Teoria moleculare-cinetică se referă la doctrina structurii și a proprietăților materiei pe baza ideii existenței atomilor și a moleculelor ca particule mai mici ale unei substanțe chimice.
În inima teoriei moleculare-cinetice se află trei propoziții de bază:
1. Toate substanțele - lichide, solide și gazoase - sunt formate din cele mai mici particule - molecule, care în sine constau în atomi ("molecule elementare"). Moleculele unei substanțe chimice pot fi simple și complexe și constau din unul sau mai mulți atomi. Moleculele și atomii sunt particule neutre din punct de vedere electric. În anumite condiții, moleculele și atomii pot dobândi o sarcină electrică suplimentară și se pot transforma în ioni pozitivi sau negativi.
2. Atomii și moleculele sunt în mișcare continuă haotic.
3. Particulele interacționează între ele prin forțe care au o natură electrică. Interacțiunea gravitațională între particule este neglijabilă.
Figura 3.1.1. Traiectoria unei particule browniene.
Cea mai izbitoare confirmare experimentală a teoriei moleculare-cinetice a mișcării dezordonate a atomilor și a moleculelor este mișcarea browniană. Aceasta este mișcarea termică a particulelor microscopice minute suspendate într-un lichid sau gaz. A fost descoperită de botanistul englez R. Brown (1827). Partile browniene se misca sub influenta grevelor dezordonate de molecule. Din cauza mișcării termice haotice a moleculelor, aceste impacturi nu se compensează niciodată reciproc. Ca urmare, viteza particulei Brownian variază aleatoriu în modul și direcție, iar traiectoria sa este o curbă zigzag complexă (Figura 3.1.1). Teoria mișcării browniene a fost creată de A. Einstein (1905). Teoria lui Einstein a fost confirmată experimental în experimentele fizicianului francez J. Perrin (1908-1911).
Forțele care acționează între două molecule depind de distanța dintre ele. Moleculele sunt structuri spațiale complexe care conțin încărcături atât pozitive, cât și negative. Dacă distanța dintre molecule este suficient de mare, atunci prevalează forțele de atracție intermoleculară. La distanțe mici, predomină forțele repulsive. Dependențele forței F rezultante și energia potențială Ep a interacțiunii dintre molecule pe distanța dintre centrele lor sunt prezentate calitativ în Fig. 3.1.2. La o anumită distanță r = r0, forța de interacțiune dispare. Această distanță poate fi luată în mod condiționat ca diametrul moleculei. Energia de interacțiune potențială la r = r0 este minimă. Pentru a îndepărta unul de celălalt două molecule situate la o distanță r0. este necesar să le informăm despre energia suplimentară E0. Cantitatea E0 se numește adâncimea canalului potențial sau a energiei de legare.
Figura 3.1.2. Forța de interacțiune F și energia potențială a interacțiunii Ep a două molecule. F> 0 este forța respingătoare, F <0 – сила притяжения.
Moleculele sunt extrem de mici în dimensiune. Moleculele simple monatomice au o dimensiune de ordinul 10-10 m. Moleculele complexe polyatomice pot avea dimensiuni sute și mii de ori mai mari.
Mișcarea haotică dezordonată a moleculelor se numește mișcare termică. Energia cinetică a mișcării termice crește odată cu creșterea temperaturii. La temperaturi scăzute, energia cinetică medie a moleculei poate fi mai mică decât adâncimea canalului potențial E0. În acest caz, moleculele se condensează într-o substanță lichidă sau solidă; distanța medie dintre molecule va fi aproximativ egală cu r0. Pe măsură ce crește temperatura, energia cinetică medie a moleculei devine mai mare decât E0. moleculele sunt împrăștiate și se formează o substanță gazoasă.
În solide, moleculele fac oscilații aleatorii în jurul unor centre fixe (poziții de echilibru). Aceste centre pot fi amplasate în spațiu neregulat (corpuri amorfe) sau formează structuri de volum ordonate (corpuri cristaline) (a se vedea §3.6).
Modelul. Stări agregate.
În lichide, moleculele au o libertate mult mai mare pentru mișcarea termică. Ele nu sunt atașate la anumite centre și se pot mișca în jurul întregului volum al fluidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Moleculele de fluid din apropiere pot forma, de asemenea, structuri comandate care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordine cu rază scurtă de acțiune, spre deosebire de ordinea cu rază lungă de acțiune. caracteristic corpurilor cristaline.
În gaze, distanțele dintre molecule sunt de obicei mult mai mari decât dimensiunile lor. Forțele de interacțiune dintre molecule la distanțe atât de mari sunt mici și fiecare moleculă se deplasează de-a lungul unei linii drepte până la o altă ciocnire cu o altă moleculă sau cu peretele vasului. Distanța medie dintre moleculele de aer în condiții normale este de ordinul a 10 -8 m, adică zeci de ori mai mare decât mărimea moleculelor. Interacțiunea slabă dintre molecule explică capacitatea gazelor de a se extinde și a umple întregul volum al vasului. În limita, atunci când interacțiunea tinde la zero, ajungem la conceptul de gaz ideal.
În teoria moleculare-cinetică, cantitatea de materie este considerată a fi proporțională cu numărul de particule. Unitatea de cantitate de substanță se numește mol (mole).
Mole este cantitatea unei substanțe care conține cât mai multe particule (molecule), deoarece există atomi în 0,012 kg de carbon 12C. Moleculă de carbon constă dintr-un atom.
Astfel, un mol de substanță conține același număr de particule (molecule). Acest număr se numește Avogadro permanent:
Această ecuație stabilește o relație între presiunea p a unui gaz ideal, masa unei molecule m0. concentrația de molecule n. valoarea medie a pătratului vitezei și energia cinetică medie a mișcării translaționale a moleculelor. Se numește ecuația de bază a teoriei moleculare-cinetice a gazelor.
Astfel, presiunea gazului este egală cu două treimi din energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor conținute într-un volum unitar.
Ecuația de bază a teoriei moleculare-cinetice a gazelor include produsul concentrației moleculelor n de energia cinetică medie a mișcării translaționale. Dacă presupunem că gazul se află într-un vas cu volum constant V, atunci (N este numărul de molecule din vas). În acest caz, schimbarea presiunii P este proporțională cu schimbarea energiei cinetice medii.
Se ridică întrebări: cum poate fi schimbată experimental energia cinetică medie a mișcării moleculelor într-un vas cu volum constant? Ce cantitate fizică trebuie schimbată pentru a schimba energia cinetică medie. O asemenea valoare în fizică este temperatura.
Conceptul de temperatură este strâns legat de conceptul de echilibru termic. Corpurile care se află în contact între ele pot schimba energia. Energia transferată de un corp în altul în timpul contactului termic se numește cantitatea de căldură.
Echilibrul termic este o stare a unui sistem de corpuri în contact termic, în care nu are loc transferul de căldură de la un corp la altul, iar toți parametrii macroscopici ai corpurilor rămân neschimbați. Temperatura este un parametru fizic, același pentru toate corpurile în echilibru termic. Posibilitatea introducerii conceptului de temperatură rezultă din experiență și se numește legea zero a termodinamicii.
Pentru a măsura temperatura, se folosesc instrumente fizice - termometre. în care temperatura este evaluată prin modificarea parametrului fizic. Pentru a crea un termometru, trebuie să alegeți o substanță termometrică (de exemplu mercur, alcool) și o valoare termometrică. care caracterizează proprietatea unei substanțe (de exemplu, lungimea unei coloane de mercur sau a unei coloane de alcool). Diferitele modele de termometre folosesc o varietate de proprietăți fizice ale substanței (de exemplu, schimbarea dimensiunilor liniare ale solidelor sau schimbarea rezistenței electrice a conductorilor atunci când sunt încălzite).
Termometrele trebuie calibrate. Pentru a face acest lucru, ele sunt aduse în contact termic cu corpuri ale căror temperaturi sunt presetate. Cel mai adesea se folosesc sisteme naturale simple în care temperatura rămâne neschimbată în ciuda schimbului de căldură cu mediul - un amestec de gheață și apă și un amestec de apă și abur care se fierbe la presiune atmosferică normală. Pe scala de temperatură Celsius, temperatura punctului de topire este de 0 ° C, iar punctul de fierbere al apei este de 100 ° C. Schimbarea lungimii coloanei de lichid din capilarii termometrului cu o sută din lungimea dintre semnele de 0 ° C și 100 ° C este egală cu 1 ° C. În unele țări (SUA) este utilizat pe scară largă Fahrenheit (TF), în care temperatura de congelare a apei este luată egală cu 32 ° F, iar punctul de fierbere al apei egal cu 212 ° F. Prin urmare,
Locul special in fizica ocupa termometru cu gaz (Figura 3.2.4.), În care substanța termometrică este gazul rarefiată (heliu, aer) într-un vas de volum constant (V = const), o cantitate termometrică - presiunea gazului p. Experiența arată că presiunea gazului (la V = const) crește cu creșterea temperaturii, măsurată la scară Celsius.
Figura 3.2.4. Termometru cu volum constant.
Pentru calibrarea volumului constant termometru cu gaz, presiunea poate fi măsurată la două valori ale temperaturii (de exemplu, 0 ° C și 100 ° C), a pus P0 punct și P100 pe grafic, apoi trage o linie dreaptă (Fig. 3.2.5) între ele. Utilizând curba de calibrare astfel obținută, este posibil să se determine temperaturile corespunzătoare altor presiuni. Extrapolând din graficul la presiuni mai mici, este posibil să se determine o anumită temperatură „ipotetic“, la care presiunea gazului va fi zero. Experiența arată că această temperatură este -273,15 ° C și nu depinde de proprietățile gazului. Incapabil experimental obținut prin răcirea gazului într-o stare de presiune zero, deoarece la temperaturi foarte scăzute, toate gazele trec în stare lichidă sau solidă.
Figura 3.2.5. Dependența presiunii gazului la temperatura la V = const.
Fizicianul englez W. Kelvin (Thomson), în 1848, a propus folosirea punctului zero de gaz pentru a construi o nouă scară de temperatură (scala Kelvin). În această scală, unitatea de temperatură este aceeași ca și în scara Celsius, dar punctul zero este deplasat:
În sistemul SI, o unitate pentru măsurarea temperaturii pe scara Kelvin este numită kelvin și este notată cu litera K. De exemplu, temperatura camerei TC = 20 ° C pe scara Kelvin este TK = 293,15 K.
Scara de temperatură Kelvin se numește scala de temperatură absolută. Se pare că este cel mai convenabil pentru construirea teoriilor fizice.
Nu este necesar să legăm scara Kelvin la două puncte fixe - punctul de topire al gheții și punctul de fierbere al apei la presiune atmosferică normală, așa cum se obișnuiește în scara Celsius.
În plus față de punctul de presiune zero a gazului, care se numește temperatura absolută zero. este suficient să luați un alt punct de referință fix. La scara Kelvin, temperatura punctului triplu de apă (0,01 ° C) este utilizată ca punct, în care toate cele trei faze - gheață, apă și abur - sunt în echilibru termic. Pe scara Kelvin, temperatura punctului triplu este egală cu 273,16 K.
Termometrele pentru gaz sunt greoaie și incomode pentru utilizare practică: acestea sunt folosite ca standard de precizie pentru calibrarea altor termometre.
Astfel, presiunea unui gaz rarefiat într-un vas cu volum constant V variază în proporție directă cu temperatura absolută: p
T. Pe de altă parte, experiența arată că, cu volumul constant V și temperatura T, presiunea gazului se modifică direct proporțional cu cantitatea de substanță # 957; în acest vas la volumul V al vasului
unde N este numărul de molecule din vas, NA este constanta lui Avogadro, n = N / V este concentrația de molecule (adică numărul de molecule pe unitatea de volum a vasului). Combinând aceste relații de proporționalitate, putem scrie:
unde k este o constantă pentru toate gazele. Se numește constanta lui Boltzmann. în onoarea fizicianului austriac L. Boltzmann (1844-1906), unul dintre creatorii teoriei moleculare-cinetice. Constanta Boltzmann este una dintre constantele fizice fundamentale. Valoarea sa numerică în SI este:
k = 1,38 · 10 -23 J / K
Comparând relațiile p = nkT cu ecuația de bază a teoriei moleculare-cinetice a gazelor, se poate obține:
Energia cinetică medie a mișcării haotice a moleculelor de gaz este direct proporțională cu temperatura absolută.
Astfel, temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a mișcării translaționale a moleculelor.
Trebuie remarcat că energia cinetică medie a mișcării translaționale a moleculei nu depinde de masa ei. O particulă bruniană suspendată într-un lichid sau gaz are aceeași energie cinetică medie ca o moleculă individuală a cărei masă are mai multe ordine de mărime mai mică decât masa particulei Browniene. Această concluzie se extinde și la cazul în care un vas conține un amestec de gaze care nu se amestecă chimic ale căror molecule au diferite mase. Într-o stare de echilibru, moleculele de gaze diferite vor avea aceeași energie medie kinetică a mișcării termice, determinată numai de temperatura amestecului. Presiunea amestecului de gaze pe pereții vasului va fi compusă din presiunile parțiale ale fiecărui gaz:
În această relație, n1. n2. n3. ... - concentrația moleculelor de gaze diferite în amestec. Această relație exprimă în limbajul teoriei moleculare-cinetice legea Dalton stabilită la începutul secolului al XIX-lea: presiunea într-un amestec de gaze care nu se amestecă chimic este egală cu suma presiunilor lor parțiale.