§ 34 Основи молекулярно-кінетичної теорії будови речовини

Теплові явища відіграють велику роль у житті людини, тварин і рослин. У різні пори року зі зміною температури повітря на 20-30°C змінюється навколишній світ. Зміна температури впливає на всі властивості тіл. Так, від нагрівання або охолодження змінюються розміри твердих тіл і об'єм рідин. Значно змінюються також їх механічні властивості, наприклад пружність. Якщо за кімнатної температури вдарити молотком по гумовій трубці, то вона залишиться цілою. Але якщо трубку охолодити до температури, нижчої за -100°C, то легким ударом можна розбити її на дрібні шматочки. Гума стає крихкою, як скло. Тільки після нагрівання гума знову набуває своїх пружних властивостей.

Усі теплові явища, а також багато інших, відбуваються за певними законами. Ці закони так само точні й надійні, як і закони механіки, але відрізняються від них змістом і формою. Відкриття законів, за якими відбуваються теплові явища, дає змогу максимально використати ці явища на практиці, у техніці. Сучасні теплові двигуни, установки для зрідження газів, холодильні та інші апарати конструюють на основі цих законів.

Теорію, яка пояснює теплові явища в макроскопічних тілах і внутрішні властивості цих тіл на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично, називають молекулярно-кінетичною теорією.

У цій теорії головне завдання пов'язати закономірності поведінки окремих атомів і молекул з величинами, які характеризують властивості макроскопічних тіл.

Молекулярна фізика ґрунтується на кількох положеннях, які стосуються структури речовини і закономірностей руху частинок, що входять до складу речовини. До цих положень належать такі:
1. Речовина складається із частинок (атомів і молекул). Маса будь-якого тіла дорівнює сумі мас частинок, з яких складається тіло. Маса тіл може змінюватися лише на ціле число, кратне масі частинки. Кажуть, що маса тіла може змінюватися не безперервно, а лише порціями - дискретно.
2. Молекули (атоми) усіх тіл перебувають в безперервному тепловому русі. Невпорядкованість руху частинок — найважливіша особливість теплового руху.
3. Молекули (атоми) взаємодіють між собою — залежно від відстані між частинками вони притягуються або відштовхуються.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії (Мкт) будови речовини сформульовані на основі узагальнення експериментальних спостережень. Розглянемо деякі з них.

Розміри атомів і молекул. Атоми і молекули надзвичайно малі, їх неможливо розрізнити навіть за допомогою найсильніших оптичних мікроскопів. Уперше вдалося побачити окремі молекули і групи атомів за допомогою електронного мікроскопа. На фотографії (мал. 94) добре видно дискретну структуру речовини: чітко розрізняється безліч окремих частинок, розділених проміжками. Знаючи, з яким збільшенням отримано фотографію, можна визначити, лінійні розміри атомів і молекул.

Розглянемо один з найпростіших способів, що дають змогу оцінити розміри молекул.

Дослід 1. Розчинимо 0,5 см3 стеаринової кислоти в 1 л бензолу і за допомогою піпетки помістимо одну краплину на поверхню дистильованої води. Краплина розтікається, а бензол випаровується і на поверхні води утворюється надзвичайно тонкий шар стеаринової кислоти, товщина якого дорівнює діаметру однієї молекули. Визначивши товщину шару, можна приблизно оцінити і розмір молекули стеаринової кислоти: її діаметр, як показали розрахунки, дорівнює 2 нм = 2 2 10-9 м.

У світі атомів і молекул це справжні гіганти. Молекули переважної більшості речовин мають значно менші розміри. Наприклад, діаметр молекули Оксигену приблизно дорівнює 0,3 нм, 0,26 нм. Найменша молекула у природі — молекула Гідрогену, її діаметр — 0,12 нм. Найбільшими є молекули органічних сполук і полімерів, які складаються з кількох тисяч атомів. Довжина однієї з таких гігантських молекул — молекули води молекули альбуміну становить 43 нм.

Мал. 94. Фотографія молекул, отримана за допомогою електронного мікроскопа

Броунівський рух. Безпосередньо спостерігати рух окремих атомів або молекул неможливо, але існує багато явищ, які побічно, але не менш переконливо свідчать про рух молекул.

Уперше таке явище спостерігав у 1827 р. англійський ботанік Роберт Броун (1773-1858). Учений, розглядаючи в мікроскоп спори рослин, які плавають у воді, побачив, що вони безперервно рухаються по ламаних зигзагоподібних траєкторіях. Такий самий рух частинок можна спостерігати, якщо у воді розмішати трохи фарби або якщо в повітрі є тверді частинки диму. Маса і розміри цих частинок у тисячі разів більші за розміри молекул. Їх назвали броунівськими частинками. Спостереження показують, що броунівські частинки здійснюють безперервний, такий, що ніколи не припиняється, безладний рух, що отримав назву броунівський рух.

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

Найретельніше експериментально дослідили броунівський рух французькі учені Жан Перрен (1870-1942) і Френсіс Перрен (1901-1979). Вони фіксували точками положення однієї і тієї самої броунівської частинки через кожних 30 секунд. Отримані точки сполучили прямими і отримали картину, подібну до тої, яку зображено на малюнку 95, а.

Уважно спостерігаючи рух броунівських частинок, створюється враження, що вони рухаються під дією ударів якихось невидимих оку частинок речовини. Це молекули самої рідини або газу, які безперервно бомбардують броунівську частинку з усіх боків одночасно (мал. 95, б). Якщо число ударів з одного боку більше, ніж з іншого, то броунівська частинка починає рухатися; якщо за цим слідує поштовх з іншого боку, напрямок руху частинки змінюється. Так пояснюється хаотичність руху броунівських частинок. А це доводить безладність руху молекул рідини й газу.

Молекулярно-кінетичну теорію броунівського руху створив у 1905 р. Альберт Ейнштейн. А після того як Жан Перрен побудував теорію броунівського руху і підтвердив її експериментально, молекулярно-кінетична теорія перемогла остаточно.

Явище дифузії. Крім броунівського руху, відомі й інші факти, що свідчать про рух атомів і молекул. За допомогою піпетки внесемо до високого скляного циліндра краплину брому. Бром випаровується і його пара, хоча вона і важча за повітря, поступово заповнює всю посудину.

Якщо в дистильовану воду обережно за допомогою піпетки додати трохи розчину мідного купоросу, то протягом кількох днів молекули мідного купоросу піднімуться вгору і поволі забарвлять воду у блакитний колір.

Мал. 95. Модель броунівського руху

Дві металеві пластинки, щільно притиснуті одна до одної протягом кількох років, зростаються. Якщо ж ці пластинки помістити в піч за температури 300-400°C, то такий самий результат отримаємо через кілька діб.

Дифузія - процес взаємного проникнення частинок однієї речовини в міжмолекулярні проміжки іншої без дії зовнішніх сил.

Вона можлива тільки завдяки тому, що частинки речовини перебувають у стані безперервного руху. Отже, явища броунівського руху і дифузії переконують нас у тому, що молекули, атоми та йони перебувають у стані безперервного руху.

Явище дифузії відіграє важливу роль у живій природі. Завдяки йому відбувається обмін речовин і енергії в живих організмах. Поживні речовини переходять з навколишнього середовища в живу клітину, а продукти розпаду виводяться з неї в навколишнє середовище. Без цих процесів життя неможливе.

Взаємодія атомів і молекул. Ви вже знаєте, що до складу атомів і молекул входять електрично заряджені частинки речовини - протони й електрони. Тому між атомами й молекулами всіх речовин одночасно діють і сили притягання (між різнойменно зарядженими частинками), і сили відштовхування (між однойменно зарядженими частинками).

Сили, що діють між атомами й молекулами речовини, називають молекулярними силами.

У існуванні молекулярних сил можна переконатися на дослідах. Наприклад, той факт, що тверді тіла зберігають свої розміри й форму, можна пояснити тільки тим, що між атомами й молекулами твердих тіл існують сили притягання. Якщо щільно притиснути одна до одної кілька металевих добре відполірованих плиток (плиток Йогансона), то завдяки силам притягання між молекулами вони так міцно утримуються одна біля одної, що з них можна скласти цілий ланцюжок (мал. 96). Такі плитки використовують для точного вимірювання довжини і контролю вимірювальних приладів.

Сили молекулярного притягання виникають не тільки між однорідними, але й між різнорідними речовинами.

Дослід 2. Підвісимо на нитках до динамометра скляну або добре відполіровану металеву пластинку так, щоб її нижня поверхня стикалася з водою. Тепер спробуємо відірвати її від води. Пружина динамометра помітно розтягується: між молекулами води і пластинки виникають сили притягання. Сили притягання між молекулами виникають завжди, коли відстань між молекулами дорівнює або менша від радіуса сфери молекулярної дії. Значення цих сил визначається природою взаємодіючих молекул.

Існування сил відштовхування між молекулами речовини можна також виявити на багатьох дослідах.

Мал. 96. Зчеплення плиток Йогансена

Дослід 3. Натиснемо на поршень велосипедного насоса, закривши вихідний отвір. Довести поршень до кінця не вдасться: між молекулами газу діють сили відштовхування.

Дослід 4. Закриємо отвір медичного шприца, заповненого рідиною. Натискаючи на його поршень, виявимо, що між молекулами рідини існують такі великі відштовхування, що сили людини недостатньо, щоб хоч трохи зменшити об'єм рідини.

Дослід 5. Зігнемо металеву лінійку, її форма зміниться. Після припинення дії зовнішніх сил лінійка відновить свою форму. Це можливо тільки в тому випадку, якщо між частинками, з яких вона складається, діють сили відштовхування і притягання одночасно.

Слід зауважити, що молекулярні сили діють тільки на дуже малих відстанях: молекули взаємодіють тільки зі своїми найближчими сусідами. Цей висновок підтверджується спостереженнями. Розбиті частини скляної трубки не вдається з'єднати знов. Чому? Тому, що через нерівності поверхні зламу молекули перебувають на таких відстанях, де молекулярні сили вже не діють. Якщо ж нагрівати місце зламу, то скло стане м'яким, і його окремі частини буде легко зблизити. Між молекулами виникнуть достатньо великі сили і обидві частини скляної трубки легко з'єднаються.

Отже, молекулярні сили дуже швидко зменшуються з відстанню і практично дорівнюють нулю, коли відстань між центрами молекул перевищує 1 нм (10-9 м).

Область простору, у якій діють молекулярні сили, називають сферою молекулярної дії, радіус цієї сфери порядка 10-9 м.

Мал. 97. Залежність молекулярних сил від відстані між молекулами

Сили притягання і відштовхування, що діють між молекулами, мають складну залежність від відстані між ними. Характер цієї залежності наочно ілюструє графік, зображений на малюнку 97. На осі абсцис відкладено відстані між центрами частинок r, а на осі ординат сили взаємодії між ними F. Сили відштовхування F1, домовимося вважати додатними, а сили притягання F2 - від'ємними. Коли відстань між частинками збільшується, сили притягання F2 і сили відштовхування F1 зменшуються, але неоднаково: сили відштовхування зменшуються швидше за сили притягання. Навпаки, у разі зближення частинок одна з одною сили притягання і сили відштовхування збільшуються одночасно, але знову неоднаково: сили відштовхування збільшуються швидше за сили притягання. На певній відстані а між центрами частинок, що взаємодіють, сили притягання виявляються рівними силам відштовхування. У цьому положенні частинки перебувають у стані рівноваги одна відносно одної.

Відстань між частинками, що перебувають у стані рівноваги, називають рівноважною відстанню.

Якщо відстань між центрами частинок стає меншою за рівноважну, то сили відштовхування, збільшуючись швидше за сили притягання, починають переважати сили притягання і частинки відштовхуються одна від одної.

Зі збільшенням відстані між центрами частинок сили притягання стають більшими за сили відштовхування, і частинки притягуються одна до одної.