Molekulaarkineetika põhiprintsiipide eksperimentaalne põhjendamine. IKT põhisätted ja nende eksperimentaalne põhjendus
12. Molekulaarkineetilise teooria aluspõhimõtted ja nende eksperimentaalne põhjendamine. Molekulide mass ja suurus
Teooriat, mis selgitab kehade ehitust ja omadusi kehasid moodustavate osakeste liikumis- ja vastastikmõju seaduste alusel, nimetatakse nn. molekulaarne kineetika.
Molekulaarkineetilise teooria (MKT) põhiprintsiibid on sõnastatud järgmiselt:
Igal ainel on diskreetne (katkendav) struktuur. See koosneb üksikutest osakestest (molekulid, aatomid, ioonid), mis on eraldatud tühikutega.
Osakesed on pidevas kaootilises liikumises, mida nimetatakse soojusliikumiseks.
Osakesed suhtlevad üksteisega. Nende vastasmõju käigus tekivad külgetõmbe- ja tõrjumisjõud.
IKT paikapidavust kinnitavad arvukad tähelepanekud ja faktid.
Läbilaskvuse, kokkusurutavuse ja lahustuvuse olemasolu ainetes näitab, et need ei ole pidevad, vaid koosnevad üksikutest tühikutega eraldatud osakestest. Tänapäevaste uurimismeetodite (elektron- ja ioonmikroskoobid) abil saadi suurimate molekulide kujutised.
Browni liikumine ja difusioon näitavad, et osakesed on pidevas liikumises.
Kehade tugevuse ja elastsuse olemasolu, märgumise nähtus, vedelike pindpinevus jne. tõestada molekulide vastastikuse mõju olemasolu.
Molekulide mass ja suurus.
Molekulide suurus on suhteline väärtus. Seda hinnatakse järgmiselt. Molekulide vahel koos külgetõmbejõududega toimivad ka tõukejõud, mistõttu molekulid saavad üksteisele läheneda vaid teatud kaugusele. Maksimaalse lähenemise kaugust molekulide tsentrite vahel nimetatakse Molekuli efektiivne läbimõõt.(Sel juhul eeldatakse tavaliselt, et molekulidel on sfääriline kuju.)
Molekulide masside ja suuruste määramise arvukate meetodite abil on kindlaks tehtud, et välja arvatud väga palju aatomeid sisaldavad orgaaniliste ainete molekulid, on enamiku molekulide läbimõõt suurusjärgus 1,10 - 10 m ja kaal 1,10 - 26 kg.
Suhteline molekulmass.
Suhteline molekulaarmass (või aatommass). Härra (või A r ) nad nimetavad väärtust, mis on võrdne selle aine molekuli (või aatomi) massi suhtega m o 1/12 süsinikuaatomi massist m o C, s.o.
Suhteline molekulaar (aatom) mass on mõõtmeteta suurus.
Aine kogus. Molaarmass. Molekuli mass.
Aine kogus ν on väärtus, mis võrdub antud kehas olevate molekulide (või aatomite) N ja aatomite arvu N A suhtega 0,012 kg süsinikus, s.o. ν = N/N A (NA on Avogadro arv).
Aine molaarmass M on selle aine 1 mooli mass.
Järelikult saab seose põhjal määrata molekuli (aatomi) massi
13. Ideaalne gaas. Ideaalse gaasi põhivõrrand μmt
Ideaalne gaas on selline gaas, mille omaduste kirjeldamisel lähtutakse järgmistest eeldustest: nad ei võta arvesse gaasimolekulide sisemist suurust ega nendevahelisi vastastikmõjusid.
Seega on ideaalse gaasi mudel kogum kaootiliselt liikuvaid materiaalseid punkte, mis interakteeruvad omavahel ja gaasi sisaldava anuma seintega ainult otsesel kokkupõrkel.
Definitsioon 1
Molekulaarkineetiline teooria on aine struktuuri ja omaduste õpetus, mis põhineb ideel aatomite ja molekulide kui keemiliste ainete väikseimate osakeste olemasolust.
Molekuli molekulaarkineetilise teooria põhiprintsiibid:
- Kõik ained võivad olla vedelas, tahkes ja gaasilises olekus. Need on moodustatud osakestest, mis koosnevad aatomitest. Elementaarmolekulidel võib olla keeruline struktuur, see tähendab, et need võivad sisaldada mitut aatomit. Molekulid ja aatomid on elektriliselt neutraalsed osakesed, mis teatud tingimustel omandavad täiendava elektrilaengu ja muutuvad positiivseteks või negatiivseteks ioonideks.
- Aatomid ja molekulid liiguvad pidevalt.
- Elektrilise jõuga osakesed interakteeruvad üksteisega.
Peamised IKT sätted ja nende näited olid loetletud eespool. Osakeste vahel on vähe gravitatsioonimõju.
Joonis 3. 1 . 1 . Browni osakese trajektoor.
2. definitsioon
Molekulide ja aatomite Browni liikumine kinnitab molekulaarkineetilise teooria põhiprintsiipide olemasolu ja põhjendab seda eksperimentaalselt. See osakeste termiline liikumine toimub vedelikus või gaasis suspendeeritud molekulidega.
Molekulaarkineetilise teooria peamiste sätete eksperimentaalne põhjendus
1827. aastal avastas R. Brown selle liikumise, mille põhjustasid juhuslikud kokkupõrked ja molekulide liikumised. Kuna protsess toimus kaootiliselt, ei suutnud löögid üksteist tasakaalustada. Sellest järeldub, et Browni osakese kiirus ei saa olla konstantne, see muutub pidevalt ja suunaline liikumine on kujutatud siksaki kujul, nagu on näidatud joonisel 3. 1 . 1 .
A. Einstein rääkis Browni liikumisest 1905. aastal. Tema teooria leidis kinnitust J. Perrini katsetes aastatel 1908-1911.
3. määratlus
Einsteini teooria tagajärg: nihke ruut< r 2 >Browni osakeste väärtus algpositsiooni suhtes, keskmistatuna paljude Browni osakeste alusel, on võrdeline vaatlusajaga t.
Väljendus< r 2 >= D t selgitab difusiooniseadust. Teooria kohaselt kasvab D monotoonselt temperatuuri tõustes. Difusiooni juuresolekul on nähtav juhuslik liikumine.
4. määratlus
Difusioon- see on kahe või enama kokkupuutel oleva aine üksteisesse tungimise nähtuse määratlus.
See protsess toimub heterogeenses gaasis kiiresti. Tänu erineva tihedusega difusiooni näidetele on võimalik saada homogeenne segu. Kui hapnik O2 ja vesinik H2 on vaheseinaga samas anumas, hakkavad selle eemaldamisel gaasid segunema, moodustades ohtliku segu. Protsess on võimalik, kui vesinik on üleval ja hapnik all.
Läbistumisprotsessid toimuvad ka vedelikes, kuid palju aeglasemalt. Kui lahustame tahke aine, suhkru, vees, saame homogeense lahuse, mis on selge näide vedelikes toimuvatest difusiooniprotsessidest. Reaalsetes tingimustes varjatakse vedelike ja gaaside segunemist kiirete segamisprotsessidega, näiteks konvektsioonivoolude ilmnemisel.
Tahkete ainete difusiooni iseloomustab selle aeglane kiirus. Kui metallide interaktsiooni pind puhastada, on näha, et pika aja jooksul ilmuvad igasse neist mõne teise metalli aatomid.
Definitsioon 5
Difusiooni ja Browni liikumist peetakse omavahel seotud nähtusteks.
Kui mõlema aine osakesed läbistavad, on liikumine juhuslik, st täheldatakse molekulide kaootilist soojusliikumist.
Kahe molekuli vahel mõjuvad jõud sõltuvad nendevahelisest kaugusest. Molekulid sisaldavad positiivseid ja negatiivseid laenguid. Suurtel vahemaadel domineerivad molekulidevahelised tõmbejõud, väikestel kaugustel on ülekaalus tõukejõud.
Joonistamine 3 . 1 . 2 näitab molekulide vastasmõju tekkiva jõu F ja potentsiaalse energia E p sõltuvust nende tsentrite vahelisest kaugusest. Kaugusel r = r 0 muutub vastasmõju jõud nulliks. Seda kaugust peetakse tavaliselt molekuli läbimõõduks. Kui r = r 0, on interaktsiooni potentsiaalne energia minimaalne.
Definitsioon 6
Kahe molekuli nihutamiseks vahemaaga r 0 peaksite suhtlema E 0, nn sidumisenergia või potentsiaalse kaevu sügavus.
Joonis 3. 1 . 2.Interaktsiooni jõud F ja interaktsiooni potentsiaalset energiat E r kaks molekuli. F > 0- tõrjuv jõud, F< 0 - raskusjõud.
Kuna molekulid on väikese suurusega, võivad lihtsad monoatomilised molekulid olla kuni 10–10 m suuremad.
Definitsioon 7
Molekulide juhuslikku kaootilist liikumist nimetatakse termiline liikumine.
Temperatuuri tõustes suureneb soojusliikumise kineetiline energia. Madalatel temperatuuridel osutub keskmine kineetiline energia enamikul juhtudel väiksemaks kui potentsiaalse kaevu sügavus E 0 . See juhtum näitab, et molekulid voolavad vedelasse või tahkesse ainesse, mille keskmine vahekaugus on r 0 . Kui temperatuur tõuseb, ületab molekuli keskmine kineetiline energia E 0, siis lendavad nad lahku ja moodustavad gaasilise aine.
Tahketes ainetes liiguvad molekulid juhuslikult ümber fikseeritud tsentrite, st tasakaalupositsioonide. Need võivad ruumis jaotuda ebakorrapäraselt (amorfsetes kehades) või korrastatud mahuliste struktuuride (kristallkehade) moodustumisega.
Ainete koondseisundid
Molekulide termilise liikumise vabadus on vedelikes nähtav, kuna need ei ole tsentritega seotud, mis võimaldab liikuda kogu mahu ulatuses. See seletab selle voolavust.
Definitsioon 8
Kui molekulid asuvad tihedalt, võivad nad moodustada mitme molekuliga järjestatud struktuure. Seda nähtust nimetatakse lühiajaline tellimus. Pikaajaline tellimus iseloomulikud kristallkehadele.
Molekulide vaheline kaugus gaasides on palju suurem, seega on mõjuvad jõud väikesed ja nende liikumine kulgeb mööda sirgjoont, oodates järgmist kokkupõrget. Väärtus 10–8 m on keskmine kaugus õhumolekulide vahel tavatingimustes. Kuna jõudude vastastikmõju on nõrk, gaasid paisuvad ja võivad täita anuma mis tahes mahu. Kui nende koostoime kipub nulli, räägivad nad ideaalsest gaasist.
Ideaalse gaasi kineetiline mudel
μt-des loetakse aine kogust proportsionaalseks osakeste arvuga.
Definitsioon 9
Sünnimärk- see on aine kogus, mis sisaldab nii palju osakesi (molekule), kui on aatomeid 0,012 kg süsiniku C12-s. Süsiniku molekul koosneb ühest aatomist. Sellest järeldub, et 1 moolil ainel on sama arv molekule. Seda numbrit kutsutakse konstantne Avogadro N A: N A = 6,02 ċ 1023 mol – 1.
Aine koguse määramise valem ν kirjutatakse osakeste arvu suhtena N Avogadro konstandi N A: ν = N N A .
Definitsioon 10
Ühe mooli aine mass nimetatakse molaarmassiks M. See fikseeritakse valemiga M = N A ċ m 0.
Molaarmassi väljendatakse kilogrammides mooli kohta (kg/mol).
Definitsioon 11
Kui aine sisaldab ühte aatomit, siis saame rääkida osakese aatommassist. Aatomi ühik on 1 12 massi süsiniku isotoopi C 12, nn aatommassi ühik ja see on kirjutatud kui ( A. sööma.): 1 a. e.m = 1,66 ċ 10 – 27 kg.
See väärtus langeb kokku prootoni ja neutroni massiga.
Definitsioon 12
Antud aine aatomi või molekuli massi ja süsinikuaatomi massi suhet 1 12 nimetatakse nn. suhteline mass.
Kui märkate tekstis viga, tõstke see esile ja vajutage Ctrl+Enter
Molekulaarkineetiline teooria on füüsika haru, mis uurib aine erinevate olekute omadusi, tuginedes ideele molekulide ja aatomite kui aine väikseimate osakeste olemasolust. IKT põhineb kolmel põhiprintsiibil:
1. Kõik ained koosnevad pisikestest osakestest: molekulidest, aatomitest või ioonidest.
2. Need osakesed on pidevas kaootilises liikumises, mille kiirus määrab aine temperatuuri.
3. Osakeste vahel on tõmbe- ja tõukejõud, mille olemus sõltub nendevahelisest kaugusest.
IKT põhisätteid kinnitavad paljud eksperimentaalsed faktid. Molekulide, aatomite ja ioonide olemasolu on katseliselt tõestatud, molekule on piisavalt uuritud ja elektronmikroskoopide abil isegi pildistatud. Gaaside võimet piiramatult paisuda ja kogu neile antud ruumala hõivata seletatakse molekulide pideva kaootilise liikumisega. Gaaside, tahkete ja vedelike elastsus, vedelike võime mõningaid tahkeid aineid niisutada, värvimis-, liimimis-, kuju säilitamise protsessid tahkete ainete poolt ja palju muud viitavad molekulidevahelise tõmbe- ja tõukejõu olemasolule. MCT põhisätteid kinnitab ka difusiooninähtus – ühe aine molekulide võime tungida teise aine molekulide vahelisse ruumi. Difusiooninähtus seletab näiteks lõhnade levikut, erinevate vedelike segunemist, tahkete ainete lahustumisprotsessi vedelikes ja metallide keevitamist nende sulatamise või rõhu all. Molekulide pideva kaootilise liikumise kinnitus on ka Browni liikumine – vedelikus lahustumatute mikroskoopiliste osakeste pidev kaootiline liikumine.
Browni osakeste liikumist seletatakse vedelate osakeste kaootilise liikumisega, mis põrkuvad kokku mikroskoopiliste osakestega ja panevad need liikuma. Eksperimentaalselt on tõestatud, et Browni osakeste kiirus sõltub vedeliku temperatuurist. Browni liikumise teooria töötas välja A. Einstein. Osakeste liikumise seadused on olemuselt statistilised ja tõenäosuslikud. Browni liikumise intensiivsuse vähendamiseks on teada ainult üks viis – temperatuuri alandamine. Browni liikumise olemasolu kinnitab veenvalt molekulide liikumist.
Iga aine koosneb osakestest, seetõttu loetakse aine v kogust võrdeliseks kehas sisalduvate osakeste ehk struktuurielementide arvuga.
Aine koguse ühik on mool. Mool on aine kogus, mis sisaldab sama arvu mis tahes aine struktuurielemente, kui on aatomeid 12 g C12 süsinikus. Aine molekulide arvu ja aine koguse suhet nimetatakse Avogadro konstandiks:
Avogadro konstant näitab, kui palju aatomeid ja molekule sisaldub aine ühes moolis. Molaarmass on aine ühe mooli mass, mis on võrdne aine massi ja aine koguse suhtega:
Molaarmassi väljendatakse kg/mooli kohta. Teades molaarmassi, saate arvutada ühe molekuli massi:
Molekulide keskmine mass määratakse tavaliselt keemiliste meetoditega. Avogadro konstant määratakse suure täpsusega mitme füüsikalise meetodi abil. Molekulide ja aatomite massid määratakse massispektrograafi abil olulise täpsusega.
Molekulide massid on väga väikesed. Näiteks veemolekuli mass:
Molaarmass on seotud Mg suhtelise molekulmassiga. Suhteline molekulmass on väärtus, mis võrdub antud aine molekuli massi ja 1/12 C12 süsinikuaatomi massi suhtega. Kui aine keemiline valem on teada, siis perioodilisustabeli abil saab määrata selle suhtelise massi, mis kilogrammides väljendatuna näitab selle aine molaarmassi.
Molekulaarkineetiline teooria on füüsika haru, mis uurib aine erinevate olekute omadusi, tuginedes ideele molekulide ja aatomite kui aine väikseimate osakeste olemasolust. IKT põhineb kolmel põhiprintsiibil:
1. Kõik ained koosnevad pisikestest osakestest: molekulidest, aatomitest või ioonidest.
2. Need osakesed on pidevas kaootilises liikumises, mille kiirus määrab aine temperatuuri.
3. Osakeste vahel on tõmbe- ja tõukejõud, mille olemus sõltub nendevahelisest kaugusest.
IKT põhisätteid kinnitavad paljud eksperimentaalsed faktid. Molekulide, aatomite ja ioonide olemasolu on katseliselt tõestatud, molekule on piisavalt uuritud ja elektronmikroskoopide abil isegi pildistatud. Gaaside võime piiramatult laieneda ja hõivata kõik selle pakutav maht on seletatav molekulide pideva kaootilise liikumisega. Elastsus gaasid, tahked ained ja vedelikud, vedelike võime
mõningate tahkete ainete niisutamine, värvimis-, liimimis-, kuju säilitamise protsessid tahkete ainete abil ja palju muud viitavad molekulidevahelise tõmbe- ja tõukejõu olemasolule. MCT põhisätteid kinnitab ka difusiooninähtus – ühe aine molekulide võime tungida teise aine molekulide vahelisse ruumi. Difusiooninähtus seletab näiteks lõhnade levikut, erinevate vedelike segunemist, tahkete ainete lahustumisprotsessi vedelikes ja metallide keevitamist nende sulatamise või rõhu all. Molekulide pideva kaootilise liikumise kinnitus on ka Browni liikumine – vedelikus lahustumatute mikroskoopiliste osakeste pidev kaootiline liikumine.
Browni osakeste liikumist seletatakse vedelate osakeste kaootilise liikumisega, mis põrkuvad kokku mikroskoopiliste osakestega ja panevad need liikuma. Eksperimentaalselt on tõestatud, et Browni osakeste kiirus sõltub vedeliku temperatuurist. Browni liikumise teooria töötas välja A. Einstein. Osakeste liikumise seadused on olemuselt statistilised ja tõenäosuslikud. Browni liikumise intensiivsuse vähendamiseks on teada ainult üks viis – temperatuuri alandamine. Browni liikumise olemasolu kinnitab veenvalt molekulide liikumist.
Seega koosneb iga aine osakestest aine kogus loetakse võrdeliseks osakeste, st kehas sisalduvate struktuurielementide arvuga, v.
Aine koguse ühik on sünnimärk.Sünnimärk- see on aine kogus, mis sisaldab sama arvu mis tahes aine struktuurielemente, kui on aatomeid 12 g süsiniku C12-s. Aine molekulide arvu ja aine hulga suhet nimetatakse Avogadro konstant:
n a= N/ v. ei = 6,02 10 23 sünnimärk -1 .
Avogadro konstant näitab, kui palju aatomeid ja molekule sisaldub aine ühes moolis. Molaarmass on kogus, mis võrdub aine massi ja aine koguse suhtega:
M = m/ v.
Molaarmassi väljendatakse kg/mooli kohta. Teades molaarmassi, saate arvutada ühe molekuli massi:
m 0 = m/N = m/vN A= M/ N A
Molekulide keskmine mass määratakse tavaliselt keemiliste meetoditega. Avogadro konstant määratakse suure täpsusega mitme füüsikalise meetodi abil. Molekulide ja aatomite massid määratakse massispektrograafi abil olulise täpsusega.
Molekulide massid on väga väikesed. Näiteks veemolekuli mass: t = 29,9 10 -27 kg.
Molaarmass on seotud hr suhtelise molekulmassiga. Suhteline molaarmass on väärtus, mis võrdub antud aine molekuli massi ja 1/12 C 12 süsinikuaatomi massi suhtega. Kui aine keemiline valem on teada, siis perioodilisustabeli abil saab määrata selle suhtelise massi, mis kilogrammides väljendatuna näitab selle aine molaarmassi.
