Experimentelle Begründung der Grundprinzipien der Molekularkinetik. Grundlegende Bestimmungen der IKT und ihre experimentelle Begründung
12. Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie und ihre experimentelle Begründung. Masse und Größe von Molekülen
Man nennt eine Theorie, die den Aufbau und die Eigenschaften von Körpern auf der Grundlage der Bewegungs- und Wechselwirkungsgesetze der Teilchen erklärt, aus denen die Körper bestehen Molekularkinetik.
Die Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie (MKT) sind wie folgt formuliert:
Jeder Stoff hat eine diskrete (diskontinuierliche) Struktur. Es besteht aus einzelnen, durch Zwischenräume getrennten Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen).
Teilchen befinden sich in einem Zustand kontinuierlicher chaotischer Bewegung, der als thermische Bewegung bezeichnet wird.
Teilchen interagieren miteinander. Im Prozess ihrer Wechselwirkung entstehen Anziehungs- und Abstoßungskräfte.
Die Gültigkeit der IKT wird durch zahlreiche Beobachtungen und Fakten bestätigt.
Das Vorhandensein von Permeabilität, Kompressibilität und Löslichkeit in Substanzen weist darauf hin, dass sie nicht kontinuierlich sind, sondern aus einzelnen, durch Räume getrennten Partikeln bestehen. Mit modernen Forschungsmethoden (Elektronen- und Ionenmikroskope) wurden Bilder der größten Moleküle gewonnen.
Brownsche Bewegung und Diffusion weisen darauf hin, dass sich die Teilchen kontinuierlich bewegen.
Das Vorhandensein von Festigkeit und Elastizität von Körpern, das Phänomen der Benetzung, die Oberflächenspannung in Flüssigkeiten usw. beweisen die Existenz von Wechselwirkungskräften zwischen Molekülen.
Masse und Größe von Molekülen.
Die Größe von Molekülen ist ein relativer Wert. Es wird wie folgt bewertet. Zwischen Molekülen wirken neben anziehenden Kräften auch abstoßende Kräfte, so dass sich Moleküle nur bis zu einer bestimmten Distanz einander annähern können. Der Abstand der maximalen Annäherung zwischen den Zentren der Moleküle wird aufgerufen effektiver Durchmesser des Moleküls.(In diesem Fall wird üblicherweise angenommen, dass die Moleküle eine Kugelform haben.)
Mithilfe zahlreicher Methoden zur Bestimmung der Massen und Größen von Molekülen wurde festgestellt, dass mit Ausnahme der Moleküle organischer Substanzen, die eine sehr große Anzahl von Atomen enthalten, die meisten Moleküle größenordnungsmäßig einen Durchmesser von 1,10 haben – 10 m und eine Masse von 1·10 - 26 kg.
Relatives Molekulargewicht.
Relative molekulare (oder atomare) Masse Herr (oder Ein r ) Sie nennen einen Wert, der dem Verhältnis der Masse eines Moleküls (oder Atoms) m o dieser Substanz zu 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms m o C entspricht, d.h.
Die relative molekulare (atomare) Masse ist eine dimensionslose Größe.
Menge der Substanz. Molmasse. Molekülmasse.
Die Stoffmenge ν ist ein Wert, der dem Verhältnis der Anzahl der Moleküle (oder Atome) N in einem bestimmten Körper zur Anzahl der Atome N A in 0,012 kg Kohlenstoff entspricht, d.h. ν = N/ N A (N A ist Avogadros Zahl).
Die Molmasse M eines Stoffes ist die Masse von 1 Mol dieses Stoffes.
Folglich kann aus der Beziehung die Masse eines Moleküls (Atoms) bestimmt werden
13. Ideales Gas. Grundgleichung μmt eines idealen Gases
Ein ideales Gas ist ein solches Gas, bei dessen Beschreibung die folgenden Annahmen getroffen werden: Sie berücksichtigen nicht die intrinsische Größe von Gasmolekülen und berücksichtigen nicht die Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen.
Somit ist das Modell eines idealen Gases eine Menge chaotisch bewegter Materialpunkte, die nur bei direkter Kollision miteinander und mit den Wänden eines Behälters, der Gas enthält, interagieren.
Definition 1
Molekularkinetische Theorie ist die Lehre von der Struktur und den Eigenschaften der Materie, basierend auf der Idee der Existenz von Atomen und Molekülen als kleinsten Teilchen chemischer Substanzen.
Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie eines Moleküls:
- Alle Stoffe können in flüssigem, festem und gasförmigem Zustand vorliegen. Sie bestehen aus Teilchen, die aus Atomen bestehen. Elementarmoleküle können eine komplexe Struktur haben, das heißt, sie können mehrere Atome enthalten. Moleküle und Atome sind elektrisch neutrale Teilchen, die unter bestimmten Bedingungen eine zusätzliche elektrische Ladung erhalten und zu positiven oder negativen Ionen werden.
- Atome und Moleküle bewegen sich ständig.
- Teilchen mit elektrischer Kraft interagieren miteinander.
Die wichtigsten Bestimmungen der IKT und ihre Beispiele wurden oben aufgeführt. Der Gravitationseinfluss zwischen den Teilchen ist gering.
Figur 3. 1 . 1 . Flugbahn eines Brownschen Teilchens.
Definition 2
Die Brownsche Bewegung von Molekülen und Atomen bestätigt die Existenz der Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie und untermauert sie experimentell. Diese thermische Bewegung von Partikeln erfolgt mit Molekülen, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert sind.
Experimentelle Begründung der wesentlichen Bestimmungen der molekularkinetischen Theorie
Im Jahr 1827 entdeckte R. Brown diese Bewegung, die durch zufällige Stöße und Bewegungen von Molekülen verursacht wurde. Da der Prozess chaotisch ablief, konnten sich die Schläge nicht gegenseitig ausgleichen. Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die Geschwindigkeit eines Brownschen Teilchens nicht konstant sein kann, sondern sich ständig ändert und die Richtungsbewegung in Form eines Zickzacks dargestellt wird, wie in Abbildung 3 dargestellt. 1 . 1 .
A. Einstein sprach 1905 über die Brownsche Bewegung. Seine Theorie wurde in den Experimenten von J. Perrin in den Jahren 1908 - 1911 bestätigt.
Definition 3
Folgerung von Einsteins Theorie: versetztes Quadrat< r 2 >Brownsche Teilchen relativ zur Ausgangsposition, gemittelt über viele Brownsche Teilchen, ist proportional zur Beobachtungszeit t.
Ausdruck< r 2 >= D t erklärt das Diffusionsgesetz. Der Theorie zufolge nimmt D mit zunehmender Temperatur monoton zu. Bei Diffusion ist eine zufällige Bewegung sichtbar.
Definition 4
Diffusion- Dies ist die Definition des Phänomens des Eindringens zweier oder mehrerer sich berührender Substanzen ineinander.
Dieser Prozess läuft in einem heterogenen Gas schnell ab. Dank Diffusionsbeispielen mit unterschiedlichen Dichten kann eine homogene Mischung erhalten werden. Befinden sich Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im selben Behälter mit Trennwand, beginnen sich die Gase beim Entfernen zu vermischen und bilden ein gefährliches Gemisch. Der Prozess ist möglich, wenn oben Wasserstoff und unten Sauerstoff ist.
Auch in Flüssigkeiten treten Durchdringungsprozesse auf, allerdings deutlich langsamer. Wenn wir einen Feststoff, Zucker, in Wasser lösen, erhalten wir eine homogene Lösung, was ein klares Beispiel für Diffusionsprozesse in Flüssigkeiten ist. Unter realen Bedingungen wird die Vermischung von Flüssigkeiten und Gasen durch schnelle Vermischungsvorgänge, beispielsweise beim Auftreten von Konvektionsströmungen, überdeckt.
Die Diffusion von Feststoffen zeichnet sich durch ihre langsame Geschwindigkeit aus. Wenn die Oberfläche der Wechselwirkung zwischen Metallen gereinigt wird, kann man sehen, dass über einen langen Zeitraum hinweg in jedem von ihnen Atome eines anderen Metalls erscheinen.
Definition 5
Diffusion und Brownsche Bewegung gelten als verwandte Phänomene.
Wenn sich Partikel beider Substanzen gegenseitig durchdringen, ist die Bewegung zufällig, das heißt, es wird eine chaotische thermische Bewegung der Moleküle beobachtet.
Die zwischen zwei Molekülen wirkenden Kräfte hängen vom Abstand zwischen ihnen ab. Moleküle enthalten positive und negative Ladungen. Bei großen Entfernungen überwiegen die Kräfte der intermolekularen Anziehung, bei kleinen Entfernungen überwiegen die Abstoßungskräfte.
Zeichnung 3 . 1 . 2 zeigt die Abhängigkeit der resultierenden Kraft F und der potentiellen Energie E p der Wechselwirkung zwischen Molekülen vom Abstand zwischen ihren Zentren. Bei einem Abstand r = r 0 wird die Wechselwirkungskraft Null. Dieser Abstand wird üblicherweise als Durchmesser des Moleküls angenommen. Bei r = r 0 ist die potentielle Wechselwirkungsenergie minimal.
Definition 6
Um zwei Moleküle im Abstand R 0 auseinander zu bewegen, muss man E 0 kommunizieren, genannt Bindungsenergie oder Potentialtopftiefe.
Figur 3. 1 . 2.Die Kraft der Interaktion F und potentielle Energie der Interaktion E r zwei Moleküle. F > 0– abstoßende Kraft, F< 0 - Schwerkraft.
Da Moleküle klein sind, können einfache einatomige Moleküle nicht größer als 10 - 10 m sein. Komplexe können hunderte Male größere Größen erreichen.
Definition 7
Die zufällige chaotische Bewegung von Molekülen nennt man thermische Bewegung.
Mit zunehmender Temperatur nimmt die kinetische Energie der thermischen Bewegung zu. Bei niedrigen Temperaturen ist die durchschnittliche kinetische Energie in den meisten Fällen geringer als die Tiefe des Potentialtopfs E 0 . Dieser Fall zeigt, dass Moleküle mit einem durchschnittlichen Abstand zwischen ihnen r 0 in eine Flüssigkeit oder einen Feststoff strömen. Steigt die Temperatur, dann übersteigt die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle E 0, dann fliegen sie auseinander und bilden einen gasförmigen Stoff.
In Festkörpern bewegen sich Moleküle zufällig um feste Zentren, also Gleichgewichtspositionen. Sie können unregelmäßig im Raum verteilt sein (in amorphen Körpern) oder unter Bildung geordneter volumetrischer Strukturen (kristalline Körper).
Aggregatzustände von Stoffen
Die Freiheit der thermischen Bewegung von Molekülen ist in Flüssigkeiten sichtbar, da sie nicht an Zentren gebunden sind, was eine Bewegung im gesamten Volumen ermöglicht. Dies erklärt seine Fließfähigkeit.
Definition 8
Wenn die Moleküle nahe beieinander liegen, können sie mit mehreren Molekülen geordnete Strukturen bilden. Dieses Phänomen nennt man Kurzstreckenauftrag. Langstreckenauftrag charakteristisch für kristalline Körper.
Der Abstand zwischen den Molekülen in Gasen ist viel größer, daher sind die wirkenden Kräfte gering und ihre Bewegungen verlaufen geradlinig und warten auf die nächste Kollision. Der Wert von 10 – 8 m ist der durchschnittliche Abstand zwischen Luftmolekülen unter normalen Bedingungen. Da die Wechselwirkung der Kräfte schwach ist, dehnen sich die Gase aus und können jedes Volumen des Gefäßes füllen. Wenn ihre Wechselwirkung gegen Null geht, spricht man von einem idealen Gas.
Kinetisches Modell eines idealen Gases
In μt wird die Stoffmenge als proportional zur Anzahl der Partikel betrachtet.
Definition 9
Mol- Dies ist die Stoffmenge, die so viele Partikel (Moleküle) enthält, wie 0,012 kg Kohlenstoff C 12 Atome enthalten. Ein Kohlenstoffmolekül besteht aus einem Atom. Daraus folgt, dass 1 Mol eines Stoffes die gleiche Anzahl an Molekülen hat. Diese Nummer wird angerufen Konstante Avogadro N A: N A = 6,02 ċ 1023 mol – 1.
Formel zur Bestimmung der Menge eines Stoffes ν wird als Verhältnis N der Anzahl der Teilchen zur Avogadro-Konstante N A geschrieben: ν = N N A .
Definition 10
Masse eines Mols einer Substanz heißt Molmasse M. Sie wird in der Form M = N A ċ m 0 festgelegt.
Die Molmasse wird in Kilogramm pro Mol (kg/mol) angegeben.
Definition 11
Wenn ein Stoff ein Atom enthält, können wir von der Atommasse des Teilchens sprechen. Eine Atomeinheit besteht aus 1 12 Massen des Kohlenstoffisotops C 12, genannt atomare Masseneinheit und wird geschrieben als ( A. essen.): 1 a. e.m. = 1,66 ċ 10 – 27 kg.
Dieser Wert stimmt mit der Masse des Protons und Neutrons überein.
Definition 12
Das Verhältnis der Masse eines Atoms oder Moleküls einer bestimmten Substanz zu 1 12 Masse eines Kohlenstoffatoms wird genannt relative Masse.
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Die molekularkinetische Theorie ist ein Zweig der Physik, der die Eigenschaften verschiedener Materiezustände untersucht und auf der Idee der Existenz von Molekülen und Atomen als kleinsten Materieteilchen basiert. IKT basiert auf drei Hauptprinzipien:
1. Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen: Molekülen, Atomen oder Ionen.
2. Diese Teilchen befinden sich in ständiger chaotischer Bewegung, deren Geschwindigkeit die Temperatur der Substanz bestimmt.
3. Zwischen den Teilchen wirken Anziehungs- und Abstoßungskräfte, deren Art vom Abstand zwischen ihnen abhängt.
Die wichtigsten Bestimmungen der IKT werden durch viele experimentelle Fakten bestätigt. Die Existenz von Molekülen, Atomen und Ionen wurde experimentell nachgewiesen, die Moleküle wurden ausreichend untersucht und sogar mit Elektronenmikroskopen fotografiert. Die Fähigkeit von Gasen, sich unbegrenzt auszudehnen und das gesamte ihnen zur Verfügung gestellte Volumen einzunehmen, erklärt sich aus der kontinuierlichen chaotischen Bewegung von Molekülen. Die Elastizität von Gasen, Feststoffen und Flüssigkeiten, die Fähigkeit von Flüssigkeiten, einige Feststoffe zu benetzen, die Prozesse des Färbens, Klebens, der Formbeständigkeit von Feststoffen und vieles mehr weisen auf die Existenz von Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen Molekülen hin. Auch das Phänomen der Diffusion – die Fähigkeit von Molekülen einer Substanz, in die Zwischenräume zwischen den Molekülen einer anderen Substanz einzudringen – bestätigt die wesentlichen Bestimmungen der MCT. Das Phänomen der Diffusion erklärt beispielsweise die Ausbreitung von Gerüchen, die Vermischung unterschiedlicher Flüssigkeiten, den Prozess der Auflösung von Feststoffen in Flüssigkeiten und das Verschweißen von Metallen durch Schmelzen oder Druck. Eine Bestätigung der kontinuierlichen chaotischen Bewegung von Molekülen ist auch die Brownsche Bewegung – die kontinuierliche chaotische Bewegung mikroskopischer Partikel, die in Flüssigkeiten unlöslich sind.
Die Bewegung der Brownschen Teilchen wird durch die chaotische Bewegung flüssiger Teilchen erklärt, die mit mikroskopisch kleinen Teilchen kollidieren und diese in Bewegung versetzen. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die Geschwindigkeit Brownscher Teilchen von der Temperatur der Flüssigkeit abhängt. Die Theorie der Brownschen Bewegung wurde von A. Einstein entwickelt. Die Gesetze der Teilchenbewegung sind statistischer und probabilistischer Natur. Es gibt nur einen bekannten Weg, die Intensität der Brownschen Bewegung zu verringern – die Verringerung der Temperatur. Die Existenz der Brownschen Bewegung bestätigt überzeugend die Bewegung von Molekülen.
Jeder Stoff besteht aus Partikeln, daher gilt die Stoffmenge v als proportional zur Anzahl der Partikel, also der im Körper enthaltenen Strukturelemente.
Die Mengeneinheit eines Stoffes ist das Mol. Ein Mol ist die Menge eines Stoffes, die die gleiche Anzahl an Strukturelementen eines Stoffes enthält, wie Atome in 12 g C12-Kohlenstoff vorhanden sind. Das Verhältnis der Molekülzahl eines Stoffes zur Stoffmenge wird Avogadro-Konstante genannt:
Die Avogadro-Konstante gibt an, wie viele Atome und Moleküle in einem Mol einer Substanz enthalten sind. Die Molmasse ist die Masse eines Mols einer Substanz, gleich dem Verhältnis der Masse der Substanz zur Menge der Substanz:
Die Molmasse wird in kg/mol ausgedrückt. Wenn Sie die Molmasse kennen, können Sie die Masse eines Moleküls berechnen:
Die durchschnittliche Masse von Molekülen wird normalerweise durch chemische Methoden bestimmt; die Avogadro-Konstante wird mit hoher Genauigkeit durch mehrere physikalische Methoden bestimmt. Die Massen von Molekülen und Atomen werden mit einem Massenspektrographen mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Die Massen der Moleküle sind sehr klein. Zum Beispiel die Masse eines Wassermoleküls:
Die Molmasse hängt mit der relativen Molekülmasse von Mg zusammen. Das relative Molekulargewicht ist ein Wert, der dem Verhältnis der Masse eines Moleküls einer bestimmten Substanz zu 1/12 der Masse eines C12-Kohlenstoffatoms entspricht. Wenn die chemische Formel eines Stoffes bekannt ist, kann anhand des Periodensystems seine relative Masse bestimmt werden, die in Kilogramm ausgedrückt die Molmasse dieses Stoffes angibt.
Die molekularkinetische Theorie ist ein Zweig der Physik, der die Eigenschaften verschiedener Materiezustände untersucht und auf der Idee der Existenz von Molekülen und Atomen als kleinsten Materieteilchen basiert. IKT basiert auf drei Hauptprinzipien:
1. Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen: Molekülen, Atomen oder Ionen.
2. Diese Teilchen befinden sich in ständiger chaotischer Bewegung, deren Geschwindigkeit die Temperatur der Substanz bestimmt.
3. Zwischen den Teilchen wirken Anziehungs- und Abstoßungskräfte, deren Art vom Abstand zwischen ihnen abhängt.
Die wichtigsten Bestimmungen der IKT werden durch viele experimentelle Fakten bestätigt. Die Existenz von Molekülen, Atomen und Ionen wurde experimentell nachgewiesen, die Moleküle wurden ausreichend untersucht und sogar mit Elektronenmikroskopen fotografiert. Die Fähigkeit von Gasen, sich auf unbestimmte Zeit auszudehnen und zu besetzen alle Das dadurch bereitgestellte Volumen erklärt sich aus der kontinuierlichen chaotischen Bewegung der Moleküle. Elastizität Gase, Feststoffe und Flüssigkeiten, Fähigkeit von Flüssigkeiten
Das Befeuchten einiger Feststoffe, die Prozesse des Färbens, Klebens, der Formerhaltung durch Feststoffe und vieles mehr weisen auf die Existenz von Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen Molekülen hin. Auch das Phänomen der Diffusion – die Fähigkeit von Molekülen einer Substanz, in die Zwischenräume zwischen den Molekülen einer anderen Substanz einzudringen – bestätigt die wesentlichen Bestimmungen der MCT. Das Phänomen der Diffusion erklärt beispielsweise die Ausbreitung von Gerüchen, die Vermischung unterschiedlicher Flüssigkeiten, den Prozess der Auflösung von Feststoffen in Flüssigkeiten und das Verschweißen von Metallen durch Schmelzen oder Druck. Eine Bestätigung der kontinuierlichen chaotischen Bewegung von Molekülen ist auch die Brownsche Bewegung – die kontinuierliche chaotische Bewegung mikroskopischer Partikel, die in Flüssigkeiten unlöslich sind.
Die Bewegung der Brownschen Teilchen wird durch die chaotische Bewegung flüssiger Teilchen erklärt, die mit mikroskopisch kleinen Teilchen kollidieren und diese in Bewegung versetzen. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die Geschwindigkeit Brownscher Teilchen von der Temperatur der Flüssigkeit abhängt. Die Theorie der Brownschen Bewegung wurde von A. Einstein entwickelt. Die Gesetze der Teilchenbewegung sind statistischer und probabilistischer Natur. Es gibt nur einen bekannten Weg, die Intensität der Brownschen Bewegung zu verringern – die Temperatur zu senken. Die Existenz der Brownschen Bewegung bestätigt überzeugend die Bewegung von Molekülen.
Jeder Stoff besteht daher aus Teilchen Menge der Substanz gilt als proportional zur Anzahl der im Körper enthaltenen Partikel, d. h. Strukturelemente, v.
Die Mengeneinheit eines Stoffes ist Mol.Mol- Dies ist die Stoffmenge, die die gleiche Anzahl an Strukturelementen eines Stoffes enthält, wie Atome in 12 g Kohlenstoff C 12 vorhanden sind. Man nennt das Verhältnis der Molekülzahl eines Stoffes zur Stoffmenge Avogadros Konstante:
n / A= N/ v. na = 6,02 10 23 Mol -1 .
Die Avogadro-Konstante gibt an, wie viele Atome und Moleküle in einem Mol einer Substanz enthalten sind. Molmasse ist eine Größe, die dem Verhältnis der Masse eines Stoffes zur Stoffmenge entspricht:
M = m/ v.
Die Molmasse wird in kg/mol ausgedrückt. Wenn Sie die Molmasse kennen, können Sie die Masse eines Moleküls berechnen:
m 0 = m/N = m/vN A= M/ N / A
Die durchschnittliche Masse von Molekülen wird normalerweise durch chemische Methoden bestimmt; die Avogadro-Konstante wird mit hoher Genauigkeit durch mehrere physikalische Methoden bestimmt. Die Massen von Molekülen und Atomen werden mit einem Massenspektrographen mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Die Massen der Moleküle sind sehr klein. Zum Beispiel die Masse eines Wassermoleküls: t = 29,9 · 10 -27 kg.
Die Molmasse hängt mit der relativen Molekülmasse von Mr zusammen. Die relative Molmasse ist ein Wert, der dem Verhältnis der Masse eines Moleküls einer bestimmten Substanz zu 1/12 der Masse des C 12 -Kohlenstoffatoms entspricht. Wenn die chemische Formel eines Stoffes bekannt ist, kann anhand des Periodensystems seine relative Masse bestimmt werden, die in Kilogramm ausgedrückt die Molmasse dieses Stoffes angibt.
