Основные положения МКТ и их опытное обоснование

ЗАКРЫТЬ

УБРАТЬ РЕКЛАМНЫЙ БАННЕР

Ход урока:

1. Организационный момент – 1 мин

2. Проверка домашнего задания – 10 мин

3. Объяснение нового материала – 25 мин

4. Закрепление материала – 7 мин

5. Домашнее задание – 2 мин

Конспект урока:

Повторение. В естественном состоянии в природе встре­чаются атомы 90 химических элементов, которые, соединяясь друг с другом, образуют молекулы различных веществ. Молеку­лой называется наименьшая устойчивая частица вещества, со­храняющая его основные химические свойства.

Электрическое поле при перемещении заряда q = 1 Кл между точками с разностью потенциалов совершает работу А = 1 Дж.

Строение и свойства макроскопических тел как результат взаимодействия большого числа атомов, молекул или ионов, из которых они состоят, объясняет молекулярно-кинетическая теория.

В ее основе лежат три положения:

1)  все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул (простейшие молекулы состоят из одного атома);

2)  молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении;

3)  между молекулами действуют силы, которые в зависимо­сти от расстояния являются силами притяжения или отталки­вания.

Первое положение молекулярно-кинетической теории косвен­но   подтверждается   явлениями   сжимаемости,   проницаемости и растворимости веществ, а также законами сохранения массы,   . кратных   отношений   и   кратных  объемов   при   химических   ре­акциях.

Закон сохранения массы — фундаментальный закон природы, который был открыт русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносо­выми экспериментально подтвержден в 70-х гг. XVIII в. французским химиком Антуаном    Лавуазье:

сумма масс исходных веществ равна сумме масс продуктов химической реакции.

В 1808 г. Гей-Люссак измерил объемы взаимодействующих газов и на основе этого установил состав аммиака и пяти оксидов азота и сформулировал закон простых объемных отношений реагирующих газов:

при постоянных давлении и температуре объемы взаимодействующих газов и продуктов их превращения относятся как простые целые числа 1:2:3, т. е. один объем газа взаимодействует с одним, двумя или тремя объемами другого газа.

В 1803 г. английским химиком и физиком Джоном Дальтоном был открыт закон кратных отношений:

если два элемента образуют несколько химических соединений, то массы одного из этих элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

В настоящее время можно наблюдать и даже фотографиро­вать отдельные молекулы и атомы с помощью современных электронных микроскопов.

Второе положение молекулярно-кинетической теории под­тверждается  явлениями   броуновского  движения   и  диффузии.

Непрерывное хаотическое движение очень малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, называют броуновским движе­нием. Оно было открыто в 1827 г. английским ботаником Ро­бертом Броуном, который, рассматривая под микроскопом мелкие частицы цветочной пыльцы (диаметром до 0,005 мм) в воде, обнаружил, что они движутся непрерывным, беспоря­дочным образом. Он установил также, что движение тем интен­сивнее, чем выше температура. Что же является причиной броуновского движения? Броуновская частица подвергается многочисленным ударам движущихся молекул окружающей ее среды. Но поскольку движение молекул носит случайный (хаоти­ческий) характер, то количество ударов за некоторый малый промежуток времени оказывается неодинаковым с разных сто­рон частицы. Вследствие этого суммарная сила давления на броуновскую частицу не равна нулю, и поэтому она находится в хаотическом движении, которое продолжается неограниченно долго.

Таким образом, причиной броуновского движения является случайное изменение сил давления, действующих на поверхность броуновской частицы со стороны молекул среды. Так как ре­зультирующая сила давления хаотически меняется и по направ­лению, и по модулю, то частица находится в беспорядочном движении.

Для характеристики случайных отклонений вводится понятие флуктуации. Флуктуацией   физической   величины   называется   отклонение   ее   значения   от среднего вследствие различных случайных процессов. Так, например, флуктуа­ции числа ударов молекул вызывают броуновское движение.

С помощью теплового движения молекул легко объяснить явления распространения запахов, цветовых оттенков в жидко­стях и т. д. Эти явления связаны с диффузией, которая приводит к самопроизвольному перемешиванию и взаимопроникновению веществ. Опыт показывает, что это явление наиболее активно происходит в газовой фазе, слабее — в жидкой фазе, а в твердой фазе оно практически незаметно.

Более строго явлением диффузии называется процесс установления внутри фаз равновесного распределения концентраций вещества. Отметим, что в одно­фазной системе при постоянной температуре и отсутствии внешних сил с течени­ем времени именно диффузия выравнивает концентрацию вещества по всему объему.

Массы атомов чрезвычайно малы, поэтому на практике удобно использовать не их абсолютные, а относительные значе­ния, т. е полученные сравнением (отношением) с соразмерными величинами. Согласно международному соглашению массы всех атомов   принято   сравнивать  с   массой   атома   углерода   С:   за

атомную единицу массы (1 а.е.м.) принимается  массы атома углерода С (1 а.е.м. = 1,66·10^-27 кг). В этом случае масса атома любого химического элемента выражается числом, очень близ­ким к целому.

Относительной атомной массой М_r вещества (массовым числом)  называют безразмерное число, равное отношению массы атома т данного вещества к атомной единице массы. Относи­тельные атомные массы приводятся в таблице Менделеева ря­дом с номером элемента (см. форзац II).

Зная химическую формулу вещества, можно приближенно вычислить его относительную молекулярную массу и абсолютное значение массы одной молекулы. Например, относительная мас­са углекислого газа С0₂ равна 12 + 2·16 = 44, так как эта молекула содержит атомы углерода С и кислорода О с от­носительными массами 12 и 16. Таким образом, можно рас­считать массу молекулы углекислого газа в килограммах: m_СO2 = 44 а.е.м. = 44·1,66· 10²⁷ кг = 73,5·10^-27 кг.

Для характеристики количества вещества в любом макроско­пическом  теле  можно  было  использовать  число  молекул  или атомов в нем. Однако это число чрезвычайно велико. Так, напри­мер, тело человека содержит ~ 4·10²⁷ атомов различных химиче­ских элементов. Поэтому более удобно использовать не абсо­лютное, а относительное число молекул или атомов. В СИ едини­цей количества вещества является моль:

1 моль — количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько их в 0,012 кг углерода.

Таким образом, согласно определению в одном моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц (атомов или молекул), называемое числом (постоянной) Авогадро (N_A). Най­дем его значение, разделив массу одного моля углерода (0,012 кг) на массу одного атома углерода:

Число Авогадро является одной из фундаментальных физиче­ских постоянных. Например, оно позволяет определить массу и размеры атома, число атомов или молекул в данном количе­стве вещества, заряд иона и т. д.

Количество вещества ν — число молей в данной порции ве­щества — равно отношению числа молекул N в веществе к по­стоянной Авогадро N_А:

В физике и химии широко используется понятие молярной массы М. Молярной массой называют массу некоторого веще­ства, взятого в количестве одного моля:

М = m₀N_A,

где т₀ — масса одной молекулы или атома вещества.

Оценим массу молекулы т₀ вещества с молярной мас­сой М. Если масса тела т, а число молекул в нем N, то

Например,    для    алюминия    (М = 0,027    кг)    получаем    m₀ ~ 4,5·10^-26 кг.

Размер молекулы можно оценить, считая ее жестким шари­ком диаметром d. Предположим, что молекулы рассматриваемо­го вещества упакованы вплотную, как биллиардные шары, за­полняющие полностью некоторый объем. Разделив массу моле­кулы т₀ на плотность вещества ρ, найдем объем V₀, приходя­щийся в среднем на одну молекулу: V₀ =. С учетом шаро­образной формы молекулы получаем

При такой оценке диаметра, например для молекулы алюминия получаем d~10^-10 м.

Приведем описание броуновского движения, данное немецким педагогом Робертом Полем: «Немногие физические явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы совершающегося в природе. Перед ним открывается новый мир, безостановочная, ошеломляющая сутолока совершенно необо­зримого числа особей. Нигде нет ни следа системы или порядка. ' Господство слепого случая — вот какое сильное подавляющее впечатление производит эта картина на всякого непредубежден­ного наблюдателя. Никакое словесное описание не может даже приблизительно заменить действие собственного наблюдения».

1. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетическои теории строения вещества.

2.   Какие наблюдения и эксперименты подтверждают атом-но-молекулярное строение вещества?

3.   Что называют броуновским движением? диффузией?

4.   Что такое атомная единица массы? Запишите ее соотно­шение с килограммом.

5.   Что такое относительная атомная масса? молярная масса вещества?

6.   Чему равна постоянная Авогадро? Каков ее смысл?

7.   Что такое количество вещества?

8.   Оцените размер и массу атома свинца.