Principes de base de la physique moléculaire. Principes de base de la théorie de la cinétique moléculaire et leur justification expérimentale

Principes de base de la théorie de la cinétique moléculaire.

La théorie de la cinétique moléculaire (MKT) étudie les propriétés des substances, sur la base d'idées sur les particules de matière.

Les TIC reposent sur trois grands principes :

1. Toutes les substances sont constituées de particules - molécules, atomes et ions.

2. Les particules de matière se déplacent de manière continue et aléatoire.

3. Les particules de matière interagissent les unes avec les autres.

Le mouvement aléatoire (chaotique) des atomes et des molécules dans une substance est appelé mouvement thermique, car la vitesse de déplacement des particules augmente avec l'augmentation de la température. La confirmation expérimentale du mouvement continu des atomes et des molécules dans la matière est le mouvement et la diffusion browniens.

Particules de matière.

Toutes les substances et tous les corps dans la nature sont constitués d'atomes et de molécules - des groupes d'atomes. Ces grands corps sont appelés macroscopiques. Les atomes et les molécules appartiennent à des corps microscopiques. Les instruments modernes (projecteurs d'ions, microscopes à tunnel) permettent de visualiser des images d'atomes et de molécules individuels.
La base de la structure de la matière est constituée d’atomes. Les atomes ont également une structure complexe, ils sont constitués de particules élémentaires- les protons, les neutrons qui composent le noyau d'un atome, les électrons, ainsi que d'autres particules élémentaires.
Les atomes peuvent se combiner en molécules, ou il peut y avoir des substances constituées uniquement d'atomes. Les atomes sont généralement électriquement neutres. Les atomes qui ont un excès ou un déficit d’électrons sont appelés ions. Il existe des ions positifs et négatifs.

Forces d'interaction entre les molécules.

À de très petites distances entre les molécules, des forces répulsives agissent. Grâce à cela, les molécules ne se pénètrent pas et les morceaux de matière ne sont jamais compressés à la taille d'une molécule. Une molécule est un système complexe constitué de particules chargées individuelles : des électrons et des noyaux atomiques. Bien qu'en général les molécules soient électriquement neutres, des forces électriques importantes agissent entre elles à de courtes distances : les électrons et les noyaux atomiques des molécules voisines interagissent. Si les molécules sont situées à des distances plusieurs fois supérieures à leurs tailles, alors les forces d'interaction n'ont pratiquement aucun effet. Les forces entre molécules électriquement neutres sont à courte portée. À des distances supérieures à 2 à 3 diamètres moléculaires, des forces attractives agissent. À mesure que la distance entre les molécules diminue, la force d’attraction augmente d’abord, puis commence à diminuer et diminue jusqu’à zéro lorsque la distance entre les deux molécules devient égale à la somme des rayons des molécules. À mesure que la distance diminue, les couches électroniques des atomes commencent à se chevaucher et des forces répulsives croissantes apparaissent entre les molécules.

Gaz parfait. Équation MKT de base.

On sait que les particules contenues dans les gaz, contrairement aux liquides et aux solides, sont situées les unes par rapport aux autres à des distances dépassant largement leur propre taille. Dans ce cas, l'interaction entre les molécules est négligeable et énergie cinétique molécules est bien supérieure à l’énergie de l’interaction intermoléculaire. Pour en savoir le plus les propriétés générales inhérents à tous les gaz, ils utilisent un modèle simplifié de gaz réels - un gaz parfait. Principales différences gaz parfaità partir de vrai gaz :

1. Les particules de gaz parfaits sont des corps sphériques de très petite taille, presque points matériels.
2. Il n’existe aucune force d’interaction intermoléculaire entre les particules.
3. Les collisions de particules sont absolument élastiques.

Les vrais gaz raréfiés se comportent en effet comme un gaz parfait. Utilisons le modèle des gaz parfaits pour expliquer l'origine de la pression du gaz. En raison de mouvement thermique, des particules de gaz heurtent de temps en temps les parois du conteneur. A chaque impact, les molécules agissent avec une certaine force sur la paroi du vaisseau. En s'ajoutant les unes aux autres, les forces d'impact des particules individuelles forment une certaine force de pression qui agit constamment sur le mur. Il est clair que plus un récipient contient de particules, plus elles heurteront souvent la paroi du récipient, et plus la force de pression, et donc la pression, sera grande. Plus les particules se déplacent rapidement, plus elles heurtent violemment la paroi du conteneur. Imaginons mentalement une expérience simple : une balle qui roule heurte un mur. Si la balle roule lentement, elle heurtera le mur avec moins de force que si elle se déplaçait rapidement. Plus la masse de la particule est grande, plus plus de force et un coup. Plus les particules se déplacent rapidement, plus elles heurtent souvent les parois du conteneur. Ainsi, la force avec laquelle les molécules agissent sur la paroi d'un récipient est directement proportionnelle au nombre de molécules contenues dans une unité de volume (ce nombre est appelé concentration de molécules et est noté n), à la masse de la molécule mo, le carré moyen de leurs vitesses et la surface de la paroi du vaisseau. En conséquence, nous obtenons : la pression du gaz est directement proportionnelle à la concentration des particules, à la masse de la particule et au carré de la vitesse des particules (ou à leur énergie cinétique). La dépendance de la pression d'un gaz parfait sur la concentration et sur l'énergie cinétique moyenne des particules est exprimée par l'équation de base de la théorie cinétique moléculaire d'un gaz parfait. Nous avons obtenu l'équation de base MKT pour un gaz parfait à partir de considérations générales, mais elle peut être strictement dérivée sur la base des lois de la mécanique classique. Voici une forme d’écriture de l’équation de base MKT :
P = (1/3) · n · m o · V 2.

Les atomes ou molécules qui composent un gaz se déplacent librement à une distance considérable les uns des autres et n'interagissent que lorsqu'ils entrent en collision les uns avec les autres (dans la suite, pour éviter les répétitions, je mentionnerai uniquement « molécules », c'est-à-dire « molécules ou atomes »). ). Par conséquent, la molécule se déplace de manière rectiligne uniquement dans les intervalles entre les collisions, changeant la direction du mouvement après chacune de ces interactions avec une autre molécule. La longueur moyenne d'un segment droit de mouvement d'une molécule de gaz est appelée libre parcours moyen. Plus la densité du gaz est élevée (et donc plus la distance moyenne entre les molécules est petite), plus le libre parcours moyen entre les collisions est court.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, une image apparemment simple de la structure atomique et moléculaire des gaz, grâce aux efforts d'un certain nombre de physiciens théoriciens, s'est développée en une théorie puissante et assez universelle. La base nouvelle théorie l'idée de connecter des éléments mesurables macroscopique indicateurs d'état du gaz (température, pression et volume) avec microscopique caractéristiques - nombre, masse et vitesse de mouvement des molécules. Puisque les molécules sont constamment en mouvement et possèdent donc de l’énergie cinétique, cette théorie est appelée théorie de la cinétique moléculaire des gaz

Prenons par exemple la tension artérielle. À tout moment, les molécules heurtent les parois du récipient et, à chaque impact, elles transmettent une certaine impulsion de force, qui en elle-même est extrêmement petite, mais l'impact total de millions de molécules produit une force importante sur les parois, qui est perçu par nous comme une pression. Par exemple, lorsque vous gonflez un pneu de voiture, vous déplacez des molécules air atmosphériqueà l'intérieur du volume fermé du pneumatique en plus du nombre de molécules déjà à l'intérieur de celui-ci ; En conséquence, la concentration de molécules à l’intérieur du pneu est plus élevée qu’à l’extérieur, elles heurtent les parois plus souvent, la pression à l’intérieur du pneu est supérieure à la pression atmosphérique et le pneu devient gonflé et élastique.

Le sens de la théorie est qu'à partir du libre parcours moyen des molécules, nous pouvons calculer la fréquence de leurs collisions avec les parois du récipient. Autrement dit, en disposant d'informations sur la vitesse de déplacement des molécules, il est possible de calculer les caractéristiques d'un gaz qui peuvent être directement mesurées. En d’autres termes, la théorie de la cinétique moléculaire nous donne un lien direct entre le monde des molécules et des atomes et le macrocosme tangible.

Il en va de même pour la compréhension de la température dans le cadre de cette théorie. Plus la température est élevée, plus la vitesse moyenne des molécules de gaz est élevée. Cette relation est décrite par l'équation suivante :

1/2mv 2 = kT

Où m- masse d'une molécule de gaz, v— vitesse moyenne de mouvement thermique des molécules, T- température du gaz (en Kelvin), et k— Constante de Boltzmann. L'équation de base de la théorie de la cinétique moléculaire définit une relation directe entre les caractéristiques moléculaires d'un gaz (à gauche) et les caractéristiques macroscopiques mesurables (à droite). La température du gaz est directement proportionnelle au carré vitesse moyenne mouvements moléculaires.

La théorie de la cinétique moléculaire donne également une réponse assez précise à la question des écarts des vitesses des molécules individuelles par rapport à la valeur moyenne. Chaque collision entre molécules de gaz entraîne une redistribution de l'énergie entre elles : les molécules trop rapides ralentissent, les molécules trop lentes accélèrent, ce qui conduit à une moyenne. À tout moment, des millions de collisions de ce type se produisent dans le gaz. Néanmoins, il s'est avéré qu'à une température donnée d'un gaz dans un état stable, le nombre moyen de molécules avec une certaine vitesse v ou de l'énergie E, ne change pas. Cela se produit parce que, d'un point de vue statistique, la probabilité qu'une molécule ayant de l'énergie E changera d'énergie et entrera dans un état énergétique similaire est égale à la probabilité qu'une autre molécule, au contraire, entrera dans un état d'énergie E. Ainsi, bien que chaque molécule individuelle ait de l'énergie E seulement occasionnellement, le nombre moyen de molécules avec de l'énergie E reste inchangé. (Nous voyons une situation similaire dans Société humaine. Personne ne reste dix-sept ans plus d’un an – et Dieu merci ! — pourtant, le pourcentage moyen de jeunes de dix-sept ans dans une communauté humaine stable reste pratiquement inchangé.)

Cette idée de la distribution de vitesse moyenne des molécules et sa formulation stricte appartient à James Clarke Maxwell ; le même théoricien exceptionnel a également écrit une description rigoureuse des champs électromagnétiques ( cm. les équations de Maxwell). C'est lui qui a dérivé la distribution des vitesses des molécules à une température donnée (voir figure). La plupart des molécules sont dans l'état énergétique correspondant au pic Distribution Maxwell et vitesse moyenne, cependant, en fait, les vitesses des molécules varient dans des limites assez larges.

MKT, c'est facile !

"Rien n'existe sauf les atomes et le vide..." - Démocrite
"Tout corps peut se diviser indéfiniment" - Aristote

Principes de base de la théorie de la cinétique moléculaire (MKT)

Objectif des TIC- il s'agit d'une explication de la structure et des propriétés de divers corps macroscopiques et des phénomènes thermiques qui s'y produisent, par le mouvement et l'interaction des particules qui composent les corps.
Corps macroscopiques- ce sont de grands corps constitués d'un grand nombre de molécules.
Phénomènes thermiques- les phénomènes liés à l'échauffement et au refroidissement des corps.

Principales déclarations de la TIC

1. La matière est constituée de particules (molécules et atomes).
2. Il y a des espaces entre les particules.
3. Les particules se déplacent de manière aléatoire et continue.
4. Les particules interagissent les unes avec les autres (s’attirent et se repoussent).

Confirmation MKT :

1. expérimental
- broyage mécanique d'une substance ; dissoudre une substance dans l'eau; compression et détente des gaz; évaporation; déformation des corps; la diffusion; Expérience de Brigman : de l'huile est versée dans un récipient, un piston appuie sur l'huile, à une pression de 10 000 atm, l'huile commence à s'infiltrer à travers les parois du récipient en acier ;

La diffusion; Mouvement brownien des particules dans un liquide sous les impacts de molécules ;

Mauvaise compressibilité des solides et des liquides ; des efforts importants pour briser les solides ; fusion de gouttelettes de liquide;

2. direct
- photographie, détermination des tailles de particules.

mouvement brownien

Le mouvement brownien est le mouvement thermique des particules en suspension dans un liquide (ou un gaz).

Le mouvement brownien est devenu la preuve du mouvement (thermique) continu et chaotique des molécules de matière.
- découvert par le botaniste anglais R. Brown en 1827
- une explication théorique basée sur le MCT a été donnée par A. Einstein en 1905.
- confirmé expérimentalement par le physicien français J. Perrin.

Masse et taille des molécules

Tailles de particules

Le diamètre de tout atome est d'environ cm.

Nombre de molécules dans une substance

où V est le volume de la substance, Vo est le volume d'une molécule

Masse d'une molécule

où m est la masse de la substance,
N - nombre de molécules dans une substance

Unité SI de masse : [m]= 1 kg

En physique atomique, la masse est généralement mesurée en unités de masse atomique (amu).
Classiquement, on considère qu'il s'agit de 1 amu. :

Relatif masse moléculaire substance

Pour faciliter les calculs, une quantité est introduite - la masse moléculaire relative de la substance.
La masse d’une molécule de n’importe quelle substance peut être comparée à 1/12 de la masse d’une molécule de carbone.

où le numérateur est la masse de la molécule et le dénominateur est 1/12 de la masse de l'atome de carbone

Il s'agit d'une quantité sans dimension, c'est-à-dire n'a pas d'unité de mesure

Masse atomique relative d'un élément chimique

où le numérateur est la masse de l'atome et le dénominateur est 1/12 de la masse de l'atome de carbone

La quantité est sans dimension, c'est-à-dire n'a pas d'unité de mesure

La masse atomique relative de chaque élément chimique est indiquée dans le tableau périodique.

Une autre façon de déterminer la masse moléculaire relative d'une substance

La masse moléculaire relative d'une substance est égale à la somme des masses moléculaires relatives masses atomiques éléments chimiques, inclus dans la molécule d’une substance.
Nous prenons la masse atomique relative de n’importe quel élément chimique du tableau périodique !)

Quantité de substance

La quantité de substance (ν) détermine le nombre relatif de molécules dans le corps.

où N est le nombre de molécules dans le corps et Na est la constante d'Avogadro

Unité de mesure de la quantité de substance dans le système SI : [ν]= 1 mol

1 taupe- c'est la quantité de substance qui contient autant de molécules (ou d'atomes) qu'il y a d'atomes contenus dans le carbone pesant 0,012 kg.

Souviens-toi!
1 mole de n’importe quelle substance contient le même nombre d’atomes ou de molécules !

Mais!
Les mêmes quantités d’une substance ont des masses différentes pour différentes substances !

constante d'Avogadro

Le nombre d'atomes dans 1 mole de n'importe quelle substance est appelé nombre d'Avogadro ou constante d'Avogadro :

Masse molaire

La masse molaire (M) est la masse d'une substance prise en une mole, ou sinon, c'est la masse d'une mole d'une substance.

Masse moléculaire
- Constante d'Avogadro

Unité de masse molaire : [M]=1 kg/mol.

Formules pour résoudre des problèmes

Ces formules sont obtenues en remplaçant les formules ci-dessus.

Masse de n'importe quelle quantité de substance

En règle générale, nous comprenons le monde à travers ce qu'on appelle les corps macroscopiques (du grec « macro » - grand). Ce sont tous les corps qui nous entourent : les maisons, les voitures, l’eau dans un verre, l’eau de l’océan, etc. Nous nous intéressions à ce qui arrivait à ces corps et autour d'eux. Nous allons maintenant nous intéresser également à ce qui se passe à l’intérieur des corps. Une section de physique appelée MCT nous aidera à répondre à cette question.
MKT – théorie de la cinétique moléculaire. Il explique les phénomènes physiques et les propriétés des corps du point de vue de leur structure microscopique interne. Cette théorie repose sur trois affirmations :

Tous les corps sont constitués de petites particules entre lesquelles se trouvent des espaces.
Les particules de corps se déplacent constamment et de manière aléatoire.
Les particules des corps interagissent les unes avec les autres : elles s'attirent et se repoussent.

Ces déclarations sont appelées les principes fondamentaux des TIC. Tous sont confirmés par de nombreuses expériences.

Avec une approche macroscopique, on s'intéresse aux corps eux-mêmes : leur taille, leur volume, leur masse, leur énergie, etc. Jetez un oeil à l'image de gauche. Par exemple, lors de l’étude macroscopique des éclaboussures d’eau, nous mesurerons leur taille, leur volume et leur masse.

Avec une approche microscopique, nous nous intéressons également à la taille, au volume, à la masse et à l'énergie. Cependant, pas les corps eux-mêmes, mais les particules qui les composent : molécules, ions et atomes. C’est exactement ce que symbolise l’image du haut. Mais il ne faut pas croire que les molécules, les ions et les atomes peuvent être vus à la loupe. Ce dessin n'est qu'une hyperbole artistique. Ces particules ne peuvent être observées qu’à l’aide de microscopes électroniques spéciaux.

Le MCT n’a pas toujours été une théorie scientifique. Née avant notre ère, la théorie moléculaire (ou, comme on l'appelait auparavant, atomique) n'est restée qu'une hypothèse commode pendant plus de deux mille ans ! Et ce n'est qu'au XXe siècle qu'elle se transforme en une théorie physique à part entière. Voici comment le célèbre physicien E. Rutherford en parle :

« Pas un seul physicien ou chimiste ne peut fermer les yeux sur le rôle énorme que joue actuellement l’hypothèse atomique dans la science. fin du 19ème siècle Pendant des siècles, ses idées ont imprégné un très vaste domaine de la physique et de la chimie. Le concept d’atomes est devenu de plus en plus concret. ... La simplicité et l'utilité des conceptions atomiques pour expliquer une grande variété de phénomènes physiques et chimiques ont naturellement accru l'autorité de cette théorie aux yeux des scientifiques. On a eu tendance à considérer l'hypothèse atomique non plus comme une hypothèse de travail utile, pour laquelle il est très difficile de trouver des preuves directes et convaincantes, mais comme l'un des faits naturels fermement établis.

Mais les scientifiques et les philosophes ne manquaient pas non plus pour souligner le manque de fondement de cette théorie, sur laquelle pourtant tant de choses étaient construites. Nous pouvons être d’accord avec l’utilité de l’idée de molécules pour expliquer ces expériences, mais quelle confiance avons-nous dans le fait que les atomes existent réellement et ne sont pas qu’une fiction, le produit de notre imagination ? Il faut cependant admettre que ce manque de preuves directes n’a en rien ébranlé la confiance de la grande majorité des scientifiques dans la structure granulaire de la matière.

Le déni de la théorie atomique n’a jamais contribué et ne contribuera jamais à la découverte de faits nouveaux. Le grand avantage de la théorie atomique est qu’elle nous donne, pour ainsi dire, une idée concrète et tangible de la matière, qui non seulement nous sert à expliquer de nombreux phénomènes, mais nous rend également d’énormes services en tant qu’hypothèse de travail. »

Il existe deux méthodes pour étudier les propriétés de la matière : la cinétique moléculaire et la thermodynamique.

La théorie de la cinétique moléculaire interprète les propriétés des corps directement observées expérimentalement (pression, température, etc.) comme le résultat total de l'action de molécules. Ce faisant, elle utilise la méthode statistique, en s'intéressant non pas au mouvement des molécules individuelles, mais uniquement aux valeurs moyennes qui caractérisent le mouvement d'une immense collection de particules. D’où son autre nom – physique statistique.

La thermodynamique étudie les propriétés macroscopiques des corps sans s'intéresser à leur image microscopique. La thermodynamique repose sur plusieurs lois fondamentales (appelées principes de la thermodynamique), établies sur la base d'une généralisation d'un large corpus de faits expérimentaux. La thermodynamique et la théorie de la cinétique moléculaire se complètent mutuellement, formant essentiellement un tout unique.

Selon la théorie de la cinétique moléculaire (MKT), toutes les substances sont constituées de minuscules particules – des molécules. Les molécules sont en mouvement continu et interagissent les unes avec les autres.

Le MCT est justifié par de nombreuses expériences et une somme énorme phénomènes physiques. Considérons ses trois dispositions principales.

Toutes les substances sont constituées de particules

1) Toutes les substances sont constituées de minuscules particules : molécules, atomes, ions, etc., séparées par des espaces.

Molécule- la plus petite particule stable d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques de base.

Les molécules qui forment cette substance sont exactement les mêmes ; différentes substances sont constituées de différentes molécules. Dans la nature, il y a extrêmement un grand nombre de diverses molécules.

Les molécules sont constituées de particules plus petites appelées atomes.

Atomes - minuscules particulesélément chimique, préservant ses propriétés chimiques.

Le nombre d'atomes différents est relativement faible et égal au nombre d'éléments chimiques (116) et de leurs isotopes (environ 1 500).

Les atomes sont des entités très complexes, mais le MKT classique utilise un modèle d'atomes sous la forme de particules sphériques solides et indivisibles.

La présence d'espaces entre molécules découle, par exemple, d'expériences de déplacement de divers liquides : le volume du mélange est toujours inférieur à la somme des volumes de liquides mélangés. Les phénomènes de perméabilité, de compressibilité et de solubilité des substances indiquent également qu'elles ne sont pas continues, mais constituées de particules individuelles séparées par des espaces.

En utilisant méthodes modernes la recherche (microscopes électroniques et à sonde) a réussi à obtenir des images de molécules.

*Loi des rapports multiples

L’existence des molécules est brillamment confirmée par la loi des rapports multiples. On y lit : « lorsque différents composés (substances) sont formés à partir de deux éléments, les masses de l'un des éléments dans différents composés sont liées comme des nombres entiers, c'est-à-dire qu'elles sont dans des rapports multiples. » Par exemple, l'azote et l'oxygène donnent cinq composés : N 2 O, N 2 O 2, N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O 5. Dans ceux-ci, l’oxygène se combine avec la même quantité d’azote dans des proportions multiples de 1:2:3:4:5. La loi des rapports multiples est facile à expliquer. Chaque substance est constituée de molécules identiques avec la composition atomique correspondante. Puisque toutes les molécules de cette substance sont les mêmes, alors le rapport des quantités pondérales éléments simples, inclus dans la composition du corps entier, est le même que dans une molécule individuelle et est donc un multiple de poids atomiques, ce qui est confirmé par l'expérience.

Masse de molécules

Déterminez la masse de la molécule de la manière habituelle, c'est-à-dire la pesée, bien entendu, est impossible. Elle est trop jeune pour ça. Actuellement, il existe de nombreuses méthodes pour déterminer les masses des molécules, en particulier les masses sont déterminées à l'aide d'un spectrographe de masse m 0 de tous les atomes du tableau périodique.

Donc, pour l'isotope du carbone \(~^(12)_6C\) m 0 = 1,995·10 -26 kg. Étant donné que les masses des atomes et des molécules sont extrêmement petites, dans les calculs, ils utilisent généralement des valeurs de masse non pas absolues, mais relatives, obtenues en comparant les masses des atomes et des molécules avec l'unité de masse atomique, qui est choisie comme \(~\dfrac(1 )(12)\) partie de la masse d'un atome de l'isotope du carbone \(~^(12)_6C\) :

1 amu = 1/12 m 0C = 1,660·10 -27 kg.

Moléculaire relative(ou atomique) masse M r est une quantité qui montre combien de fois la masse d'une molécule (ou d'un atome) est supérieure à l'unité de masse atomique :

\(~M_r = \dfrac(m_0)(\dfrac(1)(12) \cdot m_(0C)) . \qquad (1)\)

La masse moléculaire relative (atomique) est une quantité sans dimension.

Les masses atomiques relatives de tous les éléments chimiques sont indiquées dans le tableau périodique. Ainsi, pour l’hydrogène, c’est 1,008, pour l’hélium, c’est 4,0026. Lors des calculs, la masse atomique relative est arrondie au nombre entier le plus proche. Par exemple, l’hydrogène en a jusqu’à 1, l’hélium en a jusqu’à 4.

La masse moléculaire relative d'une substance donnée est égale à la somme des masses atomiques relatives des éléments qui composent la molécule de la substance donnée.. Il est calculé à l'aide du tableau périodique et formule chimique substances.

Oui, pour l'eau H2O le poids moléculaire relatif est M r = 1 2 + 16 = 18.

Une quantité de substance. constante d'Avogadro

La quantité de matière contenue dans un corps est déterminée par le nombre de molécules (ou d'atomes) que contient ce corps. Étant donné que le nombre de molécules dans les corps macroscopiques est très grand, pour déterminer la quantité de substance dans un corps, le nombre de molécules qu'il contient est comparé au nombre d'atomes dans 0,012 kg de l'isotope du carbone \(~^(12)_6C \).

Quantité de substance ν - une valeur égale au rapport du nombre de molécules (atomes) N dans un corps donné au nombre d'atomes N A dans 0,012 kg d'isotope du carbone \(~^(12)_6C\) :

\(~\nu = \dfrac(N)(N_A) . \qquad (2)\)

L'unité SI de quantité d'une substance est la taupe. 1 taupe- la quantité d'une substance qui contient le même nombre d'éléments structurels (atomes, molécules, ions) qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de l'isotope du carbone \(~^(12)_6C\).

Le nombre de particules dans une mole d'une substance est appelé constante d'Avogadro.

\(~N_A = \dfrac(0,012)(m_(0C))= \dfrac(0,012)(1,995 \cdot 10^(-26))\) = 6,02·10 23 mol -1. (3)

Ainsi, 1 mole de n'importe quelle substance contient le même nombre de particules - N Une particule. Depuis la messe m 0 les particules sont différentes pour différentes substances, la masse l'est aussi N Une particule diverses substances différent.

La masse d'une substance prise à raison de 1 mole est appelée masse molaire M:

\(~M = m_0 N_A . \qquad (4)\)

L'unité SI de masse molaire est le kilogramme par mole (kg/mol).

Entre masse molaire Μ et poids moléculaire relatif M r il existe la relation suivante :

\(~M = M_r \cdot 10^(-3) .\)

Donc le poids moléculaire gaz carbonique 44, molaire 44·10 -3 kg/mol.

Connaître la masse d'une substance et son masse molaire M, vous pouvez trouver le nombre de taupes (quantité de substance) dans le corps\[~\nu = \dfrac(m)(M)\].

Puis à partir de la formule (2) le nombre de particules dans le corps

\(~N = \nu N_A = \dfrac(m)(M) N_A .\)

Connaissant la masse molaire et la constante d'Avogadro, vous pouvez calculer la masse d'une molécule :

\(~m_0 = \dfrac(M)(N_A) = \dfrac(m)(N) .\)

Tailles moléculaires

La taille d'une molécule est une valeur relative. C'est ainsi qu'il est évalué. Entre les molécules, outre les forces attractives, des forces répulsives agissent également, de sorte que les molécules ne peuvent s'approcher les unes des autres qu'à une certaine distance. d(Fig. 1).

La distance d'approche maximale entre les centres de deux molécules est appelée diamètre efficace molécules d(les molécules sont supposées avoir une forme sphérique).

Les tailles des molécules de différentes substances ne sont pas les mêmes, mais elles sont toutes de l'ordre de 10 à 10 m, c'est-à-dire très petit.

voir également

1. Kikoin A.K. Masse et quantité de matière, ou À propos d'une « erreur » de Newton // Quantique. - 1984. - N° 10. - P. 26-27
2. Kikoin A.K. Un moyen simple de déterminer la taille des molécules // Quantum. - 1983. - N°9. - P.29-30

Les molécules se déplacent de manière aléatoire

2) Les molécules sont en mouvement (thermique) aléatoire et continu.

Le type de mouvement thermique (de translation, de vibration, de rotation) des molécules dépend de la nature de leur interaction et change lorsqu'une substance passe d'un état d'agrégation à un autre. L'intensité du mouvement thermique dépend également de la température corporelle.

Donnons quelques preuves du mouvement aléatoire (chaotique) des molécules : a) le désir d'un gaz d'occuper tout le volume qui lui est fourni ; b) diffusion ; c) Mouvement brownien.

La diffusion

La diffusion- pénétration mutuelle spontanée des molécules des substances en contact, conduisant à une égalisation de la concentration de la substance dans tout le volume. Lors de la diffusion, les molécules des corps adjacents, étant en mouvement continu, pénètrent dans les espaces intermoléculaires les unes des autres et se répartissent entre elles.

La diffusion se manifeste dans tous les corps – gaz, liquides, solides, mais à des degrés divers.

La diffusion de gaz peut être détectée si, par exemple, un récipient contenant un gaz odorant est ouvert dans une pièce. Après un certain temps, le gaz se répandra dans toute la pièce.

La diffusion dans les liquides est beaucoup plus lente que dans les gaz. Par exemple, si vous versez d'abord une couche de solution de sulfate de cuivre dans un verre, puis ajoutez très soigneusement une couche d'eau et laissez le verre dans une pièce à température constante, après un certain temps, la frontière nette entre la solution de sulfate de cuivre et l'eau disparaîtra, et après quelques jours les liquides se mélangeront.

La diffusion dans les solides se produit encore plus lentement que dans les liquides (de plusieurs heures à plusieurs années). On ne peut l'observer que dans des corps bien polis, lorsque les distances entre les surfaces des corps polis sont proches de la distance intermoléculaire (10 -8 cm). Dans ce cas, le taux de diffusion augmente avec l’augmentation de la température et de la pression.

Jeux de diffusion grand rôle dans la nature et la technologie. Dans la nature, grâce à la diffusion par exemple, les plantes se nourrissent du sol. Le corps humain et animal absorbe à travers les parois du tube digestif nutriments. En technologie, par diffusion par exemple, la couche superficielle des produits métalliques est saturée de carbone (cémentation), etc.

• Un type de diffusion est osmose- pénétration des liquides et solutions à travers une cloison poreuse semi-perméable.

mouvement brownien

Le mouvement brownien a été découvert en 1827 par le botaniste anglais R. Brown, la justification théorique du point de vue du MKT a été donnée en 1905 par A. Einstein et M. Smoluchowski.

mouvement brownien- c'est le mouvement aléatoire de minuscules particules solides « en suspension » dans des liquides (gaz).

Les particules « en suspension » sont des particules dont la densité de substance est comparable à la densité du milieu dans lequel elles se trouvent. Ces particules sont en équilibre et la moindre influence extérieure entraîne leur mouvement.

Le mouvement brownien est caractérisé par les éléments suivants :

Les causes du mouvement brownien sont :

1. thermique mouvement chaotique les molécules du milieu dans lequel se trouve la particule brownienne ;
2. l'absence de compensation complète des impacts des molécules du milieu sur cette particule de différents côtés, puisque le mouvement des molécules est aléatoire.

Lorsque des molécules liquides en mouvement entrent en collision avec des particules solides, elles leur transfèrent une certaine quantité de mouvement. Par hasard, une particule heurtera sensiblement une particule d’un côté. plus grand nombre molécules les unes que les autres, et la particule commencera à se déplacer.

• Si la particule est suffisamment grosse, alors le nombre de molécules qui l'attaquent de tous côtés est extrêmement grand, leurs impacts sur chacune ce moment sont compensées, et une telle particule reste pratiquement immobile.

voir également

1. Bronstein, député Comment l'atome a été pesé // Quantique. - 1970. - N° 2. - P. 26-35

Les particules interagissent

3) Les particules d'une substance sont reliées les unes aux autres par des forces d'interaction moléculaire - attraction et répulsion.

Entre les molécules d’une substance, des forces attractives et répulsives agissent simultanément. Ces forces dépendent largement des distances entre les molécules. D'après des données expérimentales et recherche théorique les forces d'interaction intermoléculaire sont inversement proportionnelles n- degré de distance entre les molécules :

\(~F_r \sim \pm \dfrac(1)(r^n),\)

où sont les forces d'attraction n= 7, et pour les forces répulsives n= 9 ÷ 15. Ainsi, la force répulsive change davantage lorsque la distance change.

Des forces attractives et répulsives existent entre les molécules. Il y a une certaine distance r 0 entre molécules, auquel les forces répulsives sont égales en ampleur aux forces attractives. Cette distance correspond à la position d'équilibre stable des molécules.

À mesure que la distance augmente r entre les molécules, les forces attractives et répulsives diminuent, et les forces répulsives diminuent plus rapidement et deviennent inférieures aux forces attractives. La force qui en résulte (attraction et répulsion) tend à rapprocher les molécules de leur état d’origine. Mais, partant d'une certaine distance r m, l'interaction des molécules devient si petite qu'elle peut être négligée. Distance la plus longue r m sur lequel les molécules interagissent encore est appelé rayon d'action moléculaire (r m ~ 1,57·10 -9 m).

À mesure que la distance diminue r entre les molécules, les forces attractives et répulsives augmentent, et les forces répulsives augmentent plus rapidement et deviennent supérieures aux forces attractives. La force résultante tend désormais à éloigner les molécules les unes des autres.

Preuve de l'interaction de force des molécules :

a) déformation des corps sous l'influence d'une force ;

b) préservation de la forme par les corps solides (forces d'attraction) ;

c) la présence d'espaces entre les molécules (forces répulsives).

*Graphique de projection des forces d'interaction

L'interaction de deux molécules peut être décrite à l'aide d'un graphique de la projection de la résultante F r forces d'attraction et de répulsion des molécules à distance r entre leurs centres. Dirigons l'axe rà partir d'une molécule 2 , dont le centre coïncide avec l'origine des coordonnées, à une distance de celle-ci r 1 au centre de la molécule 2 (Fig. 3, a).

Différences dans la structure des gaz, des liquides et des solides

Dans différents états d'agrégation d'une substance, la distance entre ses molécules est différente. D'où la différence dans l'interaction des forces des molécules et une différence significative dans la nature du mouvement des molécules de gaz, liquides et solides.

DANS des gaz les distances entre les molécules sont plusieurs fois supérieures aux dimensions des molécules elles-mêmes. En conséquence, les forces d’interaction entre les molécules de gaz sont faibles et l’énergie cinétique du mouvement thermique des molécules dépasse de loin l’énergie potentielle de leur interaction. Chaque molécule se déplace librement par rapport aux autres molécules à des vitesses énormes (des centaines de mètres par seconde), changeant de module de direction et de vitesse lors d'une collision avec d'autres molécules. Longueur du trajet libre λ les molécules de gaz dépendent de la pression et de la température du gaz. À conditions normales λ ~ 10-7 m.

DANS solides les forces d'interaction entre les molécules sont si grandes que l'énergie cinétique de mouvement des molécules est bien inférieure à l'énergie potentielle de leur interaction. Les molécules effectuent des vibrations continues de faible amplitude autour d'une certaine position d'équilibre constante - un nœud du réseau cristallin.

Le temps pendant lequel une particule oscille autour d’une position d’équilibre est temps " vie sédentaire» particules- en solides est très élevé. Par conséquent, les solides conservent leur forme et ne s’écoulent pas dans conditions normales. La durée de « vie stable » d’une molécule dépend de la température. Près du point de fusion, elle est d'environ 10 –1 – 10 –3 s, à plus basses températures peut durer des heures, des jours, des mois.

DANS liquides la distance entre les molécules est beaucoup plus petite que dans les gaz et approximativement la même que dans les solides. Les forces d’interaction entre les molécules sont donc importantes. Molécules liquides, comme les molécules solide, oscillent autour d’une certaine position d’équilibre. Mais l’énergie cinétique du mouvement des particules est proportionnelle à énergie potentielle leurs interactions, et les molécules se déplacent plus souvent vers de nouvelles positions d'équilibre (le temps de « vie stable » est de 10-10-10-12 s). Ceci explique la fluidité du liquide.

voir également

1. Kikoin A.K. Sur les états agrégés de la matière // Quantique. - 1984. - N° 9. - P. 20-21

Littérature

Aksenovich L. A. Physique à lycée: Théorie. Tâches. Tests : Manuel. allocation pour les établissements dispensant un enseignement général. environnement, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino ; Éd. KS Farino. - Mn. : Adukatsiya i viakhavanne, 2004. - P. 119-126.