Молекулярно-кінетична теорія будови речовини

49 См.: Записка Председателя СБ ООН. S/2001/ 905 от 25 сентября 2001 г.

Молекулярно-кінетична теорія будови речовини

· Становлення атомної теорії будови речовини

· Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

· Дифузія та броунівський рух

Становлення атомної теорії будови речовини. Гіпотеза про існування атомів як найменших неподільних частинок речовини була висунута понад 2500 років тому. Засновниками учіння про атомну будову речовини вважаються старогрецькі філософи Левкіп та його учень Демокріт, що жили у V ст.до н.е. Гіпотезу про те, що всі речовини складаються з окремих часток – атомів давньогрецькі філософи висловили на основі аналізу причин таких природних явищ, як здатність води до випаровування і конденсації із пари, здатність до розширення і розчинення твердих тіл, поширення запахів. Відмінність запахів, смаків різних речовин і механічних властивостей тіл давньогрецькі атомісти пояснювали відмінностями форм і розмірів атомів, їх здатностей до з’єднань.

Незважаючи на те, що основні положення атомної теорії речовини були сформульовані ще філософами Стародавньої Греції, широкого визнання вона ще довгий час не отримувала. Такі учені, як Г. Галілей, Р. Декарт, І. Ньютон хоч і вважали що речовина складається із дрібних частинок (вони їх називали корпускулами або атомами), проте у своїх працях вони не наводять ґрунтовного доведення їх існування.

Перше наукове обґрунтування існування атомів було дано у 1803 році Джоном Дальтоном (Англія). Ним було розроблено спосіб визначення відносних мас атомів: він запропонував за одиницю маси атома прийняти масу одного атома Гідрогену. Д. Дальтон показав, що кожному хімічному елементу відповідає свій тип найдрібніших невидимих атомів, а всі речовини складаються з хімічних сполук атомів.

Багато учених присвятили свою діяльність дослідженню будови речовини: англійський фізик і хімік Роберт Бойль встановив, що всі речовини можна розділити на два класи: хімічні елементи і хімічні сполуки; російський учений Д.І.Менделєєв класифікував всі відомі йому хімічні елементи і створив періодичну систему хімічних елементів (див. форзац); англійський ботанік Роберт Броун, розглядаючи у мікроскоп пилок квітів, розведений у воді, помітив як швидко і безладно рухається пилок у воді; французький фізик Жан Батист Перен зумів пояснити дане явище, і довів існування молекул, розрахував їх розміри; німецький фізик О.Штерн визначив швидкості руху молекул. Значний внесок у створення основ теорії будови речовини зробили у другій половині ХІХ ст. німецький фізик Р. Клаузіус (1822 – 1888), російський фізик (студент Києво-Могилянської академії) М. В. Ломоносов (1711 – 1765), австрійський фізик Л. Больцман (1844 – 1906). Вагомим також є внесок учених України: М. П. Авенаріуса (1835 – 1895), М. О. Умова (1846 – 1915), М. М. Бекетова (1827 – 1911), М. М. Шіллера (1848 – 1910), І. П. Пулюя (1845 – 1918) та інших.

На основі досліджень цих та багатьох інших учених у ХХ ст. було створено теорію будови речовини, так звану молекулярно-кінетичну теорію.

Молекулярно-кінетичною теорією (МКТ) називають теорію, яка пояснює будову і властивості тіл на основі закономірностей руху і взаємодії атомів та молекул.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює теплові явища у макроскопічних тілах на основі уявлень, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично та взаємодіють між собою. У цій теорії ставиться завдання пов’язати закономірності поведінки окремих атомів і молекул з величинами, які характеризують властивості макротіл.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. В основу молекулярно-кінетичної теорії речовини покладено три положення, сучасне формулювання яких:

1. Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) будову. Вони складаються з найдрібніших частинок – молекул або атомів (йонів).

2. Молекули знаходяться у стані безперервного хаотичного (невпорядкованого) руху, що називається тепловим і у загальному випадку є сукупністю поступального, обертального і коливального рухів.

3. Молекули взаємодіють одна з одною із силами електромагнітної природи, причому на відстанях більших за два – три діаметри молекули вони притягуються, а на відстанях менших за діаметр молекули – відштовхуються. Сили притягання і відштовхування між молекулами діють постійно і одночасно. Гравітаційна взаємодія між частинками дуже мала.

Можна навести безліч прикладів, які підтверджують ці положення. У 1974 році вперше вдалося сфотографувати окремі атоми і молекули за допомогою електронного мікроскопа. Пружність газів, твердих тіл і рідин, здатність рідин змочувати тверді тіла, процеси фарбування, склеювання, деформації твердих тіл тощо – свідчать про існування сил притягання і відштовхування між молекулами.

Дифузія та броунівський рух. Значна роль у становленні молекулярно-кінетичної теорії належить явищам дифузії (осмосу) та броунівського руху, які, зокрема, вважають першими дослідними її обґрунтуваннями.

Дифузія (від лат. diffusio – розливання) – процес спонтанного взаємного проникнення молекул однієї речовини в міжмолекулярні проміжки іншої. Осмос - дифузія, що відбувається через напівпроникні перегородки. Тобто осмос – одностороння дифузія.

Причиною дифузії є тепловий рух молекул і наявність проміжків між молекулами речовин, що змішуються.

Приклад дифузії в газах – це швидке поширення запахів навіть у спокійному повітрі: аромат парфумів за кілька хвилин відчувається в усій кімнаті; у рідинах – перемішування рідин різної густини (мал.3). З підвищенням температури швидкість дифузії зростає внаслідок зростання швидкості частинок.

Мал. 3. Дифузія розчину мідного купоросу

У рідинах дифузія відбувається значно повільніше, ніж у газах, але швидше ніж у твердих тілах. Це пояснюється відмінністю характеру теплового руху атомів і молекул.

Дифундують і молекули (атоми) твердих тіл, але за низьких температур це відбувається досить повільно.

У природі дифузія сприяє живленню рослин з ґрунту. Значною є роль дифузії у живленні організмів тварин і людини. Через стінки шлунка і кишок організм «всмоктує» тільки ті розчинені в страві речовини, які потрібні для побудови його клітин. Насичення крові киснем і відведення шкідливих речовин – теж дифузія (осмос).

Підтримання однорідного складу атмосферного повітря поблизу поверхні Землі, змішування різнорідних рідин, процес розчинення твердих тіл у рідинах, зварювання металів як шляхом їх плавлення, так і в результаті стиснення, пояснюються явищем дифузії, яке підтверджує правильність основних положень молекулярно-кінетичної теорії.

Броунівський рух названий на честь англійського ботаніка Р. Броуна (1773 – 1858), який у 1827 р. відкрив хаотичний рух спори плауна у воді.

Броунівський рух – неперервний хаотичний рух частинок, завислих у рідині чи газі.

Спочатку Броун вважав, що рух частинок відбувається через те, що вони живі. Однак частинки продовжували хаотично рухатися і після кип’ятіння суміші. Пізніше Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок з інших речовин. Однак він не зміг пояснити відкритого ним явища.

Вивченням броунівського руху займалося багато учених. Повне молеку­лярно-статистичне пояснення цього явища дали в 1905-1906 рр. А. Ейнштейн і М. Смолуховський.

Уявімо собі таку маленьку пилинку, що її можна побачити лише у мікроскоп. Зависла пилинка перебуває серед молекул рідини (наприклад, води), які хаотично рухаються і вдаряються об неї. Ці удари створюють тиск на поверхню пилинки і у будь-який момент часу середнє значення тиску на один бік пилинки може бути більшим, ніж на інший, тому пилинка здійснює безладний рух в об'ємі рідини. Отже, причиною броунівського руху є флуктуація імпульсу [2], що передається від молекул частинці.

Спостерігати можна за рухом частинок, завислих у рідинах або газах, якщо їх розміри не перевищують . Броунівські частинки рухаються незалежно одна від одної. Рух броунівських частинок не припиняється за жодних обставин. Його інтенсивність тим більша, чим вища температура і менша в’язкість рідини, менша маса завислих частинок, і не залежить від їх природи.

Дайте відповідь на запитання

1. Що таке молекулярно-кінетична теорія?

2. Сформулюйте основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

3. Наведіть факти, що підтверджують положення молекулярно-кінетичної теорії.

4. Про що свідчить броунівський рух? Чи є безладний рух порошин у повітрі броунівським рухом?

5. Що називають дифузією? Приведіть приклади дифузії в газах, рідинах і твердих тілах.