Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества

Предположение о том, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, было высказано около 2500 лет назад древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом. По их представлениям все тела образуются в результате соединения атомов. Различия в свойствах тел объясняются тем, что тела состоят из различных атомов или одинаковые атомы по-разному соединены между собой в пространстве. Существенный вклад в развитие молекулярно-кинетических представлений сделал в середине XVIII в. великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765). Он объяснил основные свойства газа, предположив, что все молекулы газа движутся беспорядочно, хаотично и при столкновениях отталкиваются друг от друга. Беспорядочным движением молекул М. В. Ломоносов впервые объяснил природу теплоты. В начале XIX столетия английский ученый Д. Дальтон[24] показал, что многие закономерности явлений природы можно объяснить, используя представления об атомах и молекулах, и научно обосновал молекулярное строение вещества. К началу ХХ столетия была окончательно создана и подтверждена множеством опытов молекулярно-кинетическая теория строения вещества.

Молекулярно-кинетической теорией (МКТ) называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов.

Молекула — мельчайшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его основные химические свойства.

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы — мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства.

Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов и их изотопов. Атомы представляют собой весьма сложные образования, но классическая MKT использует модель атомов в виде твердых неделимых частичек сферической формы. Полагается, что движение атомов и молекул, их взаимодействия подчиняются законам механики. Это позволяет использовать законы механики для выяснения свойств тел, состоящих из большого числа хаотически движущихся малых частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и зондовый микроскопы) удалось получить изображения молекул. Приблизительные линейные размеры атома: r 10^-10 м, масса m 10^-26 – 10^-25 кг.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул

является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис. 109). Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.

Рис. 109.

Траектория броуновской частицы.

3. Между частицами вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Эти силы действуют на небольших расстояниях.

При сближении двух атомов или молекул сначала преобладают силы притяжения. Но на некотором расстоянии r₀ между их центрами силы отталкивания возрастают настолько, что становятся равными по модулю силам притяжения. При дальнейшем сближении силы отталкивания превосходят силы притяжения.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

· Диффузия

· Броуновское движение

· Изменение агрегатных состояний вещества.

На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.

1.4. Число степеней свободы молекул

В механике вводилось понятие числа степеней свободы: это число независимых переменных (координат), которые полностью определяют положение системы в пространстве.

Молекула одноатомного газа, которую можно рассматривать как материальную точку (рис. 110 а), имеет три поступательные степени свободы і = 3, так как для описания положения такой молекулы газа в пространстве достаточно трёх координат (х, у, z). При этом не учитывается энергия вращательного движения.

В механике молекула двухатомного газа в первом приближении считается совокупностью двух материальных точек, которые жестко связанны недеформируемой связью (рис. 110, б). Жесткой связью называется связь, при которой расстояние между атомами не изменяется. Двухатомные молекулы с жесткой связью (N₂, O₂, Н₂) имеют i_пост. =3 поступательные степени свободы и i_вр. = 2 вращательные степени свободы: i = i_пост +i_вр = 3 + 2=5.

У трехатомной (рис. 110, в) и многоатомной нелинейной молекулы шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных. Поступательные степени свободы связаны с движением молекулы как целого в пространстве, вращательные -–с поворотом молекулы как целого. Вращение относительного осей координат x и z приведет к изменению положения молекул в пространстве, при вращении относительно оси у молекула не изменяет своё положение. Трехатомная молекула с жёсткой связью обладает 6 степенями свободы (i_пост = 3; i_вр = 3):

i = i_пост +i_вр = 3 + 3 = 6.

Естественно считать, что жесткой связи между атомами не существует. Поэтому необходимо учитывать для реальных молекул также степени свободы колебательного движения. Если связь между атомами не жесткая, то добавляются колебательные степени свободы. Для нелинейной молекулы і_кол. = 3N -–6, где N -–число атомов в молекуле.

Мы будем рассматривать молекулы с жесткой связью, поэтому :

.

Рис. 110.