Отримання знань
дистанційна підтримка освіти школярів
Сили взвємодії між молекулами. Маса та розміри молекул
1. Сили взаємодії між молекулами.
Як відомо з третього положення МКТ, між атомами і молекулами діють сили притягання і відштовхування. Наявність цих сил виявляється дослідно. Існування сил притягання між молекулами переконливо доводить той факт, що тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі молекули, хоча частинки цих речовин розділені проміжками і перебувають у безперервному хаотичному русі. Саме ці сили ми долаємо, коли ріжемо, розламуємо або розриваємо якийсь предмет.
Але чому ж тоді після того, як ми розламали щось, наприклад ручку, прикладаючи назад дві половинки ми не отримуємо знову цілий предмет? Невже сили притягання зникли? Насправді нікуди вони не зникали. Просто притягання стало надто малим, щоб утримувати дві половинки разом. Справа в тому, що молекули взаємодіють лише на дуже малих відстанях. І як би ми сильно не притискали частинки зламаної ручки, її на жаль не скріпити, адже сильного зближення молекул вдасться досягти лише в невеликій кількості точок. Отже, збільшивши кількість точок дотику, ми значно збільшимо сили притягання між молекулами. Як цього досягти? Один із способів полягає у тому, що поверхні дотику шліфуються. Таким чином молекули щільно притискаються одна до одної, і виникають великі сили притягання. Ці міркування можна підтвердити на досліді.
Розріжемо свинцевий циліндр навпіл, а потім щільно притиснемо його половинки одна до одної. Гладенькі поверхні будуть дотикатися у багатьох точках, і половинки знову «злипнуться». При чому так міцно, що навіть досить важкий тягар не зможе розділити їх.Сили притягання залежать не лише від поверхні, а і від природи молекул. Наприклад молекули такої рідини, як клей, легко зблизити з молекулами твердого тіла настільки, щоб між ними виникли значні сили притягання. І таким чином за допомогою цієї речовини можна досить сильно скріпити деталі, щоб вони при цьому витримували дію сил в кілька тисяч ньютон.
На існування сил відштовхування вказує мала стискуваність твердих тіл і рідин. Наявність одних лише сил притягання призвела б до стискування тіла, але щоб стиснути предмет, необхідно прикласти силу, і часто дуже велику. Отже, між молекулами одночасно діють сили притягання і відштовхування. Але залежать вони від відстаней між молекулами по-різному.
Як видно сили молекулярної взаємодії проявляються на дуже малих відстанях. Найбільша відстань, на якій вони ще проявляються, називається радіусом молекулярної дії. Розрахунки показують, що ці відстані мають бути не більші від 0,0000001 см (10-7 см).
Якщо опишемо навколо молекули О (мал.2) сферу радіусом r0≈10-7 см, то всі молекули О1,О2, …, що віддалені на відстані більший за цей радіус, не взаємодіють з молекулою О. Ця сфера називається сферою молекулярної дії. Одна молекула взаємодіє з іншою лише тоді, коли вона перебуває у цій сфері. Нижче подано графік залежності сил взаємодії молекул F від відстані між ними. Тут вважаємо сили відштовхування додатними, а сили притягання – від’ємними. Нехай одна молекула міститься в початку координат, а друга – на деякій відстані r1 від неї (в точці А). Між ними діє дуже мала сила притягання і ще менша сила відштовхування. При зближенні молекул швидше зростатиме сила притягання, і на деякій відстані r0, що дорівнює приблизно сумі радіусів молекул, сили притягання і відштовхування зрівноважаться. Ця відстань ОВ=r0 називається рівноважною.
На графіку також показано залежність рівнодійної сил взаємодії двох частинок від відстані між ними. Кожна ордината цієї кривої, яка відповідає будь-якій відстані r утворюється при алгебраїчному додаванні ординат двох перших кривих. Ця крива показує, що коли міжмолекулярна відстань менше r0, тобто коли тіло стискають, то переважають сили відштовхування, а коли ця відстань більше r0, тобто коли тіло розтягують – сили притягання. Цим і пояснюється виникнення сил пружності.
2. Маса і розміри молекул.
Уявлення про молекулярну будову тіл не зовсім узгоджується із нашим власним досвідом: ми не бачимо цих окремих частинок, тіла здаються нам суцільними. Це тому, що молекули дуже малі. Навіть у кращий оптичний мікроскоп не можна побачити окремих молекул. Проте деякі непрямі методи дали можливість не тільки надійно довести існування молекул і атомів, а й навіть установити їх розміри. Грубу оцінку цих величин можна дістати з досліду, проведеного німецьким фізиком В. Рентгеном і англійським фізиком Д. Релеєм.
Якщо пустити краплину олії, об’єм якої відомий, на поверхню чистої води, то вона розпливеться, утворюючи тонку плівку, що складатиметься з одного шару молекул. Отже, граничну товщину такої плівки можна прийняти за діаметр молекули. Виміривши площу утвореної плівки, можна визначити її товщину, поділивши весь об’єм краплини на площу плівки. Наприклад, результат одного з дослідів такий: об’єм краплі олії 3,6*10-5 см3, а площа поверхні плівки 90 см2, отже, товщина плівки:
Сучасні методи вимірювання дають змогу визначити розміри молекул і атомів, які приблизно однакові для молекул кожної речовини. Наприклад, лінійні розміри молекули кисню становлять приблизно 3*10-10 м, води – близько 2,6*10-10 м, молекули більшості інших речовин мають той самий порядок 10-10 м. Проте молекули деяких органічних речовин, які складаються з тисяч атомів, за розмірами значно перевищують двох- і трьохатомні молекули.Молекули і атоми настільки малі, що уявити собі їх розміри можна лише порівнянням. Так, атом заліза у стільки разів менший за волоський горіх, у скільки сам горіх менший за місяць, а якщо збільшити молекулу води до розмірів головки шпильки, то сама головка за такого самого збільшення була б більша за найвищу гору Землі – Джомолунгму.Що стосується маси молекул та атомів, то ці величини виміряні досить точно. Вони виражаються дуже малими числами. Наприклад маса молекули кисню дорівнює 53,5*10-27 кг, водню – 3,34*10-27 кг. Користуватись такими числами досить незручно: їх важко запам’ятати та і виконувати над ними арифметичні дії теж нелегко. Тож, як відомо з уроків хімії, за одиницю вимірювання маси атомів і молекул прийнято атомну одиницю маси (а. о. м.). А. о. м. обрали так, щоб маса найбільш поширеного ізотопу карбону була точно в 12 раз більша за цю одиницю.Масу атома, виражену в а. о. м., називають відносною атомною масою Мr.
Відносною атомною масою речовини Мr називають відношення маси атома m0 даної речовини до 1/12 маси атома вуглецю mc.
Експериментально встановлено, що атомна одиниця маси дорівнює 1,660*10-27 кг. Отже, знаючи відносну атомну масу атома чи молекули, легко знайти масу, виражену в кілограмах.Розміри і маси молекул дуже малі. Це означає, що навіть у маленькому тілі з невеликою масою, міститься велика кількість цих частинок. Підрахуємо кількість молекул води у краплині масою 1г. Для цього розділимо масу краплі m на масу однієї молекули m0:
Це величезне число. Для порівняння воно набагато більше за кількість склянок води, яка міститься у всіх морях, океанах і річках. Тобто вказувати і використовувати безпосередньо кількість молекул чи атомів недоцільно і незручно. Тому вказують відносну кількість частинок у тілі. Прийнято порівнювати кількість молекул чи атомів у даному тілі з кількістю атомів у 0.012 кг вуглецю. Відносну кількість атомів чи молекул називають кількістю речовини.
Кількістю речовини v називають відношення числа молекул N у даному тілі до числа NA атомів у 0.012 кг вуглецю:
Вимірюють кількість речовини в молях.
Моль – кількість речовини, яка містить стільки ж молекул, скільки міститься атомів у 0.012 кг вуглецю.
Кількість атомів у 1 молі визначено експериментально і називається сталою Авогадро на честь італійського вченого XIX ст. Амедео Авогадро. Її значення:
NA=6.025*1026 моль-1
Які сили міжмолекулярної взаємодії проявляються частіше?
Задача 1.
У скільки разів змінилася б кількість речовини в балоні, якби в результаті електричного розряду кисень О2, що знаходиться в балоні, перетворився на озон О3?
(відповідь запишить в вигляді М1 /М2)
Через мікроскопічні щілини з балона зі стисненим повітрям щосекунди «ідуть» 5 мільярдів молекул. За який час маса балона з повітрям зменшиться на 1 мг? Молярна маса повітря Мп=0,029 кг/моль.
Відповідь подайте в роках в вигляді тільки числа.
Задачі для самостійного розв'язку
1. При дифузійному зварюванні деталі притискають одну до одної, нагрівають до певної температури і вигримують якийсь час (дифузійне зварювання дозволяє міцно з'єднувати деталі з різних металів і навіть металеві деталі з керамічними). Яку (приблизно) температуру слід підгримувати при зварюванні?
2. У скільки разів змінилася б кількість речовини, в балоні, якби в
результаті електричного розряду кисень О2, що знаходиться в
балоні, перетворився на озон О3?
3. Скільки молекул міститься в 1 г вуглекислого газу (СО2)?
4. Скільки молекул міститься в 5 г водню (Н2)?
5. Через мікроскопічні щілини з балона зі стисненим повітрям*) щосекунди «ідуть» 5 мільярдів молекул. За який час маса балона з повітрям зменшиться на 1 мг? Скільки іонів натрію міститься в пачці кухонної солі (NaCl) масою 500г?
6. Яка кількість речовини міститься в 39 г заліза?
7. Яка кількість речовини (SiО2) у піщинці масою 20 мг?
8. Де більше атомів кисню: в 10 моль води чи в 5 моль кисню? У скільки разів?
9. Де більше молекул: у 5 г водню чи в 10 г води? У скільки разів більше?
10. Який об 'єм займають 4 моль алюмінію?
11 Чи помістяться в трилітровій банці 50 моль ртуті?
12. В якому об'ємі води міститься 1018 молекул (вода знаходиться в рідкому стані)?
13 Де більше молекул: у склянці води чи в повітрі всередині порожньої бочки? Об'єм склянки 200 см3, об'єм бочки 0,4 м3, повітря перебуває за нормальних умов.
14 При якому об'ємі спортивного залу кількість молекул повітря в цьому залі в 100 разів перевищує кількість атомів у залізній штанзі масою 100 кг?
15 Порівняйте кількість речовини в двох кубиках однакового об'єму: залізному й алюмінієвому.
16 У гальванічній ванні корпуси годинників покривають шаром золота завтовшки 24 мкм. Скільки атомів золота в покритті, якщо площа поверхні корпуса годинника дорівнює 10 см2?
17 Якою була б відносна атомна маса фтору, якби за атомну одиницю маси прийняли масу молекули водню?
18 В якій із крапель - води чи ртуті - кількість речовини більша? У скільки разів? Розгляньте випадки, коли краплі мають: а) однакові маси; б) однакові об'єми.
19. У циліндричній склянці діаметром 7 см знаходиться вода масою 200 г. Оцініть кількість молекулярних шарів, які «ідуть» з поверхні води щосекунди, якщо уся вода випаровується за 10 діб. Вважайте, що швидкість випаровування постійна, а товщина молекулярного шару дорівнює 1,5 10-10 м.
20. У науково-фантастичних творах є згадки про надміцну і надтонку нитку завтовшки в один атом. Якою була б довжина такої нитки масою 20 г, виготовленої з вуглецю? Порівняйте цю довжину з відстанню від Землі до Сонця. Вважайте атом вуглецю кулькою радіусом 7,7 10-10 м.