Движение молекул

Физика | Эта статья также находится в списках: , , , | Постоянная ссылка

Движение молекул Чем отличается горячее тело от холодного? На этот вопрос еще совсем недавно, вплоть до начала XIX в., отвечали так: горячее тело содержит больше теплорода (или теплотвора), чем холодное.

Совершенно так же, как суп более соленый, если содержит больше соли. Ну а что такое теплород? На это следовал ответ: «Теплород— это тепловая материя, это элементарный огонь». Таинственно и непонятно.

Наряду с теорией теплорода уже давно существовал другой взгляд на природу теплоты. Его отстаивали многие выдающиеся ученые XVI—XVIII столетий. Френсис Бэкон в своей книге «Novum Organum» писал: «…

сама теплота в своей сущности есть не что иное, как движение… теплота состоит в переменном движении мельчайших частей тела». Роберт Гук в книге «Микрография» говорил: «…теплота есть непрерывное движение частей тела…

нет такого тела, частички которого были бы в покое». Особенно отчетливые высказывания такого рода мы находим у Ломоносова в его работе «Размышление о причине теплоты и холода». В этом сочинении отрицается существование теплорода и говорится, что «теплота состоит во внутреннем движении частичек материи».

Очень образно говорил Румфорд в конце XVIII в.: «…тело тем горячее, чем интенсивнее движутся частички, из которых оно построено, подобно тому как колокол звучит тем громче, чем сильнее он колеблется». В этих замечательных догадках, намного опередивших свое время, кроются основы наших современных взглядов на природу теплоты. Бывают иногда тихие ясные дни. Листочки на деревьях замерли, даже легкая рябь не возмутит водной глади. Все окружающее застыло в строгой торжественной неподвижности. Покоится видимый мир. Но что при этом происходит в мире атомов и молекул?

Физика наших дней может много рассказать об этом. Никогда, ни при каких условиях не прекращается невидимое движение частичек, из которых построен мир. Почему же мы не видим всех этих движений? Частицы движутся, а тело покоится.

Как это может быть? Не приходилось ли вам когда-либо наблюдать рой мошек? В безветренную погоду рой как бы висит в воздухе. А внутри роя идет интенсивная жизнь.

Сотни насекомых мечутся вправо и влево, вверх и вниз, а весь рой, тем не менее, остается на месте, не меняя своей формы. Невидимые движения атомов и молекул в теле носят такой же хаотический, беспорядочный характер. Если какие-то молекулы ушли из некоторого объема, то на их место поступили другие. А так как новые пришельцы ничуть не отличаются от ушедших молекул, то тело остается все тем же. Беспорядочное, хаотическое движение частиц не меняет свойств видимого мира. Но что же заставляет двигаться атомы и молекулы?

Ответ прост и полон глубокого смысла: ничто. Хаотическое движение — это неотъемлемое свойство любой частицы мироздания. «Однако не пустой ли это разговор?

— может спросить нас читатель.— Ведь никто не видел вечного теплового движения частичек вещества». Доказательство теплового движения частичек можно получить с помощью самого скромного микроскопа. Более ста лет назад английский ботаник Броун, рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Ботаник заинтересовался: какие силы заставляют частички двигаться?

Может быть, это какие-то живые существа? Ученый i решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно, неживые частички тоже не находились в покое; они были охвачены непрерывным хаотическим движением. Чем меньше были взвешенные частички, тем быстрее они двигались.

Долго смотрел он в микроскоп, но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Движение взвешенных частиц, которое наблюдал Броун, происходит под воздействием теплового движения молекул воды. Прямыми опытами можно показать, что интенсивность теплового движения зависит от температуры.

Нагреем тело — частички убыстрят свой вечный ход, охладим — темп движения замедлится. Тепловое движение присуще большим и малым частичкам, сгусткам молекул, отдельным молекулам и атомам. Как построены молекулы Молекулы состоят из атомов. Атомы связаны в молекулы силами, которые называют химическими. Существуют молекулы, состоящие из двух, трех, четырех и более атомов.

Наиболее крупные молекулы — молекулы белков — состоят из десятков и даже сотен тысяч атомов. Царство молекул обладает исключительным разнообразием. Уже сейчас химики выделили из природных веществ и создали в лабораториях около миллиона веществ, построенных из разных молекул. Свойства молекул определяются не только тем, сколько атомов того или иного сорта участвует в их постройке, но и тем, в каком порядке и в какой конфигурации они соединены. Молекула — это не груда кирпичей, а сложная архитектурная постройка, где каждый кирпич имеет свое место и своих вполне определенных соседей.

Атомная постройка, образующая молекулу, может быть в большей или меньшей степени «жесткой». Во всяком случае, каждый атом совершает колебание около своего положения равновесия. В некоторых случаях одни части молекулы могут вращаться по отношению к другим частям, придавая свободной молекуле в процессе ее теплового движения различные и самые причудливые формы.

Находясь на больших расстояниях, атомы притягиваются друг к другу. Сила взаимодействия весьма быстро уменьшается с расстоянием и становится ничтожно малой уже на относительно небольших расстояниях. При сближении сила притяжения возрастает и достигает своего наибольшего значения уже тогда, когда атомы подойдут друг к другу очень близко. При еще большем сближении притяжение ослабевает и, наконец, на каком-то расстоянии исчезает совсем.

Это расстояние называется равновесным. При сближении атомов до расстояний, меньших равновесного, возникают силы отталкивания, которые очень резко нарастают, и дальнейшее уменьшение расстояния становится практически невозможным. Взаимодействие атомов или других частиц можно представить графически особой кривой, которую называют кривой взаимодействия или потенциальной кривой (точное название — кривая потенциальной энергии). Смысл ее легко понять, сравнивая эту кривую с профилем вырытой в земле ямы. Если в такую яму вкатить мячик, то он расположится на дне. Дно ямы соответствует минимуму потенциальной энергии. В этом положении действующие на мячик силы уравновешиваются.

Разумеется, мячик не может находиться в равновесии, когда он лежит на краю ямы. В таком положении на мячик действует сила, которая велика в тех точках, где край ямы крутой, и мала там, где край ямы пологий. По мере подъема мячика растет его потенциальная энергия, равная, как известно из механики, произведению веса на высоту подъема. Таким образом, по виду профиля ямы можно сразу же сказать, чему равны потенциальная энергия и действующая на тело сила для каждой точки профиля.

Именно эти сведения и нужны для того, чтобы можно было охарактеризовать взаимодействие частиц. Каждая точка кривой потенциальной энергии двухатомной молекулы показывает значение потенциальной энергии для того или иного межатомного расстояния. Расстояние отложено по горизонтальной оси, и началу отсчета соответствует невозможное положение — нулевое межатомное расстояние.

Кривая имеет характерный ход для атомов разных сортов — сначала идет вниз, затем изгибается, образуя «яму», и потом более постепенно становится параллельно горизонтальной оси, по которой отложено расстояние между атомами. Мы знаем, что устойчиво то состояние, в котором потенциальная энергия имеет наименьшее значение. Когда атом входит в состав молекулы, он «сидит» в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия. Положению равновесия соответствует дно ямы. Поэтому расстояние от дна ямы до начала отсчета называют равновесным. На этом расстоянии расположились бы атомы, если бы прекратилось тепловое движение.

Равновесные расстояния (ниже мы будем говорить коротко — расстояния) между атомами различны для разных видов атомов. Кроме расстояния от начала отсчета до дна ямы, различного для разных атомов, важное значение имеет глубина ям. Глубина ямы имеет простой смысл: чтобы выкатиться из ямы, нужна энергия, по крайней мере равная глубине. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц. Расстояния между атомами в молекулах столь малы, что для их измерения пришлось выбрать и подходящие единицы. Иначе пришлось бы выражать их значения в таком виде: 0,0000000121 см (это мы записали цифру, выражающую расстояние между атомами в молекуле кислорода).

Единица, особенно удобная для описания атомного мира, называется ангстремом (правда, фамилия шведского ученого, именем которого названа эта единица, правильно читается Онгстрем; для напоминания об этом над буквой А поставлен значок: ); т. е. одной стомиллионной доле сантиметра. Расстояние между атомами, входящими в состав молекул, лежат в пределах от 1 до 4 ангстрем. Записанное выше в сантиметрах равновесное расстояние для кислорода равно 1,21 . Межатомные расстояния, как вы видите, очень малы. Если опоясать земной шар по экватору веревкой, то длина этого «пояса» во столько же раз будет больше ширины вашей ладони, во сколько раз ширина ладони больше расстояния между атомами в молекуле.

Для измерения энергии связи атомов пользуются обычно калориями, но относят их не к одной молекуле, что дало бы, разумеется, ничтожную цифру, а к грамм-молекуле, т. е. к числу граммов, равному относительному молекулярному весу. Энергия связи атомов в молекуле, как и межатомные расстояния, колеблется в незначительных пределах. Для того же кислорода энергия связи равна 116 тыс. калорий на моль, для водорода — 103 тыс. калорий на моль, и т. д. Энергию связи, приходящуюся на одну молекулу, получим, разделив эти величины на 6,023*1023 (число Авогадро).

Конечно, здесь получаются ничтожные числа порядка 10*-19 калорий. Мы уже говорили о том, что атомы в молекулах располагаются вполне определенным образом друг по отношению к другу, образуя в сложных случаях весьма замысловатые постройки. Приведем. несколько простых примеров.

Молекулы из трех атомов бывают линейные (все три атома расположены в ряд) и уголковые (связи между атомами образуют тупой угол). Линейной является молекула СО2 — углекислого газа, а уголковой (угол 105°) — молекула воды Н2 О. В молекуле аммиака NH3 атом азота находится в вершине трехгранной пирамиды, в молекуле метана СН4 атом углерода находится в центре четырехгранной фигуры с равными сторонами, которая называется тетраэдром. Атомы углерода в молекуле бензола С6 Н6 образуют правильный шестиугольник. Связи атомов углерода с водородом идут под углом 120°. Все атомы расположены в одной плоскости.

Физика | Эта статья также находится в списках: , , , | Постоянная ссылка
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника