Основные положения и экспериментальные обоснования молекулярно-кинетической теории

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Идеи о строении материи из мельчайших частиц, сохраняющих ее свойства, имеют древнегреческое происхождение. Живший в V в. до н.э. мыслитель Демокрит утверждал: «Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все прочее - мнение» и «различие всех предметов состоит в различии их атомов в числе, величине, форме и порядке...». Слово “атом” в переводе означает “неделимый”.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три постулата (положения), принимаемые как результат наблюдений и опытов:
1. Все виды вещества состоят из молекул, между которыми имеются промежутки;
2. Молекулы в любом веществе непрерывно и хаотически движутся;
3. На небольших расстояниях между молекулами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, имеющие электромагнитную природу.
Эти утверждения подтверждаются такими явлениями как, например:
– сжимаемость тел;
– диффузия;
– Броуновское движение;
– теплопроводность;
– сопротивление сжатию и растяжению.

2. Размеры и масса молекул. Если на спокойную поверхность воды поместить каплю нерастворимой в воде жидкости, то образуется пленка, толщина которой равна диаметру одной молекулы. Размеры молекул удобно выражать в ангстремах:
1 А° = 10 ^-10 м.
Например, молекула кислорода O₂ имеет диаметр 1,2 А°, а молекула воды H₂O - 2,6 А°.
Поскольку масса молекул тоже мала (например, у кислорода O₂ она равна 5,35·10^{-26 кг, а у водорода H}₂ - 3,34·10^{-27 кг), то ее удобно выражать в относительных единицах.
Атомной единицей массы называется 1/12 массы изотопа углерода C12} .
1 а.е.м. = 1,66·10 ^-27 кг.
Относительные массы атомов указаны в таблице Менделеева. Полезно запомнить округленные относительные массы некоторых элементов:

Наименование	Обозначение	Относительная масса, а.е.м.
Водород Гелий Углерод Азот Кислород Алюминий	H He C N O Al	1 4 12 14 16 27

Относительную молекулярную массу вещества принято обозначать M_r. Для ее вычисления требуется установить, сколько атомов тех или иных элементов содержит молекула.

Пример 1. Молекула серной кислоты H₂SO₄ содержит два атома водорода, один атом серы (32 а.е.м.) и четыре атома кислорода, поэтому:
M_r = (1·2+32+16·4) а.е.м. = 98 а.е.м.

Иногда бывает важно учитывать число молекул, содержащихся в данном теле, т.е. количество вещества:
[] = моль.
Молем называется количество вещества, масса которого в граммах равна его относительной молекулярной массе.
Масса одного моля данного вещества называется молярной:
[µ] = г/моль.
Молярная масса вычисляется аналогично относительной молекулярной массе, но имеет другую размерность.

Пример 2. Молекула углекислого газа CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода, поэтому:
µ = (12+16·2) г/моль = 44 г/моль.

Пример 3. Воздух является смесью газов, процентное содержание которых необходимо учитывать при вычислении его молярной массы:

Наименование	Обозначение	Процентное содержание	Молярная масса, г/моль
Азот Кислород	N2 O2	78 % 21 %	28 32

Поскольку другие компоненты (аргон, углекислый газ, гелий, водород, водяной пар и др.) составляют всего 1%, то их содержанием можно пренебречь. Тогда получаем:
µ_возд = (28·0,78 + 32·0,21) г/моль 29 г/моль.
Полученное значение следует запомнить и использовать при решении задач.

Если известна масса вещества, то количество вещества может быть найдено по формуле:

Число молекул, содержащихся в одном моле любого вещества, есть величина постоянная и равно числу Авогадро:
N_А = 6·10 ²³ моль^-1.
Количество молекул, содержащихся в веществе, может быть найдено по формуле:

При нормальных условиях один моль любого газа занимает объем:
V_µ = 22,4 л/моль.
В дальнейшем под нормальными условиями будем понимать такое состояние газа, при котором:
p = 1 атм,
t = 0°C.

Под идеальным понимается такой газ, силами притяжения между молекулами которого можно пренебречь, а объем, занимаемый молекулой, равен нулю.
Одним из параметров, определяющих состояние газа, является давление:
[p] = Па.
Давление газа обусловлено ударами молекул о стенки сосуда.
Прибор для измерения давления называется манометром. Большие давления измеряются металлическим манометром, а маленькие - закрытым жидкостным. Для измерения атмосферного давления служит барометр.

Миллиметр ртутного столба - давление, производимое столбом ртути высотой 1 мм на горизонтальную поверхность.
Давление столба жидкости вычисляется по формуле:

Подставляя в нее плотность ртути 13600 кг/м³ и высоту столба 0,001 м, получаем:
1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Атмосфера физическая введена по среднегодовому атмосферному давлению на уровне моря, которое составляет 760 мм рт. ст.
Поскольку давление равно отношению силы к площади поверхности, на которую она действует, атмосфера техническая была введена следующим способом:

где кГс (килограмм-сила) - сила равная весу тела массой один килограмм.

1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Давление газа может быть выражено через величины, характеризующие молекулы.

Величину

называют среднеквадратической скоростью молекул.

Концентрацией называется количество молекул в единице объема.
[n] = м ^-3
В соответствии с определением концентрация может быть вычислена по формуле:

Полученное соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа. Обычно его записывают иначе. Если учесть, что средняя кинетическая энергия молекул равна:

то:

Значение данного уравнения состоит в том, что в нем давление - макроскопический параметр, характеризующий состояние газа как совокупности огромного числа молекул, выражается через микроскопический параметр (относящийся к отдельным молекулам) - среднюю кинетическую энергию.

Дата добавления: 2014-01-20