Διάμετρος μορίου νερού σε mm. Kvant

>>Φυσική: Βασικές αρχές της μοριακής κινητικής θεωρίας. Μεγέθη μορίων

Τα μόρια είναι πολύ μικρά, αλλά δείτε πόσο εύκολο είναι να υπολογίσετε το μέγεθος και τη μάζα τους. Αρκεί μια παρατήρηση και δυο απλοί υπολογισμοί. Είναι αλήθεια ότι πρέπει ακόμα να καταλάβουμε πώς να το κάνουμε αυτό.
Η μοριακή-κινητική θεωρία της δομής της ύλης βασίζεται σε τρεις δηλώσεις: Η ύλη αποτελείται από σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια κινούνται τυχαία. τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Κάθε ισχυρισμός αποδεικνύεται αυστηρά με πειράματα.
Οι ιδιότητες και η συμπεριφορά όλων των σωμάτων χωρίς εξαίρεση, από τα βλεφαροειδή έως τα αστέρια, καθορίζονται από την κίνηση των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους: μόρια, άτομα ή ακόμη και μικρότεροι σχηματισμοί - στοιχειώδη σωματίδια.
Εκτίμηση των μεγεθών των μορίων.Για να είμαστε απόλυτα σίγουροι για την ύπαρξη μορίων, είναι απαραίτητο να προσδιορίσουμε τα μεγέθη τους.
Ο ευκολότερος τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να παρατηρήσετε το άπλωμα μιας σταγόνας λαδιού, όπως το ελαιόλαδο, στην επιφάνεια του νερού. Το λάδι δεν θα καταλάβει ποτέ ολόκληρη την επιφάνεια εάν το δοχείο είναι μεγάλο ( εικ.8.1). Είναι αδύνατο να απλωθεί ένα σταγονίδιο 1 mm 3 ώστε να καταλαμβάνει επιφάνεια μεγαλύτερη από 0,6 m 2 . Μπορεί να υποτεθεί ότι όταν το λάδι απλώνεται στη μέγιστη περιοχή, σχηματίζει ένα στρώμα με πάχος μόνο ενός μορίου - ένα "μονομοριακό στρώμα". Είναι εύκολο να προσδιοριστεί το πάχος αυτού του στρώματος και έτσι να εκτιμηθεί το μέγεθος του μορίου του ελαιολάδου.

Ενταση ΗΧΟΥ Vστρώμα λαδιού είναι ίσο με το γινόμενο της επιφάνειάς του μικρόγια πάχος ρεστρώμα, δηλ. V=Sd. Επομένως, το μέγεθος ενός μορίου ελαιολάδου είναι:

Δεν χρειάζεται να απαριθμήσουμε τώρα όλους τους πιθανούς τρόπους απόδειξης της ύπαρξης ατόμων και μορίων. Τα σύγχρονα όργανα καθιστούν δυνατή τη θέαση εικόνων μεμονωμένων ατόμων και μορίων. Το σχήμα 8.2 δείχνει μια μικρογραφία της επιφάνειας μιας γκοφρέτας πυριτίου, όπου τα εξογκώματα είναι μεμονωμένα άτομα πυριτίου. Τέτοιες εικόνες έμαθαν για πρώτη φορά να λαμβάνονται το 1981 χρησιμοποιώντας όχι συνηθισμένα οπτικά, αλλά πολύπλοκα μικροσκόπια σήραγγας.

Τα μόρια, συμπεριλαμβανομένου του ελαιολάδου, είναι μεγαλύτερα από τα άτομα. Η διάμετρος οποιουδήποτε ατόμου είναι περίπου ίση με 10 -8 εκ. Αυτές οι διαστάσεις είναι τόσο μικρές που είναι δύσκολο να τις φανταστεί κανείς. Σε τέτοιες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται συγκρίσεις.
Εδώ είναι ένα από αυτά. Εάν τα δάχτυλα είναι σφιγμένα σε μια γροθιά και μεγεθυνθούν στο μέγεθος της σφαίρας, τότε το άτομο, με την ίδια μεγέθυνση, θα γίνει το μέγεθος μιας γροθιάς.
Αριθμός μορίων.Με πολύ μικρά μεγέθη μορίων, ο αριθμός τους σε κάθε μακροσκοπικό σώμα είναι τεράστιος. Ας υπολογίσουμε τον κατά προσέγγιση αριθμό μορίων σε μια σταγόνα νερού με μάζα 1 g και, επομένως, όγκο 1 cm 3 .
Η διάμετρος ενός μορίου νερού είναι περίπου 3 10 -8 cm. Αν υποθέσουμε ότι κάθε μόριο νερού με πυκνή συσκευασία μορίων καταλαμβάνει όγκο (3 10 -8 cm) 3, μπορείτε να βρείτε τον αριθμό των μορίων σε μια σταγόνα διαιρώντας το πτώση όγκου (1 cm 3) κατά όγκο, ανά μόριο:

Με κάθε εισπνοή, συλλαμβάνετε τόσα πολλά μόρια που αν όλα ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένα στην ατμόσφαιρα της Γης μετά την εκπνοή, τότε κάθε κάτοικος του πλανήτη θα λάμβανε δύο ή τρία μόρια που υπήρχαν στους πνεύμονές σας κατά την εισπνοή.
Οι διαστάσεις του ατόμου είναι μικρές: .
Οι τρεις κύριες διατάξεις της μοριακής-κινητικής θεωρίας θα συζητηθούν επανειλημμένα.

???
1. Ποιες μετρήσεις πρέπει να ληφθούν για να υπολογιστεί το μέγεθος ενός μορίου ελαιολάδου;
2. Εάν ένα άτομο επρόκειτο να αυξηθεί στο μέγεθος ενός σπόρου παπαρούνας (0,1 mm), τότε τι μέγεθος σώματος θα έφτανε ο κόκκος με την ίδια μεγέθυνση;
3. Να αναφέρετε τις αποδείξεις για την ύπαρξη μορίων που σας είναι γνωστά που δεν αναφέρονται στο κείμενο.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Φυσική τάξη 10

Περιεχόμενο μαθήματος περίληψη μαθήματοςυποστήριξη πλαισίων παρουσίασης μαθήματος επιταχυντικές μέθοδοι διαδραστικές τεχνολογίες Πρακτική εργασίες και ασκήσεις εργαστήρια αυτοεξέτασης, προπονήσεις, περιπτώσεις, αναζητήσεις ερωτήσεις συζήτησης εργασιών για το σπίτι ρητορικές ερωτήσεις από μαθητές εικονογραφήσεις ήχου, βίντεο κλιπ και πολυμέσαφωτογραφίες, εικόνες γραφικά, πίνακες, σχήματα χιούμορ, ανέκδοτα, ανέκδοτα, παραβολές κόμικς, ρήσεις, σταυρόλεξα, αποσπάσματα Πρόσθετα περιλήψειςάρθρα τσιπ για περιπετειώδη cheat sheets σχολικά βιβλία βασικά και πρόσθετο γλωσσάρι όρων άλλα Βελτίωση σχολικών βιβλίων και μαθημάτωνδιόρθωση λαθών στο σχολικό βιβλίοενημέρωση ενός τεμαχίου στο σχολικό βιβλίο στοιχεία καινοτομίας στο μάθημα αντικαθιστώντας τις απαρχαιωμένες γνώσεις με νέες Μόνο για δασκάλους τέλεια μαθήματαημερολογιακό σχέδιο για το έτος μεθοδολογικές συστάσεις του προγράμματος συζήτησης Ολοκληρωμένα Μαθήματα

Εάν έχετε διορθώσεις ή προτάσεις για αυτό το μάθημα,

Το MKT είναι εύκολο!

«Τίποτα δεν υπάρχει παρά μόνο άτομα και κενός χώρος...» - Δημόκριτος
«Οποιοδήποτε σώμα μπορεί να διαιρείται επ’ αόριστον» – Αριστοτέλης

Οι κύριες διατάξεις της μοριακής κινητικής θεωρίας (ΜΚΤ)

Σκοπός του ICB- αυτή είναι μια εξήγηση της δομής και των ιδιοτήτων των διαφόρων μακροσκοπικών σωμάτων και των θερμικών φαινομένων που συμβαίνουν σε αυτά, από την κίνηση και την αλληλεπίδραση των σωματιδίων που αποτελούν τα σώματα.
μακροσκοπικά σώματα- Πρόκειται για μεγάλα σώματα, που αποτελούνται από τεράστιο αριθμό μορίων.
θερμικά φαινόμενα- φαινόμενα που σχετίζονται με τα σώματα θέρμανσης και ψύξης.

Βασικές δηλώσεις του ILC

1. Μια ουσία αποτελείται από σωματίδια (μόρια και άτομα).
2. Υπάρχουν κενά μεταξύ των σωματιδίων.
3. Τα σωματίδια κινούνται τυχαία και συνεχώς.
4. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους (έλκουν και απωθούν).

Επιβεβαίωση MKT:

1. πειραματικό
- μηχανική σύνθλιψη της ουσίας. διάλυση μιας ουσίας στο νερό. συμπίεση και διαστολή αερίων. εξάτμιση; παραμόρφωση σώματος? διάχυση; Το πείραμα του Brigman: το λάδι χύνεται σε ένα δοχείο, ένα έμβολο πιέζει το λάδι από πάνω, σε πίεση 10.000 atm, το λάδι αρχίζει να διαρρέει από τα τοιχώματα ενός χαλύβδινου δοχείου.

Διάχυση; Brownian κίνηση των σωματιδίων σε ένα υγρό υπό την επίδραση μορίων.

Κακή συμπιεστότητα στερεών και υγρών σωμάτων. σημαντικές προσπάθειες για τη διάσπαση στερεών. συνένωση σταγονιδίων υγρού.

2. ευθύς
- φωτογραφία, προσδιορισμός μεγέθους σωματιδίων.

Brownian κίνηση

Η κίνηση Brown είναι η θερμική κίνηση των αιωρούμενων σωματιδίων σε ένα υγρό (ή αέριο).

Η κίνηση Brown έχει γίνει απόδειξη της συνεχούς και χαοτικής (θερμικής) κίνησης των μορίων της ύλης.
- ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο βοτανολόγο R. Brown το 1827
- Μια θεωρητική εξήγηση βασισμένη στο ΜΚΤ δόθηκε από τον Α. Αϊνστάιν το 1905.
- επιβεβαιώθηκε πειραματικά από τον Γάλλο φυσικό J. Perrin.

Μάζα και μέγεθος μορίων

Μεγέθη σωματιδίων

Η διάμετρος οποιουδήποτε ατόμου είναι περίπου εκατοστά.

Αριθμός μορίων σε μια ουσία

όπου V είναι ο όγκος της ουσίας, Vo είναι ο όγκος ενός μορίου

Μάζα ενός μορίου

όπου m είναι η μάζα της ουσίας,
N είναι ο αριθμός των μορίων της ουσίας

Μονάδα μάζας σε SI: [m]= 1 kg

Στην ατομική φυσική, η μάζα συνήθως μετριέται σε μονάδες ατομικής μάζας (a.m.u.).
Συμβατικά, θεωρείται ότι είναι 1 π.μ. :

Σχετικό μοριακό βάρος μιας ουσίας

Για τη διευκόλυνση των υπολογισμών, εισάγεται μια ποσότητα - το σχετικό μοριακό βάρος της ουσίας.
Η μάζα ενός μορίου οποιασδήποτε ουσίας μπορεί να συγκριθεί με το 1/12 της μάζας ενός μορίου άνθρακα.

όπου ο αριθμητής είναι η μάζα του μορίου και ο παρονομαστής το 1/12 της μάζας του ατόμου άνθρακα

Αυτή η ποσότητα είναι αδιάστατη, δηλ. δεν έχει μονάδες

Σχετική ατομική μάζα ενός χημικού στοιχείου

όπου ο αριθμητής είναι η μάζα του ατόμου και ο παρονομαστής το 1/12 της μάζας του ατόμου άνθρακα

Η ποσότητα είναι αδιάστατη, δηλ. δεν έχει μονάδες

Η σχετική ατομική μάζα κάθε χημικού στοιχείου δίνεται στον περιοδικό πίνακα.

Ένας άλλος τρόπος προσδιορισμού του σχετικού μοριακού βάρους μιας ουσίας

Η σχετική μοριακή μάζα μιας ουσίας είναι ίση με το άθροισμα των σχετικών ατομικών μαζών των χημικών στοιχείων που αποτελούν το μόριο της ουσίας.
Παίρνουμε τη σχετική ατομική μάζα οποιουδήποτε χημικού στοιχείου από τον περιοδικό πίνακα!)

Ποσότητα ουσίας

Η ποσότητα της ουσίας (ν) καθορίζει τον σχετικό αριθμό μορίων στο σώμα.

όπου N είναι ο αριθμός των μορίων στο σώμα και Na είναι η σταθερά του Avogadro

Μονάδα μέτρησης της ποσότητας μιας ουσίας στο σύστημα SI: [ν] = 1 mol

1 mol- αυτή είναι η ποσότητα μιας ουσίας που περιέχει τόσα μόρια (ή άτομα) όσα άτομα άνθρακα με μάζα 0,012 kg.

Θυμάμαι!
1 mole οποιασδήποτε ουσίας περιέχει τον ίδιο αριθμό ατόμων ή μορίων!

Αλλά!
Η ίδια ποσότητα μιας ουσίας για διαφορετικές ουσίες έχει διαφορετική μάζα!

Σταθερά Avogadro

Ο αριθμός των ατόμων σε 1 mole οποιασδήποτε ουσίας ονομάζεται αριθμός Avogadro ή σταθερά Avogadro:

Μοριακή μάζα

Μοριακή μάζα (M) είναι η μάζα μιας ουσίας που λαμβάνεται σε ένα mole, ή αλλιώς, είναι η μάζα ενός mole μιας ουσίας.

Μοριακή μάζα
- Η σταθερά του Avogadro

Μονάδα μοριακής μάζας: [M]=1 kg/mol.

Φόρμουλες για την επίλυση προβλημάτων

Αυτοί οι τύποι λαμβάνονται με υποκατάσταση των παραπάνω τύπων.

Η μάζα οποιασδήποτε ποσότητας ύλης

Πολλά πειράματα το δείχνουν μέγεθος μορίουπολύ μικρό. Το γραμμικό μέγεθος ενός μορίου ή ατόμου μπορεί να βρεθεί με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, λήφθηκαν φωτογραφίες ορισμένων μεγάλων μορίων και με τη βοήθεια ενός προβολέα ιόντων (ιοντικό μικροσκόπιο), μπορεί κανείς όχι μόνο να μελετήσει τη δομή των κρυστάλλων, αλλά και να καθορίσει την απόσταση μεταξύ των μεμονωμένων ατόμων σε ένα μόριο.

Χρησιμοποιώντας τα επιτεύγματα της σύγχρονης πειραματικής τεχνολογίας, κατέστη δυνατός ο προσδιορισμός των γραμμικών διαστάσεων απλών ατόμων και μορίων, που είναι περίπου 10-8 εκ. Οι γραμμικές διαστάσεις σύνθετων ατόμων και μορίων είναι πολύ μεγαλύτερες. Για παράδειγμα, το μέγεθος ενός μορίου πρωτεΐνης είναι 43*10 -8 cm.

Για τον χαρακτηρισμό των ατόμων, χρησιμοποιείται η έννοια των ατομικών ακτίνων, η οποία καθιστά δυνατή την κατά προσέγγιση εκτίμηση των διατομικών αποστάσεων σε μόρια, υγρά ή στερεά, καθώς τα άτομα δεν έχουν σαφή όρια σε μέγεθος. Αυτό είναι ατομική ακτίνα- αυτή είναι μια σφαίρα στην οποία περικλείεται το κύριο μέρος της πυκνότητας ηλεκτρονίων ενός ατόμου (τουλάχιστον 90 ... 95%).

Το μέγεθος ενός μορίου είναι τόσο μικρό που μπορεί να αναπαρασταθεί μόνο με συγκρίσεις. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού είναι πολλές φορές μικρότερο από ένα μεγάλο μήλο, πόσες φορές ένα μήλο είναι μικρότερο από την υδρόγειο.

μόριο ουσίας

Οι μάζες των μεμονωμένων μορίων και ατόμων είναι πολύ μικρές, επομένως είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείτε σχετικές παρά απόλυτες τιμές μάζας στους υπολογισμούς.

Σχετικό μοριακό βάρος(ή σχετική ατομική μάζα) ουσίες M r είναι ο λόγος της μάζας ενός μορίου (ή ατόμου) μιας δεδομένης ουσίας προς το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα.

M r \u003d (m 0) : (m 0C / 12)

όπου m 0 είναι η μάζα ενός μορίου (ή ατόμου) μιας δεδομένης ουσίας, m 0C είναι η μάζα ενός ατόμου άνθρακα.

Η σχετική μοριακή (ή ατομική) μάζα μιας ουσίας δείχνει πόσες φορές η μάζα ενός μορίου ουσίας είναι μεγαλύτερη από το 1/12 της μάζας του ισοτόπου άνθρακα C 12. Η σχετική μοριακή (ατομική) μάζα εκφράζεται σε μονάδες ατομικής μάζας.

Μονάδα ατομικής μάζαςείναι το 1/12 της μάζας του ισοτόπου άνθρακα C 12. Οι ακριβείς μετρήσεις έδειξαν ότι η μονάδα ατομικής μάζας είναι 1.660 * 10 -27 kg, δηλαδή

1 amu = 1.660 * 10 -27 κιλά

Η σχετική μοριακή μάζα μιας ουσίας μπορεί να υπολογιστεί προσθέτοντας τις σχετικές ατομικές μάζες των στοιχείων που αποτελούν το μόριο της ουσίας. Η σχετική ατομική μάζα των χημικών στοιχείων υποδεικνύεται στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων από το D.I. Μεντελέεφ.

Στο περιοδικό σύστημα Δ.Ι. Ο Mendeleev για κάθε στοιχείο υποδεικνύεται ατομική μάζα, η οποία μετριέται σε μονάδες ατομικής μάζας (amu). Για παράδειγμα, η ατομική μάζα του μαγνησίου είναι 24.305 amu, δηλαδή το μαγνήσιο είναι δύο φορές πιο βαρύ από τον άνθρακα, αφού η ατομική μάζα του άνθρακα είναι 12 amu. (αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι 1 amu = 1/12 της μάζας του ισοτόπου άνθρακα που αποτελεί την πλειοψηφία του ατόμου άνθρακα).

Γιατί να μετρήσετε τη μάζα των μορίων και των ατόμων σε amu, εάν υπάρχουν γραμμάρια και κιλά; Φυσικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτές τις μονάδες, αλλά θα είναι πολύ άβολο για τη γραφή (θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν πάρα πολλοί αριθμοί για να καταγράψετε τη μάζα). Για να βρείτε τη μάζα ενός στοιχείου σε χιλιόγραμμα, πολλαπλασιάστε την ατομική μάζα του στοιχείου επί 1 amu. Η ατομική μάζα βρίσκεται σύμφωνα με τον περιοδικό πίνακα (γραμμένο στα δεξιά του χαρακτηρισμού του γράμματος του στοιχείου). Για παράδειγμα, το βάρος ενός ατόμου μαγνησίου σε κιλά θα ήταν:

m 0Mg = 24.305 * 1 π.μ. = 24.305 * 1.660 * 10 -27 = 40.3463 * 10 -27 kg

Η μάζα ενός μορίου μπορεί να υπολογιστεί προσθέτοντας τις μάζες των στοιχείων που απαρτίζουν το μόριο. Για παράδειγμα, η μάζα ενός μορίου νερού (H 2 O) θα είναι ίση με:

m 0H2O \u003d 2 * m 0H + m 0O \u003d 2 * 1,00794 + 15,9994 \u003d 18,0153 a.e.m. = 29.905 * 10 -27 κιλά

ΕΛΙΑ δερματοςισούται με την ποσότητα της ουσίας του συστήματος, που περιέχει τόσα μόρια όσα άτομα υπάρχουν σε 0,012 kg άνθρακα C 12. Δηλαδή, αν έχουμε ένα σύστημα με κάποια ουσία, και σε αυτό το σύστημα υπάρχουν τόσα μόρια αυτής της ουσίας όσα άτομα σε 0,012 kg άνθρακα, τότε μπορούμε να πούμε ότι σε αυτό το σύστημα έχουμε 1 mole ουσίας.

Σταθερά Avogadro

Ποσότητα ουσίαςν ισούται με την αναλογία του αριθμού των μορίων σε ένα δεδομένο σώμα προς τον αριθμό των ατόμων σε 0,012 kg άνθρακα, δηλαδή τον αριθμό των μορίων σε 1 mole μιας ουσίας.

ν = N / N A

όπου N είναι ο αριθμός των μορίων σε ένα δεδομένο σώμα, N A είναι ο αριθμός των μορίων σε 1 mole της ουσίας που συνθέτει το σώμα.

Το N A είναι η σταθερά του Avogadro. Η ποσότητα μιας ουσίας μετριέται σε mol.

Σταθερά Avogadroείναι ο αριθμός των μορίων ή των ατόμων σε 1 mole μιας ουσίας. Αυτή η σταθερά πήρε το όνομά της προς τιμήν του Ιταλού χημικού και φυσικού Amedeo Avogadro (1776 – 1856).

1 mole οποιασδήποτε ουσίας περιέχει τον ίδιο αριθμό σωματιδίων.

N A \u003d 6,02 * 10 23 mol -1

Μοριακή μάζαείναι η μάζα μιας ουσίας που λαμβάνεται σε ποσότητα ενός mol:

μ = m 0 * N A

όπου m 0 είναι η μάζα του μορίου.

Η μοριακή μάζα εκφράζεται σε κιλά ανά mole (kg/mol = kg*mol -1).

Η μοριακή μάζα σχετίζεται με τη σχετική μοριακή μάζα από τη σχέση:

μ \u003d 10 -3 * M r [kg * mol -1]

Η μάζα οποιασδήποτε ποσότητας ουσίας m είναι ίση με το γινόμενο της μάζας ενός μορίου m 0 με τον αριθμό των μορίων:

m = m 0 N = m 0 N A ν = μν

Η ποσότητα μιας ουσίας είναι ίση με την αναλογία της μάζας της ουσίας προς τη μοριακή της μάζα:

ν = m / μ

Η μάζα ενός μορίου μιας ουσίας μπορεί να βρεθεί εάν η μοριακή μάζα και η σταθερά του Avogadro είναι γνωστές:

m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

Ο ακριβέστερος προσδιορισμός της μάζας των ατόμων και των μορίων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο μάζας - μια συσκευή στην οποία μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων διαχωρίζεται στο διάστημα ανάλογα με τη μάζα φορτίου τους χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Για παράδειγμα, ας βρούμε τη μοριακή μάζα ενός ατόμου μαγνησίου. Όπως διαπιστώσαμε παραπάνω, η μάζα ενός ατόμου μαγνησίου είναι m0Mg = 40,3463 * 10 -27 kg. Τότε η μοριακή μάζα θα είναι:

μ \u003d m 0Mg * N A \u003d 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 \u003d 2,4288 * 10 -2 kg / mol

Δηλαδή, 2,4288 * 10 -2 κιλά μαγνησίου «χωράνε» σε ένα mole. Λοιπόν, ή περίπου 24,28 γραμμάρια.

Όπως μπορείτε να δείτε, η μοριακή μάζα (σε γραμμάρια) είναι σχεδόν ίση με την ατομική μάζα που υποδεικνύεται για το στοιχείο στον περιοδικό πίνακα. Επομένως, όταν υποδεικνύουν την ατομική μάζα, συνήθως κάνουν αυτό:

Η ατομική μάζα του μαγνησίου είναι 24.305 amu. (g/mol).

Δημοτικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα

"Βασικό Γυμνάσιο Νο 10"

Προσδιορισμός της διαμέτρου των μορίων

Εργαστηριακές εργασίες

Καλλιτέχνης: Masaev Evgeniy

7η τάξη "Α"

Επικεφαλής: Reznik A.V.

Περιοχή Guryevsky

Εισαγωγή

Φέτος το ακαδημαϊκό έτος ξεκίνησα να σπουδάζω φυσική. Έμαθα ότι τα σώματα που μας περιβάλλουν αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια – μόρια. Αναρωτιόμουν ποιο είναι το μέγεθος των μορίων. Λόγω του πολύ μικρού τους μεγέθους, τα μόρια δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι ή με συνηθισμένο μικροσκόπιο. Διάβασα ότι τα μόρια φαίνονται μόνο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι τα μόρια διαφορετικών ουσιών διαφέρουν μεταξύ τους και τα μόρια της ίδιας ουσίας είναι τα ίδια. Ήθελα να μετρήσω τη διάμετρο ενός μορίου στην πράξη. Αλλά δυστυχώς, το σχολικό πρόγραμμα σπουδών δεν προβλέπει τη μελέτη προβλημάτων αυτού του είδους και αποδείχθηκε ότι ήταν δύσκολο να το εξετάσω μόνος μου και έπρεπε να μελετήσω τη βιβλιογραφία σχετικά με τις μεθόδους προσδιορισμού της διαμέτρου των μορίων.

ΚεφάλαιοΕγώ. μόρια

1.1 Από τη θεωρία της ερώτησης

Ένα μόριο με τη σύγχρονη έννοια είναι το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας που έχει όλες τις χημικές του ιδιότητες. Το μόριο είναι ικανό για ανεξάρτητη ύπαρξη. Μπορεί να αποτελείται από ταυτόσημα άτομα, για παράδειγμα, οξυγόνο O 2, όζον O 3, άζωτο N 2, φώσφορο P 4, θείο S 6, κ.λπ., και από διαφορετικά άτομα: αυτό περιλαμβάνει τα μόρια όλων των σύνθετων ουσιών. Τα πιο απλά μόρια αποτελούνται από ένα άτομο: αυτά είναι μόρια αδρανών αερίων - ήλιο, νέο, αργό, κρυπτόν, ξένο, ραδόνιο. Στις λεγόμενες μακρομοριακές ενώσεις και πολυμερή, κάθε μόριο μπορεί να αποτελείται από εκατοντάδες χιλιάδες άτομα.

Η πειραματική απόδειξη της ύπαρξης μορίων δόθηκε για πρώτη φορά με τον πιο πειστικό τρόπο από τον Γάλλο φυσικό J. Perrin το 1906 όταν μελετούσε την κίνηση Brown. Όπως έδειξε ο Perrin, είναι το αποτέλεσμα της θερμικής κίνησης των μορίων - και τίποτα άλλο.

Η ουσία ενός μορίου μπορεί επίσης να περιγραφεί από άλλη οπτική γωνία: ένα μόριο είναι ένα σταθερό σύστημα που αποτελείται από ατομικούς πυρήνες (πανομοιότυπους ή διαφορετικούς) και περιβάλλοντα ηλεκτρόνια και οι χημικές ιδιότητες του μορίου καθορίζονται από τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών φλοιών. στα άτομα. Τα άτομα συνδυάζονται σε μόρια στις περισσότερες περιπτώσεις με χημικούς δεσμούς. Τυπικά, ένας τέτοιος δεσμός δημιουργείται από ένα, δύο ή τρία ζεύγη ηλεκτρονίων που μοιράζονται δύο άτομα.

Τα άτομα στα μόρια συνδέονται μεταξύ τους με μια συγκεκριμένη αλληλουχία και κατανέμονται στο χώρο με συγκεκριμένο τρόπο. Οι δεσμοί μεταξύ ατόμων έχουν διαφορετική ισχύ. υπολογίζεται από την ποσότητα ενέργειας που πρέπει να δαπανηθεί για να σπάσουν οι διατομικοί δεσμοί.

Τα μόρια χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένο μέγεθος και σχήμα. Έχει προσδιοριστεί με διάφορες μεθόδους ότι 1 cm 3 οποιουδήποτε αερίου υπό κανονικές συνθήκες περιέχει περίπου 2,7x10 19 μόρια.

Για να καταλάβουμε πόσο μεγάλος είναι αυτός ο αριθμός, μπορούμε να φανταστούμε ότι το μόριο είναι ένα «τούβλο». Στη συνέχεια, αν πάρουμε τον αριθμό των τούβλων ίσο με τον αριθμό των μορίων σε 1 cm 3 αερίου υπό κανονικές συνθήκες και βάλουμε σφιχτά την επιφάνεια ολόκληρης της υδρογείου μαζί τους, τότε θα κάλυπταν την επιφάνεια με ένα στρώμα ύψους 120 m, το οποίο είναι σχεδόν 4 φορές υψηλότερο από το ύψος ενός κτιρίου 10 ορόφων. Ένας τεράστιος αριθμός μορίων ανά μονάδα όγκου υποδηλώνει πολύ μικρό μέγεθος των ίδιων των μορίων. Για παράδειγμα, η μάζα ενός μορίου νερού είναι m=29,9 x 10 -27 kg. Αντίστοιχα, το μέγεθος των μορίων είναι επίσης μικρό. Ως διάμετρος ενός μορίου θεωρείται η ελάχιστη απόσταση στην οποία οι απωστικές δυνάμεις τους επιτρέπουν να πλησιάσουν το ένα το άλλο. Ωστόσο, η έννοια του μεγέθους ενός μορίου είναι υπό όρους, αφού σε μοριακές αποστάσεις οι ιδέες της κλασικής φυσικής δεν δικαιολογούνται πάντα. Το μέσο μέγεθος των μορίων είναι περίπου 10-10 m.

Ένα μόριο ως σύστημα που αποτελείται από αλληλεπιδρώντα ηλεκτρόνια και πυρήνες μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές καταστάσεις και να περάσει από τη μια κατάσταση στην άλλη αναγκαστικά (υπό την επίδραση εξωτερικών επιρροών) ή αυθόρμητα. Για όλα τα μόρια αυτού του τύπου, ένα συγκεκριμένο σύνολο καταστάσεων είναι χαρακτηριστικό, το οποίο μπορεί να χρησιμεύσει για την αναγνώριση μορίων. Ως ανεξάρτητος σχηματισμός, ένα μόριο έχει ένα ορισμένο σύνολο φυσικών ιδιοτήτων σε κάθε κατάσταση, αυτές οι ιδιότητες διατηρούνται στον ένα ή τον άλλο βαθμό κατά τη μετάβαση από μόρια σε ουσία που αποτελείται από αυτά και καθορίζουν τις ιδιότητες αυτής της ουσίας. Κατά τη διάρκεια χημικών μετασχηματισμών, τα μόρια μιας ουσίας ανταλλάσσουν άτομα με μόρια μιας άλλης ουσίας, διασπώνται σε μόρια με μικρότερο αριθμό ατόμων και επίσης εισέρχονται σε χημικές αντιδράσεις άλλων τύπων. Επομένως, η χημεία μελετά τις ουσίες και τους μετασχηματισμούς τους σε στενή σχέση με τη δομή και την κατάσταση των μορίων.

Ένα μόριο συνήθως ονομάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο. Στην ύλη, τα θετικά ιόντα συνυπάρχουν πάντα με τα αρνητικά.

Ανάλογα με τον αριθμό των ατομικών πυρήνων που περιλαμβάνονται στο μόριο, διακρίνονται τα διατομικά, τριατομικά κ.λπ. μόρια. Εάν ο αριθμός των ατόμων σε ένα μόριο υπερβαίνει τις εκατοντάδες και χιλιάδες, το μόριο ονομάζεται μακρομόριο. Ως μοριακό βάρος θεωρείται το άθροισμα των μαζών όλων των ατόμων που αποτελούν το μόριο. Σύμφωνα με το μοριακό βάρος, όλες οι ουσίες χωρίζονται υπό όρους σε χαμηλού και υψηλού μοριακού βάρους.

1.2 Μέθοδοι μέτρησης της διαμέτρου των μορίων

Στη μοριακή φυσική, οι κύριοι «δρώντες» είναι τα μόρια, τα αφάνταστα μικρά σωματίδια που αποτελούν όλες τις ουσίες του κόσμου. Είναι σαφές ότι για τη μελέτη πολλών φαινομένων είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τι είναι, μόρια. Συγκεκριμένα, ποια είναι τα μεγέθη τους.

Όταν μιλάμε για μόρια, συνήθως θεωρούνται μικρές, ελαστικές, σκληρές μπάλες. Επομένως, το να γνωρίζεις το μέγεθος των μορίων σημαίνει να γνωρίζεις την ακτίνα τους.

Παρά τη μικρότητα των μοριακών μεγεθών, οι φυσικοί έχουν καταφέρει να αναπτύξουν πολλούς τρόπους για να τα προσδιορίσουν. Το Physics 7 μιλάει για δύο από αυτά. Κάποιος εκμεταλλεύεται την ιδιότητα κάποιων (πολύ λίγων) υγρών να απλώνονται με τη μορφή φιλμ πάχους ενός μορίου. Σε ένα άλλο, το μέγεθος των σωματιδίων προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας μια σύνθετη συσκευή - έναν προβολέα ιόντων.

Η δομή των μορίων μελετάται με διάφορες πειραματικές μεθόδους. Η περίθλαση ηλεκτρονίων, η περίθλαση νετρονίων και η δομική ανάλυση ακτίνων Χ παρέχουν άμεσες πληροφορίες για τη δομή των μορίων. Η περίθλαση ηλεκτρονίων, μια μέθοδος που διερευνά τη σκέδαση ηλεκτρονίων από μια δέσμη μορίων στην αέρια φάση, καθιστά δυνατό τον υπολογισμό των παραμέτρων της γεωμετρικής διαμόρφωσης για απομονωμένα, σχετικά απλά μόρια. Η περίθλαση νετρονίων και η δομική ανάλυση ακτίνων Χ περιορίζονται στην ανάλυση της δομής μορίων ή μεμονωμένων διατεταγμένων θραυσμάτων στη συμπυκνωμένη φάση. Οι μελέτες ακτίνων Χ, εκτός από τις υποδεικνυόμενες πληροφορίες, καθιστούν δυνατή τη λήψη ποσοτικών δεδομένων σχετικά με τη χωρική κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων στα μόρια.

Οι φασματοσκοπικές μέθοδοι βασίζονται στην ατομικότητα των φασμάτων των χημικών ενώσεων, η οποία οφείλεται στο σύνολο των χαρακτηριστικών καταστάσεων κάθε μορίου και στα αντίστοιχα επίπεδα ενέργειας. Αυτές οι μέθοδοι καθιστούν δυνατή τη διεξαγωγή ποιοτικής και ποσοτικής φασματικής ανάλυσης ουσιών.

Τα φάσματα απορρόφησης ή εκπομπής στην περιοχή μικροκυμάτων του φάσματος καθιστούν δυνατή τη μελέτη μεταπτώσεων μεταξύ περιστροφικών καταστάσεων, τον προσδιορισμό των ροπών αδράνειας των μορίων και, με βάση τους, τα μήκη δεσμών, τις γωνίες δεσμών και άλλες γεωμετρικές παραμέτρους των μορίων. Η υπέρυθρη φασματοσκοπία, κατά κανόνα, διερευνά τις μεταβάσεις μεταξύ καταστάσεων δόνησης-περιστροφής και χρησιμοποιείται ευρέως για φασματοαναλυτικούς σκοπούς, καθώς πολλές συχνότητες δόνησης ορισμένων δομικών τμημάτων μορίων είναι χαρακτηριστικές και αλλάζουν ελάχιστα όταν περνούν από το ένα μόριο στο άλλο. Ταυτόχρονα, η υπέρυθρη φασματοσκοπία καθιστά επίσης δυνατή την κρίση της γεωμετρικής διαμόρφωσης ισορροπίας. Τα φάσματα των μορίων στο φάσμα των οπτικών και υπεριωδών συχνοτήτων σχετίζονται κυρίως με μεταβάσεις μεταξύ ηλεκτρονικών καταστάσεων. Το αποτέλεσμα της έρευνάς τους είναι δεδομένα σχετικά με τα χαρακτηριστικά των δυνητικών επιφανειών για διάφορες καταστάσεις και τις τιμές των μοριακών σταθερών που καθορίζουν αυτές τις δυνητικές επιφάνειες, καθώς και τη διάρκεια ζωής των μορίων σε διεγερμένες καταστάσεις και τις πιθανότητες μετάβασης από τη μια κατάσταση στην άλλη. .

Σχετικά με τις λεπτομέρειες της ηλεκτρονικής δομής των μορίων, τα φάσματα ηλεκτρονίων φωτογραφιών και ακτίνων Χ, καθώς και τα φάσματα Auger, παρέχουν μοναδικές πληροφορίες, οι οποίες καθιστούν δυνατή την αξιολόγηση του τύπου συμμετρίας των μοριακών τροχιακών και των χαρακτηριστικών της κατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων . Η φασματοσκοπία λέιζερ (σε διάφορες περιοχές συχνοτήτων), η οποία διακρίνεται από εξαιρετικά υψηλή εκλεκτικότητα διέγερσης, έχει ανοίξει ευρείες δυνατότητες για τη μελέτη μεμονωμένων καταστάσεων μορίων. Η φασματοσκοπία παλμικού λέιζερ καθιστά δυνατή την ανάλυση της δομής των βραχύβιων μορίων και τη μετατροπή τους σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Μια ποικιλία πληροφοριών για τη δομή και τις ιδιότητες των μορίων παρέχεται από τη μελέτη της συμπεριφοράς τους σε εξωτερικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Υπάρχει, ωστόσο, ένας πολύ απλός, αν και όχι ο πιο ακριβής, τρόπος υπολογισμού των ακτίνων των μορίων (ή των ατόμων) Βασίζεται στο γεγονός ότι τα μόρια μιας ουσίας, όταν αυτή βρίσκεται σε στερεή ή υγρή κατάσταση, μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι στενά γειτονικά μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, για μια πρόχειρη εκτίμηση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ο όγκος Vκάποια μάζα Μουσία είναι απλώς ίση με το άθροισμα των όγκων των μορίων που περιέχονται σε αυτήν. Τότε παίρνουμε τον όγκο ενός μορίου διαιρώντας τον όγκο Vανά αριθμό μορίων Ν.

Ο αριθμός των μορίων σε ένα σώμα μάζας Μόπως και γνωστό

, όπου Μ- μοριακή μάζα της ουσίας ΝΤο A είναι ο αριθμός του Avogadro. Εξ ου και ο όγκος VΤο 0 ενός μορίου προσδιορίζεται από την ισότητα .

Αυτή η έκφραση περιλαμβάνει την αναλογία του όγκου μιας ουσίας προς τη μάζα της. Η αντίθετη σχέση

Τα μόρια έχουν μεγέθη και διάφορα σχήματα. Για λόγους σαφήνειας, θα απεικονίσουμε ένα μόριο με τη μορφή μπάλας, φανταζόμενος ότι καλύπτεται από μια σφαιρική επιφάνεια, μέσα στην οποία βρίσκονται τα ηλεκτρονιακά κελύφη των ατόμων του (Εικ. 4, α). Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, τα μόρια δεν έχουν γεωμετρικά καθορισμένη διάμετρο. Επομένως, συμφωνήθηκε να ληφθεί η απόσταση μεταξύ των κέντρων δύο μορίων (Εικ. 4β) ως η διάμετρος d ενός μορίου, τόσο κοντά ώστε οι δυνάμεις έλξης μεταξύ τους να εξισορροπούνται από τις δυνάμεις απώθησης.

Από το μάθημα της χημείας «είναι γνωστό ότι ένα χιλιόγραμμο μόριο (kilomole) οποιασδήποτε ουσίας, ανεξάρτητα από την κατάσταση συσσωμάτωσης, περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων, που ονομάζεται αριθμός Avogadro, δηλαδή N A \u003d 6,02 * 10 26 μόρια.

Τώρα ας υπολογίσουμε τη διάμετρο ενός μορίου, για παράδειγμα του νερού. Για να γίνει αυτό, διαιρούμε τον όγκο ενός χιλιογραμμομέτρου νερού με τον αριθμό Avogadro. Ένα χιλιογραμμάριο νερού έχει μάζα 18 κιλά.Υποθέτοντας ότι τα μόρια του νερού βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο και την πυκνότητά του 1000 kg / m 3,μπορούμε να το πούμε αυτό 1 kmolτο νερό καταλαμβάνει όγκο V \u003d 0,018 m 3. Όγκος ανά μόριο νερού

Λαμβάνοντας το μόριο ως μπάλα και χρησιμοποιώντας τον τύπο όγκου της μπάλας, υπολογίζουμε την κατά προσέγγιση διάμετρο, διαφορετικά το γραμμικό μέγεθος του μορίου του νερού:

Διάμετρος μορίου χαλκού 2,25*10 -10 μ.Οι διάμετροι των μορίων αερίου είναι της ίδιας τάξης. Για παράδειγμα, η διάμετρος ενός μορίου υδρογόνου 2,47 * 10 -10 m,διοξείδιο του άνθρακα - 3,32*10 -10 μ.Άρα το μόριο έχει διάμετρο της τάξης 10 -10 μ.Στο μήκος 1 εκ 100 εκατομμύρια μόρια μπορούν να εντοπιστούν κοντά.

Ας υπολογίσουμε τη μάζα ενός μορίου, για παράδειγμα ζάχαρης (C 12 H 22 O 11). Για να το κάνετε αυτό, χρειάζεστε μια μάζα χιλιομέτρων ζάχαρης (μ = 342,31 kg/kmol)διαιρούμενο με τον αριθμό Avogadro, δηλ. με τον αριθμό των μορίων μέσα