Основные положения МКТ. Масса и размеры молекул. Количество вещества

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — фундамент современной молекулярной физики, объясняющий макроскопические свойства тел движением и взаимодействием их микрочастиц.

Три основных положения МКТ:

1. Все тела состоят из микрочастиц (атомов и молекул), разделенных промежутками;

2. Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом (беспорядочном) тепловом движении;

3. Частицы непрерывно взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания.

Экспериментальные доказательства:

• Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ вследствие теплового движения частиц (в газах протекает за секунды, в жидкостях — за часы, в твердых телах — за годы);

• Броуновское движение (открыто Робертом Броуном в 1827 г.) — непрерывное беспорядочное движение микроскопических взвешенных в жидкости частиц пыльцы под действием нескомпенсированных ударов молекул среды;

• Фотографии отдельных атомов на современных туннельных и атомно-силовых микроскопах.

Атомы и молекулы обладают чрезвычайно малыми размерами и массами:

• Линейные размеры большинства молекул составляют порядка d ~ 10⁻¹⁰ м (0.1 нм);

• Масса отдельной молекулы воды H₂O равна m₀ ≈ 3 · 10⁻²⁶ кг, молекулы водорода H₂ — m₀ ≈ 3.3 · 10⁻²⁷ кг, молекулы кислорода O₂ — m₀ ≈ 5.3 · 10⁻²⁶ кг.

Для удобства расчетов в физике и химии используют относительную атомную (A_r) и молекулярную массу (M_r) — безразмерную величину, равную отношению массы молекулы к 1/12 массы атома углерода ¹²C (атомной единице массы, 1 а.е.м. = 1.6605 · 10⁻²⁷ кг):

Например, для воды H₂O: M_r = 2·1 + 16 = 18.

Макроскопические тела содержат астрономическое число микрочастиц (в стакане воды содержится свыше 6 · 10²⁴ молекул). Для сопоставления числа частиц с массой введено понятие количества вещества.

Количество вещества (ν — греческая буква «ню») — физическая величина, равная отношению числа молекул N в данном теле к постоянной Авогадро N_A:

ν = N / N_A.

В Международной системе СИ единицей количества вещества является Моль (моль).

1 моль — количество вещества, содержащее столько же структурных элементов (молекул, атомов), сколько содержится атомов в углероде ¹²C массой ровно 0.012 кг (12 граммов).

Постоянная Авогадро (N_A) — фундаментальная физическая константа:

N_A = 6.022 · 10²³ моль⁻¹.

Молярная масса (M) — физическая величина, равная отношению массы вещества m к его количеству ν, или массе 1 моля этого вещества:

В СИ молярная масса измеряется в килограммах на моль (кг/моль), в химии — в г/моль.

Связь молярной массы с относительной молекулярной массой M_r:

M = M_r · 10⁻³ кг/моль.

Например, для водорода H₂: M = 2 · 10⁻³ кг/моль; для воды H₂O: M = 18 · 10⁻³ кг/моль; для кислорода O₂: M = 32 · 10⁻³ кг/моль; для углекислого газа CO₂: M = 44 · 10⁻³ кг/моль.

Масса одной молекулы выражается как:

Между молекулами одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания электромагнитной природы.

Зависимость сил от расстояния r между центрами молекул:

• На расстояниях r > r₀ (где r₀ ~ d — диаметр молекулы) преобладают силы притяжения;

• На расстояниях r < r₀ при деформации электронных оболочек резко возрастают короткодействующие силы отталкивания;

• На расстоянии r = r₀ силы притяжения и отталкивания точно уравновешивают друг друга (устойчивое равновесие, минимум потенциальной энергии);

• На расстояниях r > 2–3 r₀ силы межмолекулярного взаимодействия практически спадают до нуля.

Соотношение энергий определяет агрегатное состояние:

• Твердые тела: E_пот >> E_кин (молекулы колеблются около узлов решетки);

• Жидкости: E_пот ≈ E_кин (ближний порядок, перескоки молекул);

• Газы: E_кин >> E_пот (молекулы свободны, потенциальным взаимодействием на расстоянии пренебрегают).