§ 23. Основи молекулярно-кінетичної теорії будови речовини

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини
Дифузія
Броунівський рух
Будова та властивості твердих тіл, рідин і газів

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ РЕЧОВИНИ. Із курсу фізики 8-го класу ви вже знаєте, що в основу молекулярно-кінетичної теорії речовини покладено три положення.

1. Будь-які речовини мають дискретну будову. Вони складаються з молекул або атомів, йонів.

2. Частинки перебувають у стані безперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і загалом є сукупністю поступального, обертального й коливального рухів.

3. Частинки взаємодіють одна з одною і з силами електромагнітної природи. Якщо відстань між молекулами становить два — три діаметри однієї молекули, вони притягуються, а менше одного діаметра — відштовхуються. Сили притягання й відштовхування між молекулами діють постійно і одночасно.

Молекули й атоми мають настільки малі розміри, що їх неможливо побачити за допомогою навіть оптичного мікроскопа. Але здавна вчені мріяли розгледіти молекули. Лише в 1974 р. за допомогою електронного мікроскопа, який має збільшення у мільйони разів, роздивилися великі молекули білкових сполук. Потім, сконструювавши йонний проектор, де на люмінесцентному екрані утворюється збільшене в мільйони разів зображення ультрагострого вістря із вольфраму, уточнили розміщення йонів.

Наразі за допомогою тунельного мікроскопа (мал. 23.1) вдається роздивитися на поверхні твердих тіл навіть окремо взятий домішковий атом, що є переконливим підтвердженням існування молекул, атомів, іонів. На основі дослідження мікроскопічних об’єктів, прогресивним напрямом яких є нанотехнології, можна конструювати штучні речовини.

Нанотехнології — технології розроблення продуктів і компонентів, розмір яких не перевищує 100 нанометрів (один нанометр дорівнює мільярдній частині метра: 1 нм = 1 • 10^-9 м).

Мал. 23.1. Тунельний мікроскоп

Молекули різних речовин по-різному взаємодіють одна з одною. Така взаємодія залежить від типу молекул і відстані між ними. Залежно від характеру руху та взаємодії молекул розрізняють такі стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний, плазма.

Безперервним хаотичним рухом молекул та майже відсутньою силою притягання пояснюється здатність газів необмежено розширюватися і займати весь наданий їм об’єм. Пружність газів, твердих тіл і рідин, здатність рідин змочувати тверді тіла, процеси фарбування, склеювання, деформації твердих тіл тощо також свідчать про існування сил притягання і відштовхування між молекулами. Довести існування значних сил притягання між атомами або молекулами твердих тіл можна, зокрема, за допомогою досліду з товстою палицею, яку складно зламати.

ДИФУЗІЯ. Переконливим дослідним підтвердженням основних положень МКТ є явище дифузії.

Дифузія (від лат. diffusio — розливання) — процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини у проміжки поміж молекулами або атомами іншої, що зазвичай зумовлює вирівнювання їх концентрацій в усьому займаному об’ємі.

Причиною дифузії є тепловий рух молекул і наявність проміжків між ними. Явище дифузії відбувається в рідинах, твердих тілах і газах. Наприклад, у газах — це швидке поширення пахощів навіть у спокійному повітрі: аромат парфумів за кілька хвилин поширюється по всій кімнаті; у рідинах — перемішування, наприклад, води і чорнила, води і розчину мідного купоросу (мал. 23.2). Із підвищенням температури тривалість процесу дифузії зростає внаслідок збільшення швидкості руху частинок. Дифундують і молекули (атоми) твердих тіл, але за низьких температур це відбувається досить повільно. У рідинах дифузія протікає значно повільніше, ніж у газах, але швидше, ніж у твердих тілах, що пояснюється відмінністю характеру теплового руху атомів і молекул.

Мал. 23.2. Дифузія розчину мідного купоросу у воді

У природі дифузія сприяє живленню рослин із ґрунту. Значна роль дифузії й у живленні організмів тварин і людини. Через стінки шлунка і кишок організм «всмоктує» лише ті розчинені в страві речовини, які потрібні для побудови його клітин. Прикладом дифузії є насичення крові киснем і відведення шкідливих речовин (це явище отримало назву осмосу).

Дифузію, що здійснюється через напівпроникні перетинки, називають осмосом.

Завдяки процесу дифузії відбувається соління огірків. Підтримання однорідного складу атмосферного повітря поблизу поверхні Землі, змішування різнорідних рідин, процес розчинення твердих тіл, зварювання металів як шляхом їх плавлення, так і внаслідок стиснення пояснюються явищем дифузії. Подібні явища доводять істинність основних положень МКТ.

БРОУНІВСЬКИЙ РУХ. Одним із найпереконливіших доказів існування хаотичного теплового руху молекул є броунівський рух, названий на честь англійського ботаніка Р. Броуна (1773-1858).

Броунівський рух — тепловий рух частинок, завислих у рідині або газі.

Уперше цей рух було відкрито у 1827 р. під час спостереження спор плавуна у воді. Пізніше Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок інших речовин, однак пояснити цього явища він не зміг.

Вивченням броунівського руху займалося багато вчених і нарешті було встановлено, що рух завислих частинок, який спостерігався у полі зору оптичного мікроскопа, здійснюється внаслідок руху молекул рідини. Молекули передають частинкам імпульс, а отже, чинять на них тиск. Якщо частинка має незначну площу поверхні, то на один із її боків у будь-яку мить середнє значення тиску може бути більшим, ніж на інший, тому вона здійснює безладний рух в об’ємі рідини.

Головною причиною броунівського руху є нескомпенсованість сил, з якими молекули діють на завислу частинку (мал. 23.3, а). Якщо тиск з усіх боків на броунівську частинку однаковий, то вона не здійснює хаотичного руху (мал. 23.3, б).

Мал. 23.3. Дія молекул рідини на броунівську частинку: а — нескомпенсована; б — скомпенсована

Безпосередньо спостерігати за рухом частинок, завислих у рідинах або газах, можна за умови, якщо їхні розміри не перевищують 10^-6 м. Броунівські частинки безперервно рухаються незалежно одна від одної.

Його інтенсивність тим більша, чим вища температура і менша в’язкість рідини та маса завислих частинок незалежно від їх природи.

БУДОВА ТА ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ, РІДИН І ГАЗІВ. У твердих тілах відстані між молекулами (атомами) досить малі, тому сили взаємодії кожної з них із сусідніми настільки великі, що молекула здійснює незначні коливання відносно певного фіксованого положення рівноваги (мал. 23.4, а). Потенціальна енергія взаємодії молекул значно більша від їх кінетичної енергії, чим і пояснюється властивість твердих тіл зберігати форму та об’єм.

У рідинах сили взаємодії між молекулами слабші, ніж у твердих тілах, і значно сильніші, ніж у газах (мал. 23.4, б). Молекули рідини, коливаючись біля певного положення рівноваги, змінюють його з часом, перескакуючи з одного місця на інше. Вони здійснюють коливальний, поступальний і обертальний рухи. У рідинах відстані між молекулами є дещо більшими, ніж у твердих тілах, проте сили взаємодії молекул є значними. Загалом кінетична енергія молекул рідин приблизно дорівнює їх потенціальній енергії.

Мал. 23.4. Особливості розташування молекул однієї і тієї ж речовини в різних агрегатних станах

У газоподібному стані середня відстань між молекулами набагато більша від розмірів самих молекул, тому сили міжмолекулярних взаємодій суттєво не впливають на їх рух (рис. 23.4, в). Кінетична енергія хаотичного руху молекул (у довільних напрямках і з різною швидкістю) газу значно більша від потенціальної енергії їх взаємодії. Багатоатомні молекули під час поступального здійснюють також обертальний рух.

Плазма — частково або повністю іонізований газ. Вона складаєтвся з йонів, електронів та молекул (атомів). Плазма — найпоширеніший стан речовини в природі. Сонце і зірки — це гігантські згустки плазми. Вона також існує в космосі у вигляді так званого сонячного вітру та утворює іоносферу Землі тощо. Процесами в навколоземній плазмі зумовлені магнітні бурі та полярне сяйво. З нею ми часто зустрічаємося і в повсякденному житті. Полум’я багаття, сірника, світні стовпи газу в медичних «кварцевих лампах» — все це також приклади плазми.

Головне в цьому параграфі

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини:

1) будь-які речовини мають дискретну будову. Вони складаються із найдрібніших частинок — молекул або атомів, йонів;
2) частинки перебувають у стані безперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і загалом є сукупністю поступального, обертального й коливального рухів;
3) частинки взаємодіють одна з одною і з силами електромагнітної природи.

Запитання для самоперевірки

1. Що таке МКТ? Сформулюйте основні положення МКТ.
2. Які спостереження й експерименти підтверджують основні положення МКТ?
3. Атоми і молекули тіла хаотично рухаються. Як це узгоджується з тим, що багато тіл зберігають форму та об’єм?
4. Що таке броунівський рух? Про що він свідчить? Чи є безладний рух порошин у повітрі броунівським?
5. Що називають дифузією? Наведіть приклади дифузії в газах, рідинах і твердих тілах.
6. Опишіть характер руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах.
7. Який характер розміщення частинок у газах, рідинах і твердих тілах?

Вправа до § 23

1(с). Розглядаючи під мікроскопом краплинку молока можна побачити на фоні безкольорової рідини маленькі завислі краплинки масла, що перебувають у безперервному хаотичному русі. Чим можна пояснити цей рух? Від чого залежить його інтенсивність?

2(с). Поясніть, чому з підвищенням температури збільшується інтенсивність руху мікрочастинок.

3(с). Поясніть, чому чайна заварка, вміщена в пакетик, забарвлює всю воду в склянці.

4(с). В якій із склянок з розчинною кавою міститься гаряча вода? Відповідь поясніть.