Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Розділ 2. Молекулярна фізика та термодинаміка

Молекулярна фізика — це розділ фізики, який вивчає фізичні властивості речовини в різних агрегатних станах на основі її молекулярної будови. Методи молекулярної фізики пов’язані з вивченням руху і взаємодії атомів, молекул та іонів. Основним її завданням є вивчення фізичних властивостей речовин залежно від їхньої внутрішньої будови.

У молекулярній фізиці покладають, що довільне тіло — тверде, рідке або газоподібне — складається з величезної кількості структурних елементів, які перебувають у безладному (хаотичному) русі. Такий рух називають тепловим, тому що його інтенсивність залежить від температури. Тепловий рух зумовлює фізичні властивості тіл та процеси, які відбуваються з ними. Явища, зумовлені хаотичним рухом атомів і молекул, називають тепловими. Вони відіграють важливу роль у природі. Наприклад, зі зміною температури змінюються об’єм та густина твердих тіл, рідин і газів.

У середині XIX ст. після відкриття закону збереження енергії було створено першу наукову теорію теплових процесів — термодинаміку, де не враховується молекулярна будова тіл. Молекулярна фізика і термодинаміка, розглядаючи властивості тіл і їх перетворення з різних точок зору — мікроскопічної та макроскопічної, взаємно доповнюють одна одну.

Під час вивчення молекулярної фізики ви ознайомитеся з будовою, структурою і властивостями деяких матеріалів, особливостями змін агрегатних станів, розглянете математичні залежності числових параметрів від фізико-механічних властивостей речовин та їх будови.

Вивчати молекулярні явища в різних агрегатних станах слід на основі молекулярно-кінетичних уявлень про гази, рідини і тверді тіла. На межі розподілу речовин відбуваються явища пароутворення, конденсації, поверхневий натяг, підняття рідини в капілярах. Вивчення твердих тіл дає змогу коригувати їх механічні властивості: міцність, пружність тощо.

Досягнення молекулярної фізики ефективно використовуються в інших галузях науки, зокрема у фізичній хімії, молекулярній біології, фізиці твердого тіла, фізико-хімічній механіці тощо. Вона є науковою основою сучасного матеріалознавства, вакуумної технології, холодильної техніки тощо.

§ 22. Сучасні дослідження будови речовини

• Із історії вчення про будову речовини
• Маса і розміри молекул
• Кількість речовини

ІЗ ІСТОРІЇ ВЧЕННЯ ПРО БУДОВУ РЕЧОВИНИ. Із курсів фізики та хімії ви вже знаєте, що речовиною називають вид матерії, яка характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо). Фізичні та хімічні властивості речовин зумовлюються взаємодією між електронами та атомними ядрами, а також між атомами, молекулами, йонами тощо.

Гадаємо вам відомо, що гіпотеза про існування атомів як найменших неподільних частинок речовини була висунута понад 2500 років тому давньогрецькими ученими Левкіппом і Демокрітом. Вони висловили її, аналізуючи причини випаровування і конденсації води, зміни розмірів тіл залежно від ступеня їх нагрітості, перемішування речовин тощо.

На основі уявлень про існування найменших частинок речовини було створено молекулярно-кінетичну теорію.

Молекулярно-кінетичною теорією (МКТ) називають вчення, яке пояснює будову та властивості речовини на основі закономірностей руху і взаємодії частинок, з яких складаються тіла.

Значний внесок у створення основ МКТ зробили у другій половині XIX ст. німецький фізик Р. Клаузіус (18220-1888), російський фізик (студент Києво-Могилянської академії) М.В. Ломоносов (1711-1765), австрійський фізик Л. Больцман (1844-1906), а також учені України: М.П. Авенаріус (1835-1895), М.О. Умов (1846-1915), М.М. Бекетов (1827-1911), М.М. Шіллер (1848-1910), І.П. Пулюй (1845-1918) та інші.

Важливу роль у становленні сучасних наукових уявлень про будову атома та атомного ядра відіграли експериментальні дослідження відомого англійського фізика Е. Резерфорда, про які вам уже відомо з курсу фізики 9-го класу.

Ернест Резерфорд

(1871-1937)

Проаналізувавши результати експериментальних досліджень, Е. Резерфорд запропонував у 1911 р. ядерну планетарну модель атома (мал. 22.1). Відповідно до неї атом є системою зарядів, у центрі якої розташоване важке позитивне ядро, що має розміри близько 10^-15 м. В ядрі зосереджено понад 99,95 % маси всього атома. Навколо ядра обертаються електрони, подібно планетам Сонячної системи.

Мал. 22.1. Ядерна модель атома Е. Резерфорда

Згідно з розрахунками Е. Резерфорда, лінійний розмір ядра атома в десятки тисяч разів менший за розміри самого атома, що становлять близько 10^-10 м.

Н. Бор у 1913 р. доповнив планетарну модель атома положеннями (постулатами), що усували її суперечності з класичною фізикою:

— атоми перебувають у певних стаціонарних станах, у яких вони не випромінюють електромагнітні хвилі;

— під час переходу з одного стану в інший атом випромінює квант енергії, що дорівнює різниці енергій стаціонарних станів (мал. 22.2).

Мал. 22.2. Ядерна планетарна модель атома Бора

Модель атома Резерфорда — Бора використовується й донині, оскільки є безпосереднім підтвердженням експериментальних фактів.

Нільс Бор (1885-1962), данський фізик-теоретик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1922 р.)

У 1924 р. Е. Шредінгер на підставі теорії Л. де Бройля, за якою електрон одночасно виявляє властивості, притаманні частинці та хвилі, математично описав його поведінку в атомі. Так було створено хвильову модель атома.

Отже, завдяки багаторічній наполегливій праці видатних фізиків та хіміків різних країн світу, було створено вчення про будову речовини, в основу якого покладено наукові поняття про атоми та молекули.

Атом — найменша хімічно неподільна, електрично нейтральна частинка матерії, що складається з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів.

Йон — електронодефіцитний або електрононадлишковий атом чи група атомів.

Молекула — здатна до самостійного існування, електрично нейтральна частинка речовини, що має притаманні їй основні хімічні властивості, які визначаються її складом та будовою.

Гіпотеза існування найдрібніших частинок речовини отримала експериментальне підтвердження лише через два тисячоліття (у XIX ст.) у працях англійського вченого Джона Дальтона. Він показав, що кожному хімічному елементу відповідає власний тип найдрібніших невидимих атомів, а всі речовини складаються з хімічних сполук атомів.

Вчення про будову речовини набуває розвитку і в наші дні. Зокрема, наразі з’ясовано, що не лише атом є подільним, а й частинки, які його увторюють. Наприклад, нуклони (протони і нейтрони) складаються з кварків та глюонів. Кварки — елементарні частинки і фундаментальні складові матерії. Нині відомо шість сортів кварків. Глюони «склеюють» кварки і рухаються практично вільно всередині нуклона.

МАСА ТА РОЗМІРИ МОЛЕКУЛ. Вивчаючи природничі науки, ви дізналися, що молекули — найменші частинки речовини, які визначають її хімічні властивості. Молекули складаються з атомів, сполучених між собою хімічними зв’язками. Атом — з хімічної точки зору найменша, електричнонейтральна, хімічно неподільна частинка речовини.

Молекули складних речовин утворені із різних атомів, кількість яких може сягати від двох (N₂, О₂, Н₂, КСl) до тисячі і більше (полімери). Багатоатомні молекули називають макромолекулами. Якщо різних видів молекул у природі надзвичайно багато, то кількість різних атомів обмежена. Множину атомів, які мають однаковий заряд ядра (кількість протонів Ζ, тобто однаковий номер у періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва), називають хімічним елементом (Гідроген, Оксиген тощо). На 2010 р. було відомо 118 хімічних елементів: з них 89 виявлено в природі, інші отримано штучно в процесі ядерних реакцій. Усі відомі нині речовини, а їх уже понад 20 000 000, утворені атомами різних хімічних елементів.

У світі молекул, або мікросвіті, ми зустрічаємося з великою кількістю надзвичайно малих частинок. Встановлено, що в 1 см³ будь-якого газу за нормальних умов (тобто при температурі 0 °С і тиску 760 мм. рт. ст.) міститься майже 2,7 • 10¹⁹ молекул. Величезна кількість молекул в одиниці об’єму свідчить про їх малі розміри і маси. Діаметр більшості молекул неорганічних речовин має порядок (наближено дорівнює) d ≈ 10^-10 м і масу m ≈ 10^-26 кг.

Гігантами є, наприклад, молекули білків. Молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), носія спадкової інформації живого організму, у випрямленому стані досягає довжини десятків сантиметрів.

Оскільки маси молекул неорганічних речовин надзвичайно малі, то під час обчислень доцільно використовувати не абсолютні, а відносні значення мас. Тому для зручності ввели поняття відносної молекулярної (атомної) маси

де М_r — відносна молекулярна (А_r — відносна атомна) маса; m₀ — маса атома або молекули речовини;

Відносна молекулярна (атомна) маса не має одиниць вимірювання. З визначенням відносної молекулярної (атомної) маси ви ознайомилися в курсі хімії. Нагадаємо, наприклад, для Н₂О: М_r = 1 • 2 + 16 • 1 = 18; для Сu: М_r = A_r = 64.

Водночас слід чітко уявляти різницю між відносною молекулярною та масою молекули речовини, розуміючи, що вони рівні чисельно, але мають різні одиниці вимірювання: відносна молекулярна (атомна) маса є безрозмірною величиною; молекулярна маса вимірюється в атомних одиницях маси (а.о.м.).

Абсолютні значення атомних мас різних хімічних елементів лежать у межах 10^-24 — 10^-27 кг, а їхні відносні маси, наведені у періодичній таблиці хімічних елементів, — у межах 1-100 а.о.м. Для органічних речовин значення Mr може сягати сотень тисяч. Під час математичних обчислень наведені у цій таблиці відносні атомні маси хімічних елементів ми надалі заокруглюватимемо до найближчого цілого числа.

Мал. 22.3. Дослід Релея

Наразі існують точніші методи визначення розмірів молекул різних речовин. Встановлено, наприклад, що лінійні розміри молекули кисню становлять 3 • 10^-10 м, а водню — 2,6 • 10^-10 м.

КІЛЬКІСТЬ РЕЧОВИНИ. Оскільки будь-яке тіло складається із величезної кількості окремих частинок, то в молекулярній фізиці виникла потреба введення відносної величини — кількості речовини (ν), що прямо пропорційна числу частинок, тобто структурних елементів, які містяться в тілі.

Одиницею кількості речовини є моль — одна з основних одиниць Міжнародної системи фізичних одиниць (СІ).

Один моль — така кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів будь-якої речовини, скільки міститься атомів у 12 г ізотопу Карбону (С¹²).

де N — кількість молекул або атомів (структурних одиниць) у певній масі речовини; m — маса речовини; М — її молярна маса.

Зрозуміло, що з останнього виразу кількість атомів або молекул у тілі певної маси m становить:

Маса одного моля структурних одиниць (молекул) речовини називається молярною масою (М).

Молярна маса чисельно дорівнює добутку маси однієї молекули (m₀) на сталу Авогадро (Ν_Α):

М = m₀N_A.

Скориставшись періодичною таблицею хімічних елементів, можна визначити молярну масу речовини:

М = М_r • 10^-3 кг/моль.

Головне в цьому параграфі

Молекулярно-кінетичною теорією пояснюються будова і властивості макроскопічних тіл на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично та взаємодіють між собою.

Маси молекул надзвичайно малі, а їх кількість у макроскопічних тілах величезна. Тому ці фізичні величини виражають у відносних одиницях.

Відносною молекулярною (або атомною) масою називають відношення маси молекули (або атома) певної речовини до 1/12 маси атома Карбону:

Молярною масою називають масу речовини, взятої в кількості одного моля: М = m₀N_A, М = М_r • 10^-3 кг/моль.

Запитання для самоперевірки

• 1. У чому полягає основне завдання молекулярної фізики?
• 2. Чому в молекулярній фізиці використовуються відносні величини для вимірювання маси?
• 3. Що називають відносною молекулярною масою? Якою формулою виражається це поняття?
• 4. Що таке кількість речовини? Якою формулою виражається зміст цього поняття? Яка одиниця вимірювання кількості речовини? Дайте її визначення.
• 5. Що називають сталою Авогадро? Чому вона дорівнює?
• 6. Що таке молярна маса речовини? Якою формулою виражається зміст цього поняття? Яка одиниця молярної маси?
• 7. За якою формулою визначають кількість молекул у довільній масі речовини?

Вправа до § 22

1(с). Вкажіть, який із перелічених рухів є броунівським:

• А Тепловий рух молекул речовини.
• Б Вилітання молекул з поверхні речовини.
• В Хаотичний рух частинок, завислих у рідині.
• Г Рух порошинки у повітрі.

2(с). Які експериментальні факти найдостовірніше підтверджують існування молекул?

• А Можливість механічного дроблення речовини.
• Б Падіння крапель води з крана.
• В Стискання та розширення газів.
• Г Деформація тіл.

3(с). За яким з наведених виразів можна розрахувати массу молекули речовини?

4(с). За яким з наведених виразів можна розрахувати густину речовини?

5(с). На поверхню води впала крапелька гасу і розтіклась, утворивши тонку плівку. За допомогою цього досліду можна визначити:

• А Швидкість хаотичного руху молекул гасу.
• Б Середній розмір молекул гасу.
• В Сили взаємодії молекул.
• Г Правильної відповіді немає.

6(д). Визначте, яка кількість молекул міститься у вуглекислому газі (СО₂) масою 1 г?

7(д). Яка маса 500 молей вуглекислого газу (СО₂)?

8(в). Під час нікелювання виробу його вкривають шаром нікелю товщиною 15 мкм. Скільки атомів нікелю міститься в покритті, якщо його площа становить 800 см²?