силы недостаточно велики — жидкости, как и

газы, принимают форму сосуда.

В твёрдых телах силы притяжения между частицами очень велики: твёрдые тела сохраняют

не только объём, но и форму.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения

величины сил взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются при этом

неизменными.