атомы и молекулы. Мы начнём с обсуждения основных положений молекулярнокинетической теории
 Скачать 4.24 Mb.
|
|
10.1 Атомы и молекулы Мы начнём с обсуждения основных положений молекулярно-кинетической теории. Молекулярно-кинетическая теория возникла в середине XIX века. Главная цель этой теории состоит в том чтобы объяснить макроскопические свойства тел посредством представления о их микроскопическом устройстве. Основные положения МКТ: 1. Все окружающие нас тела состоят из молекул и атомов. Атомы и молекулы находятся в беспрерывном хаотическом тепловом движении. Атомы и молекулы взаимодействуют между собой. Притягиваются, если расстояние между ними больше некоторого размера, и отталкиваются при сближении. Сила взаимодействия зависит от расстояния между молекулами. Молекулы и атомы Атомом называется мельчайшая частица элементарного вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекула — это мельчайшая частица составного вещества, сохраняющая его химические свойства. Все элементарные вещества (их также называют химическими элементами) перечислены в таблице Менделеева. На данный момент в ней содержится информация о примерно различных элементарных веществах. Физики знают, чем каждый следующий элемент отличается от предыдущего, и пропусков в этом списке уже нет. Элементарные вещества это атомарный водород, гелий, углерод, железо, золото. Составные вещества — это вода H 2 O, серная кислота H 2 SO 4 , соль Таблица Менделеева Большое количество информации об атомах химического элемента содержится в клетке периодической таблицы Менделеева. Рядом с названием элемента указано два числа, которые условно называют массовое число A (оно всегда больше) и зарядовое число (оно всегда целое. У каждого из этихчисел есть важный физический смысл. Для того чтобы их понять, воспользуемся простой планетарной моделью строения атома. В этой модели атом состоит из тяжелого ядра, состоящего из положительно заряженных частиц — протонов и незаряженных частиц нейтронов. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные лёгкие элек- троны. Конечно, мир устроен сложнее. Более содержательное описание атома дает квантовая механика. Но для многих задачи планетарная модель является хорошим приближением Атомы и молекулы Заряд атома Заряд протонов положительный, а электронов — отрицательный. По абсолютной величине заряд каждого электрона и каждого протона равен элементарному заряду. Его обозначают e и численно он равен e = 1,602 · 10 −19 Кл Чаще всего эту величину называют просто зарядом электрона. Следите за знаками. Одни авторы называют зарядом электрона величину со знаком минус, другие — её абсолютное значение. Размеры атомов Атомы столь малы, что увидеть их в оптический микроскоп невозможно. В оптический микроскоп можно увидеть объект, размером примерно 1 микрон или больше. Атомы много меньше этих размеров ив оптический микроскоп не видны. Первая теоретическая оценка размера атомов была получена Нильсом Бором в 1913 году. Для диаметра атома водорода Бор получил результат d = 2¯ h 2 ke 2 m = 10 −10 м. Теория Бора использует простую модель – электрон движется по круговой орбите вокруг ядра – но ее предсказания свойств атома водорода хорошо совпадают с экспериментом. Для величин подобного порядка существует удобная внесистемная единица под названием Ангстрем: 1 ˚ A = 10 −10 м. Итак первый и самый простой элемент таблицы Менделеева — атом водорода — имеет размер порядка 1 ангстрема. По мере того как ядро и электронные оболочки пополняются новыми элементами атомы разбухают, их размеры становятся больше. Ноне намного. Размеры самых тяжелых атомов не превышают 10 ˚ A = 10 −9 м. Интересно, что размеры ядер атомов существенно меньше этой величины. Характерный размер ядра атома равен м. Рассматриваемую нами модель атома часто называют планетарной, в ней соотношения между размером орбиты электрона и размером притягивающего ядра напоминает соотношение между радиусом орбиты Плутона и размерами Солнца. Спускаясь на уровень атомов, мы видим что вещества чрезвычайно дырявы. Хотя в твёрдом теле атомы расположены близко друг другу, сами атомы в основном состоит из пустоты. Атомная единица массы Также полезно знать массы этих частиц p = 1,673 · кг m n = 1,675 · кг m e = 9,109 · кг Атомы и молекулы Мы видим, что массы протона и нейтрона примерно одинаковы, а масса электрона примерно враз меньше. Ядро по-английски nucleus и частицы ядра — протоны и нейтроны часто называют одним словом нуклоны. Получается, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, массой электронов во многих задачах можно пренебречь. Если выражать массы частиц в килограммах, это будут очень маленькие числа. Для того чтобы работать сними, удобно ввести специальную единицу измерения, которая называется атомной единицей массы. Выберем некоторую малую массу и будем выражать массы частиц в единицах m 0 . В качестве 1 атомной единицы массы принято брать 1/12 массы атома углерода, она равна m 0 = 1 а. ем 10 −27 кг. Выразим массы частиц в атомных единицах массы, для этого разделим их массу в килограммах на m 0 . Получим m p = 1,00728 а. ем а. ем а. е. м. Мы видим, что массы протона и нейтрона составляют примерно 1 атомную единицу, а масса электрона сильно меньше. Физический смысл числа А Зарядовое число Z — это номер элемента в периодической таблице Менделеева. Первый элемент — водород, второй — гелий, третий — литий. У этих элементов заряды ядра равны, 2, 3 единицы элементарного заряда. Физический смысл числа Z — это число протонов в ядре атома = число протонов в ядре. Поэтому заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда, равен Z. q = e · Каждый следующий элемент отличается от предыдущего на 1 протон в ядре. Как мы помним, вокруг положительного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. В обычном состоянии число электронов на орбитах совпадает с числом протонов в ядре. Поэтому в целом атом электронейтрален. Изотопы Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек. Поэтому элемент задается числом Z — количеством электронов. Атомы одного итого же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре, называются изотопами этого элемента. Их химические свойства практически одинаковы. Например у элемента кислород существует три стабильных изотопа. Они обозначаются 8 O, 17 8 O, 18 Нижний левый индекс указывает зарядовое число изотопа. У всех изотопов кислорода оно равно 8, поэтому у них 8 электронов на орбитах и одинаковые химические свойства Атомы и молекулы Верхний левый индекс — это массовое число изотопа — суммарное количество нуклонов в ядре. Его обычно обозначают буквой A. A = число нуклонов в ядре. Мы знаем, что массы протона и нейтрона близки друг другу и равны примерно 1 а. е. м. Масса электрона много меньше. Поэтому в атомных единицах масса изотопа близка к «массовому» числу атома A атомных единиц массы. Для каждого изотопа полностью известен состав ядра. Воспоминая, что в ядре находится протонов, получаем что в ядре изотопа содержится Z протонов, A − Z нейтронов. В природе не бывает чистых веществ. Каждое вещество представляет смесь изотопов. Считается, что изотопный состав большинства элементов на Земле одинаков во всех материалах. Поэтому в таблице Менделеева указан атомный вес смеси изотопов, в той пропорции, в которой она встречается в природе. Поэтому массовое число элемента в таблице Менделеева нецелое. Чаще всего оно очень близко к целому числу, которое и является массовым числом наиболее распространенного изотопа. Число Авогадро, количество вещества Из-за того, что массы атомов очень малы, их количество в окружающих нас телах огромно. В тех задачах, которые решает молекулярно-кинетическая теория вместо указания на очень большое число атомов используется понятие количества вещества. Число атомов делится на некоторые специально выбранное большое число, и отношение получается небольшими удобным для рассуждений. Количеством вещества называется отношение числа структурных элементов вещества к некоторому заранее выбранному большому числу. Это число носит имя итальянского физика Авогадро. По современному определению это число точно равно 6,02214076 · 10 Единица измерения количества вещества называется моль. Водном моле вещества содержится частиц. Для обозначения количества вещества используется греческая буква читается ню То есть количества вещества — это просто число частиц. Это на первый взгляд простое определение тем не менее может вызвать значительные сложности. Дело в том, что структурные элементы вещества могут быть определены по-разному. Пример. В сосуде содержалось 2 моля молекулярного кислорода. Допустим, что под влиянием ионизирующего излучения 1 моль распался на атомы. Какое количество вещества теперь находится в сосуде? Ответ зависит оттого, что мы понимаем под структурным элементом. Если нас интересуют термодинамические свойства системы, например давление этого газа, то существенным является именно количество частиц, несвязанных друг с другом. Поэтому, если 1 моль молекулярного кислорода распался на атомы, у нас появилось 2 моля несвязанных структурных элементов, атомов кислорода. И ещё в сосуде остался 1 моль молекулярного кислорода. В итоге полное количество вещества выросло до 3 моль Атомы и молекулы Но что такое структурный элемент, фигурирующий в определении количества вещества, зависит от решаемой задачи. Если бы нас интересовало рассеяние жестких фотонов на ядрах кислорода, мы бы сказали что в сосуде содержится 4 моля атомов кислорода. А их связь в молекулы была бы нам неважна. Для некоторых задач физики элементарных частиц, нам было бы важно лишь полное число протонов и нейтронов в сосуде (их там по моль). Молярная масса С понятием количества вещества тесно связано понятие молярной массы. Молярная масса вещества это масса одного моля вещества. Обычно она обозначается греческой буквой читается мю) или прописной латинской буквой M . Ее можно вычислить как произведение массы одного атома (или молекулы) на число молекул водном моле, то есть на число Авогадро = Пример. Молярная масса атомарного кислорода 16 г/моль. Структурным элементом является атом. Молярная масса молекулярного кислорода 32 г/моль. Структурным элементом является молекула. Связь массового числа и молярной массы Мы знаем, что масса одного атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы, равна массовому числу A данного элемента. Как найти массу одного моля вещества Это очень просто. Величина атомной единицы массы подобрана так, что 1 а. ем грамм. Точнее, она подобрана так, чтобы масса 1 моля атомов изотопа углерода Сбыла равна строго 12 грамм. Итак, мы получаем, что г моль i = Молярная масса любого элемента, выраженная в граммах, равна массовому числу данного элемента, написанному в таблице Менделеева. Масса молекулы с достаточной точностью равна сумме масс составляющих ее атомов. Это же верно для молярных масс составных веществ. Пример. Вода имеет химическую формулу H 2 O. Массовое число водорода A H = 1, для кислорода A O = 16, поэтому молярная масса воды равна 2µ H + µ O = 2 + 16 = 18 г/моль Концентрация Во многих задачах молекулярно-кинетической теории необходимо знать насколько плотно расположены частицы в объеме сосуда. Чтобы характеризовать это вводят величину под названием концентрация Атомы и молекулы Концентрация частиц — это отношение числа частиц в некотором небольшом объеме к величине этого объема n Единицей измерения концентрации в системе СИ является м. Концентрацию легко связать с плотностью = m ∆V = m 0 N ∆V = Массу одной молекулы мы уже научились выражать через молярную массу и число Авогадро. Разумеется, объём ∆V не может быть совсем маленьким. Если взять очень маленький кубик, в нем не окажется ни одного атома, и понятие концентрации потеряет смысл. Нужно брать объём, который много меньше характерного объёма сосуда в задаче, нов котором в тоже время содержится большое количество частиц. Такой объём принято называть физически малым объёмом. Для воздуха при атмосферном давлении кубик с длиной ребра мм будет физически малым объёмом. Физический малый объём позволяет говорить о концентрации локально, то есть о концентрации вещества в данном месте системы. Заключение Всемирно известный курс физики Ричарда Фейнмана начинается со следующей фразы. Атомная гипотеза, к которой приложено чуть-чуть воображения и соображения, теперь называется молекулярно-кинетической теорией строения вещества. Утверждение, которое говорит Фейнман, это основные положения этой теории, цель которой — объяснить макроскопические свойства веществ через представления об их микроскопическом строении |