Доказательства существования атомов и молекул. Откуда мы знаем, что все состоит из атомов? Похожие работы на - Теория броуновского движения и экспериментальное доказательство реального существования атомов и молекул

Горы, звезды, люди - все, что мы видим вокруг, состоит из крошечных атомов. Атомы маленькие. Очень и очень. С детства мы знаем, что все вещество состоит из скоплений этих крошечных штучек. Также мы знаем, что их нельзя увидеть невооруженным глазом. Мы вынуждены слепо верить этим заявлениям, не имея возможности проверить. Атомы взаимодействуют друг с другом и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это знаем? Многие не любят принимать утверждения ученых за чистую монету. Давайте вместе с наукой пройдем путь от осознания атомов до непосредственного доказательства их существования.

Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: засунуть их под микроскоп. Но этот подход не сработает. Даже самые мощные микроскопы, фокусирующие свет, не могут визуализировать один атом. Объект становится видимым, поскольку отражает световые волны. Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что они вовсе не взаимодействуют. Иными словами, атомы невидимы даже для света. Однако атомы все же оказывают наблюдаемые эффекты на некоторые вещи, которые мы можем увидеть.

Сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхауж изучал странное явление, которое не мог понять. Мельчайшие частицы угольной пыли шныряли на поверхности какого-то спирта в его лаборатории.

50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун описал нечто удивительно похожее. Изучая пыльцевые гранулы под микроскопом, Броун обнаружил, что некоторые гранулы испускают крошечные частицы - которые затем удалялись от пыльцы в случайном нервном танце.

Сначала Броун подумал, что частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими субстанциями, вроде каменной пыли, которая явно была неживой, и снова увидел странное движение.

Потребовалось почти сто лет, чтобы наука нашла объяснение. Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предсказывала тот самый особенный тип движения - тогда названный броуновским движением, в честь Роберта Броуна. Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых гранул постоянно перемещались, поскольку в них врезались миллионы крошечных молекул воды - молекул, состоящих из атомов.

«Он объяснил, что это нервное движение, которое вы наблюдаете, на самом деле вызывалось воздействием отдельных молекул воды на частички пыли или что там у вас есть», - объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, также куратор Музея науки в Лондоне.

К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, показали, что атомы реальны. За десять лет физики существенно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.

Сюрпризом стало то, что атомы можно разделить - особенно в свете того, что само название «атом» вышло из греческого «атомос», означающего «неделимый». Но физики теперь знают, что атомы далеко не базовые кирпичи. Они состоят из трех основных частей: протонов, нейтронов и электронов. Представьте, что протоны и нейтроны вместе образуют «солнце», или ядро, в центре системы. Электроны находятся на орбите этого ядра, подобно планетам.

Если атомы невообразимо малы, то эти субатомные частицы и вовсе. Забавно, но первой обнаружили самую малую частицу из трех - электрон. Чтобы понять разницу размеров, имейте в виду, что протоны в ядре в 1830 раз больше электрона. Представьте себе чупа-чупс на орбите воздушного шара - несоответствие будет примерно таким.

Но как мы узнали, что эти частицы там? Ответ в том, что они хоть и маленькие, но имеют большое влияние. Британский физик Томсон, открывший электроны, использовал прекрасный метод, чтобы доказать их существование в 1897 году.

У него была трубка Крукса - кусок стекла смешной формы, из которого машиной был высосан почти весь воздух. К одному концу трубки подводили отрицательный электрический заряд. Этого заряда было достаточно, чтобы выбить у молекул оставшегося в трубке газа часть электронов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому летели к другому концу трубки. Благодаря частичному вакууму, электроны пролетали через трубку, не встречая на своем пути крупные атомы.

Электрический заряд приводил к тому, что электроны двигались очень быстро - порядка 59 500 километров в секунду - пока не врезались в стекло на дальнем конце, выбивая еще больше электронов, которые прятались в его атомах. Удивительно, но столкновение между этими умопомрачительно крошечными частицами производило столько энергии, что порождало фантастическое зелено-желтое свечение.

«Это был в некотором смысле один из первых ускорителей частиц, - говорит Клифф. - Он ускоряет электроны на одном конце трубки к другому, и они врезаются в экран на другом конце, производя фосфоресцирующее свечение».

Поскольку Томсон обнаружил, что может управлять пучками электронов с помощью магнитов и электрических полей, он знал, что это были не просто странные лучи света, - это были заряженные частицы.

И если вам интересно, как эти электроны могут летать независимо от своих атомов, то это благодаря процессу ионизации, в котором - в данном случае - электрический заряд меняет структуру атома, выбивая электроны в пространство поблизости.

В частности, благодаря тому что электронами так просто манипулировать и двигать, стали возможны электрические схемы. Электроны в медном проводе движутся подобно поезду от одного атома меди к другому - потому-то провод передается по проводу. Атомы, как мы уже сказали, это не цельные кусочки вещества, а системы, которые можно модифицировать или разобрать на структурные элементы.

Открытие электрона показало, что нужно узнать об атомах побольше. Работа Томсона показала, что электроны отрицательно заряжены - но он знал, что атомы сами по себе не имеют общего заряда. Он предположил, что они должны содержать загадочные положительно заряженные частицы, чтобы компенсировать отрицательно заряженные электроны.

Начала 20 века выявили эти положительно заряженные частицы и в то же время раскрыли внутреннюю структуру атома - похожую на солнечную систему.

Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли очень тонкую металлическую фольгу и поставили ее под луч положительно заряженного излучения - поток крошечных частиц. Большая часть мощного излучения прошла насквозь, как и полагал Резерфорд, учитывая толщину фольги. Но, к удивлению ученых, часть его отскочила.

Резерфорд предположил, что атомы в металлической фольге должны содержать небольшие плотные области с положительным зарядом - ничто иное не обладало бы достаточным потенциалом, чтобы отразить такое мощное излучение. Он обнаружил положительные заряды в атоме - и одновременное доказал, что все они связаны в плотной массе, в отличие от электронов. Другими словами, он продемонстрировал существование плотного ядра в атоме.

Оставалась проблема. К тому моменту уже могли рассчитать массу атома. Но учитывая данные о том, какими тяжелыми должны были быть частицы ядра, идея того, что все они положительно заряжены, не имела смысла.

«Углерод имеет шесть электронов и шесть протонов в ядре - шесть положительных зарядов и шесть отрицательных зарядов, - объясняет Клифф. - Но ядро углерода не весит шесть протонов, оно весит эквиваленту 12 протонов».

Сначала предположили, что в ядре есть шесть других ядерных частиц с массой протона, но заряженных отрицательно: нейтроны. Но никто не смог это доказать. На самом деле, нейтроны не могли найти до 1930-х годов.

Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пытался открыть нейтрон. Он работал над этой теорией много лет. В 1932 году ему удалось осуществить прорыв.

За несколько лет до этого другие физики экспериментировали с радиацией. Они запускали положительно заряженное излучение - того типа, который использовал Резерфорд в поисках ядра - в атомы бериллия. Бериллий испускал собственную радиацию: излучение, которое не было заряжено положительно или отрицательно и могло проникать глубоко в материал.

К этому времени другие выяснили, что гамма-излучение было нейтральным и проникало глубоко, поэтому физики считали, что именно его испускают атомы бериллия. Но Чедвик так не считал.

Он самостоятельно произвел новое излучения и направил его на вещество, которое, как он знал, было богатым на протоны. Неожиданно оказалось, что протоны были выбиты из материала словно бы частицами с идентичной массой - будто шарики для бильярда другими шариками.

Гамма-излучение не может отражать протоны таким образом, поэтому Чедвик решил, что искомые частицы должны иметь массу протона, но другой электрический заряд: и это нейтроны.

Все основные частицы атома были найдены, но на этом история не заканчивается.

Хотя мы узнали об атомах много больше, чем знали раньше, их было трудно визуализировать. В 1930-х годах никто не располагал их снимками - и многие люди хотели их увидеть, чтобы принять их существование.

Важно отметить, впрочем, что методы, используемые учеными вроде Томсона, Резерфорда и Чедвика, проложили путь к новому оборудованию, которое в конце концов помогло нам произвести эти снимки. Пучки электронов, которые Томсон генерировал в своем эксперименте с трубкой Крукса, оказались особенно полезными.

Сегодня подобные пучки генерируются электронными микроскопами, и самый мощный из таких микроскопов может на самом деле делать снимки отдельных атомов. Это потому, что электронный пучок обладает длиной волны в тысячи раз короче пучка света - настолько короткой, по сути, что волны электронов могут отражаться от крошечных атомов и выдавать картинку, чего не могут световые пучки.

Нил Скиппер из Университетского колледжа в Лондоне говорит, что такие изображения полезны для людей, которые хотят изучать атомную структуру специальных веществ - вроде тех, что используются в производстве батарей для электромобилей, к примеру. Чем больше мы знаем об их атомной структуре, тем лучше нам удается проектировать батареи, делать их эффективными и надежными.

Можно также понять, как выглядят атомы, просто тыкнув в них. Так, по сути, работает атомно-силовая микроскопия.

Идея в том, чтобы поднести кончик чрезвычайно малого зонда к поверхности молекулы или вещества. При достаточной близости зонд будет чувствителен к химической структуре того, на что указывает, и изменение сопротивления по мере движения зонда позволит ученым произвести снимки, к примеру, отдельной молекулы.

Скиппер добавляет, что многие атомные ученые исследуют, как структура вещей меняется при воздействии высокого давления или температуры. Большинство людей знает, что когда вещество нагревается, оно часто расширяется. Теперь можно обнаружить атомные изменения, которые происходят при этом, что зачастую оказывается полезным.

«При нагревании жидкости можно заметить, как ее атомы принимают неупорядоченную конфигурацию, - говорит Скиппер. - Вы можете увидеть это непосредственно из структурной карты».

Скиппер и другие физики также могут работать с атомами, используя нейтронные пучки, впервые обнаруженые Чедвиком в 1930-х.

«Мы запускаем много пучков нейтронов в образцы материалов, и из возникающего паттерна рассеяния можно понять, что вы рассеиваете нейтроны в ядрах, - говорит он. - Можно грубо прикинуть массу и размер объекта, который просвечивался».

Но атомы не всегда просто находятся там, в стабильном состоянии, ожидая, пока их изучат. Иногда они распадаются - то есть являются радиоактивными.

Существует множество естественных радиоактивных элементов. Этот процесс генерирует энергию, которая легла в основу ядерной энергетики - и ядерных бомб. Физики-ядерщики, как правило, пытаются лучше понять реакции, при которых ядро проходит через фундаментальные изменения вроде этих.

Лаура Харкнесс-Бреннан из Ливерпульского университета специализируется на изучении гамма-лучей - типа излучения, испускаемого распадающимися атомами. Радиоактивный атом определенного типа испускает особую форму гамма-луча. Это значит, вы можете идентифицировать атомы, только регистрируя энергию гамма-лучей - этим, собственно, Харкнесс-Бреннан и занимается в своей лаборатории.

«Типы детекторов, которые вы должны использовать, представлены детекторами, которые позволят вам измерять одновременно присутствие излучения и энергии радиации, которая была отложена, - говорит она. - Все потому, что у всех ядер есть особый отпечаток».

Поскольку в области, где была обнаружена радиация, могут присутствовать все типы атомов, особенно после крупной ядерной реакции, важно точно знать, какие радиоактивные изотопы присутствуют. Такое обнаружение обычно проводится на ядерных станциях или в зонах, где произошла ядерная катастрофа.

Харкнесс-Бреннан и ее коллеги сейчас работают над системами обнаружения, которые можно разместить в таких местах, чтобы показать в трех измерениях, где может присутствовать радиация в конкретном помещении. «Вам нужны техники и инструменты, которые позволят составить трехмерную карту пространства и подскажут, где в этой комнате, в этой трубе радиация», - говорит она.

Также можно визуализировать излучение в «камере Вильсона». В рамках этого специального эксперимента охлажденный до -40 градусов по Цельсию спиртовый пар распыляется облаком над радиоактивным источником. Заряженные частицы радиации, летящие от источника излучения, выбивают электроны из молекул спирта. Спирт конденсируется в жидкость рядом с дорожкой излучаемых частиц. Результаты такого типа обнаружения впечатляют.

Мы мало работали непосредственно с атомами - разве что поняли, что это прекрасные сложные структуры, которые могут претерпевать удивительные изменения, многие из которых происходят в природе. Изучая атомы таким образом, мы улучшаем собственные технологии, извлекаем энергию из ядерных реакций и лучше понимаем природный мир вокруг нас. Мы также получили возможность защищать себя от радиации и изучать, как меняются вещества в экстремальных условиях.

«Учитывая, насколько мал атом, просто невероятно, как много физики мы можем извлечь из него», - метко подмечает Харкнесс-Бреннан. Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих мельчайших частиц. И хорошо знать, что они там есть, поскольку именно благодаря им все вокруг стало возможным.

По материалам BBC

Основные положения молекулярно-кинетической теории.

1). Любое вещество имеет дискретное (прерывистое) строение. Оно состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов, разделенных между собой промежутками. Молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами данного вещества. Атомы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами химических элементов, входящих в состав данного вещества.

2). Молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, называемого тепловым. При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Степень нагретости тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул этого тела.

3). Между молекулами в процессе их взаимодействия возникают силы притяжения и отталкивания.

Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетической теории

Наличие у веществ проницаемости, сжимаемости и растворимости свидетельствует о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и ионный микроскопы) удалось получить изображения наиболее крупных молекул.

Наблюдения броуновского движения и диффузии частиц показали, что молекулы находятся в непрерывном движении.

Наличие прочности и упругости тел, смачиваемости, прилипания, поверхностного натяжения в жидкостях и т. д. - все это доказывает существование сил взаимодействия между молекулами.

Броуновское движение.

В 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что крупинки пыльцы непрерывно хаотически движутся. Беспорядочное движение взвешенных в жидкости очень маленьких частиц твердого тела и получило название броуновского движения. Было установлено, что броуновское движение происходит неограниченно долго. Интенсивность движения взвешенных в жидкости частиц не зависит от вещества этих частиц, а зависит от их размеров. Крупные частицы остаются неподвижными. Интенсивность броуновского движения увеличивается при повышении температуры жидкости и уменьшается при ее понижении. Взвешенные в жидкости частицы движутся под действием молекул жидкости, которые сталкиваются с ними. Молекулы движутся хаотично, поэтому силы, с которыми они действуют на взвешенные частицы, непрерывно изменяются по модулю и направлению. Это и приводит к беспорядочному движению взвешенных частиц. Таким образом, броуновское движение наглядно подтверждает существование моле­кул и хаотический характер их теплового движения. (Количественную теорию броуновского движения разработал в 1905 г. Эйнштейн.)

Диффузией называют явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул граничащих между собой веществ в межмолекулярные промежутки друг друга. (Диффузию, происходящую через полупроницаемые перегородки, называют осмосом.) Примером диффузии в газах является распространение запахов. В жидкостях наглядным проявлением диффузии является перемешивание против действия силы тяжести жидкостей разной плотности (при этом молекулы более тяжелой жидкости поднимаются вверх, а более легкой - опускаются вниз). Диффузия происходит и в твердых телах. Это доказывает та­кой опыт: две отполированные плоские пластинки из золота и свинца, положенные друг на друга, выдерживались при комнатной температуре в течение 5 лет. За это время пластинки срослись, образовав единое целое, причем молекулы золота проникли в свинец, а молекулы свинца - в золото на глубину до 1 см. 1 Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры. С повышением температуры скорость диффузии возрастает, а с понижением - уменьшается.

Размеры и масса молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают следующим образом. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния. Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы и обозначают о (при этом условно считают, что молекулы имеют сферическую форму). За исключением молекул органических веществ, содержащих очень большое число атомов, большинство молекул по порядку величины имеют диаметр 10 -10 м и массу 10 -26 кг.

Относительная молекулярная масса

Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана 1/12 часть массы атома углерода (т. е. пользуются углеродной шкалой атомных масс). Относительной молекулярной (или атомной ) массой М r (или А r ) вещества называют величину, равную отношению массы молекулы (или атома) этого вещества к 1/12 массы атома углерода 12 С. Относительная молекулярная (атомная) масса является величиной, не имеющей размерности. Относительная атомная масса каждого химического элемента указана в таблице Менделеева. Если вещество состоит из молекул, образованных из атомов различных химических элементов, относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав данного вещества.

Количество вещества

Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул в этом теле (или числом атомов). Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в этом теле с числом атомов в 0,012 кг углерода. Иными словами, количеством вещества v называют величину, равную отношению числа молекул (или атомов) N в данном теле к числу атомов N A в 12 г углерода, т. е.

v = N/N A . Количество вещества выражают в молях. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Постоянная Авогадро. Молярная масса

Согласно определению понятия моль, в 1 моль любого вещества содержится одинаковое число молекул или атомов. Это число N A , равное числу атомов в 0,012 кг (т. е. в 1 моль) углерода, называют постоянной Авогадро. Молярной массой М какого-либо вещества называют массу 1 моль этого вещества . Молярную массу вещества выражают в килограммах на моль.

Количество вещества можно найти как

Массу одной молекулы можно найти как или учитывая что относительная молекулярная масса числена равна массе одной молекулы выраженной в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,66×10 -27 кг).

1. Основные положения МКТ. Доказательство существования молекул. Размеры и масса молекул.

Основные положения молекулярно-кинетической теории.

1). Любое вещество имеет дискретное (прерывистое) строение. Оно состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов, разделенных между собой промежутками. Молекулы являются наименьшими частицами, обладающими химическими свойствами данного вещества. Атомы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами химических элементов, входящих в состав данного вещества.

2). Молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, называемого тепловым. При нагревании вещества скорость теплового движения и кинетическая энергия его частиц увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Степень нагретости тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул этого тела.

3). Между молекулами в процессе их взаимодействия возникают силы притяжения и отталкивания.

^ Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетической теории

Наличие у веществ проницаемости, сжимаемости и растворимости свидетельствует о том, что они не сплошные, а состоят из отдельных, разделенных промежутками частиц. С помощью современных методов исследования (электронный и ионный микроскопы) удалось получить изображения наиболее крупных молекул.

Наблюдения броуновского движения и диффузии частиц показали, что молекулы находятся в непрерывном движении.

Наличие прочности и упругости тел, смачиваемости, прилипания, поверхностного натяжения в жидкостях и т. д. - все это доказывает существование сил взаимодействия между молекулами.

^ Броуновское движение.

В 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что крупинки пыльцы непрерывно хаотически движутся. Беспорядочное движение взвешенных в жидкости очень маленьких частиц твердого тела и получило название броуновского движения. Было установлено, что броуновское движение происходит неограниченно долго. Интенсивность движения взвешенных в жидкости частиц не зависит от вещества этих частиц, а зависит от их размеров. Крупные частицы остаются неподвижными. Интенсивность броуновского движения увеличивается при повышении температуры жидкости и уменьшается при ее понижении. Взвешенные в жидкости частицы движутся под действием молекул жидкости, которые сталкиваются с ними. Молекулы движутся хаотично, поэтому силы, с которыми они действуют на взвешенные частицы, непрерывно изменяются по модулю и направлению. Это и приводит к беспорядочному движению взвешенных частиц. Таким образом, броуновское движение наглядно подтверждает существование моле­кул и хаотический характер их теплового движения. (Количественную теорию броуновского движения разработал в 1905 г. Эйнштейн.)
Диффузией называют явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул граничащих между собой веществ в межмолекулярные промежутки друг друга. (Диффузию, происходящую через полупроницаемые перегородки, называют осмосом.) Примером диффузии в газах является распространение запахов. В жидкостях наглядным проявлением диффузии является перемешивание против действия силы тяжести жидкостей разной плотности (при этом молекулы более тяжелой жидкости поднимаются вверх, а более легкой - опускаются вниз). Диффузия происходит и в твердых телах. Это доказывает та­кой опыт: две отполированные плоские пластинки из золота и свинца, положенные друг на друга, выдерживались при комнатной температуре в течение 5 лет. За это время пластинки срослись, образовав единое целое, причем молекулы золота проникли в свинец, а молекулы свинца - в золото на глубину до 1 см. 1 Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и температуры. С повышением температуры скорость диффузии возрастает, а с понижением - уменьшается.

^ Размеры и масса молекул

Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают следующим образом. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния. Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы и обозначают о (при этом условно считают, что молекулы имеют сферическую форму). За исключением молекул органических веществ, содержащих очень большое число атомов, большинство молекул по порядку величины имеют диаметр 10 -10 м и массу 10 -26 кг.

^ Относительная молекулярная масса

Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана 1/12 часть массы атома углерода (т. е. пользуются углеродной шкалой атомных масс). Относительной молекулярной (или атомной ) массой М r (или А r ) вещества называют величину, равную отношению массы молекулы (или атома) этого вещества к 1/12 массы атома углерода 12 С. Относительная молекулярная (атомная) масса является величиной, не имеющей размерности. Относительная атомная масса каждого химического элемента указана в таблице Менделеева. Если вещество состоит из молекул, образованных из атомов различных химических элементов, относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав данного вещества.

^ Количество вещества

Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул в этом теле (или числом атомов). Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в этом теле с числом атомов в 0,012 кг углерода. Иными словами, количеством вещества v называют величину, равную отношению числа молекул (или атомов) N в данном теле к числу атомов N A в 12 г углерода, т. е.

v = N/N A . Количество вещества выражают в молях. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

^ Постоянная Авогадро. Молярная масса

Согласно определению понятия моль, в 1 моль любого вещества содержится одинаковое число молекул или атомов. Это число N A , равное числу атомов в 0,012 кг (т. е. в 1 моль) углерода, называют постоянной Авогадро. Молярной массой М какого-либо вещества называют массу 1 моль этого вещества . Молярную массу вещества выражают в килограммах на моль.

Количество вещества можно найти как

Массу одной молекулы можно найти как
или учитывая что относительная молекулярная масса числена равна массе одной молекулы выраженной в а.е.м. (1 а.е.м. = 1,6610 -27 кг).

^ 2. Строение газообразных, жидких и твердых тел

Существуют четыре агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое, газообразное и плазма.

Если минимальная потенциальная энергия W П молекул вещества много меньше средней кинетической энергии их теплового движения W K (т. е. W П > W K , то вещество находится в твердом состоянии.

В газах при не высоких давлениях и не низких температурах молекулы находятся друг от друга на расстояниях, во много раз превышающих их размеры. В таких условиях молекулы газа не связаны между собой межмолекулярными силами притяжения. Они хаотически поступательно движутся по всему объему, занимаемому газом. Взаимодействие молекул газа происходит только при их столкновении между собой и со стенками сосуда, в котором газ находится. Передача импульса при этих столкновениях обусловливает давление, производимое газом. Расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями, называют длиной свободного пробега молекул. Если молекулы газа состоят из двух или нескольких атомов, то при столкновении они приобретают вращательное движение. Таким образом, в газах молекулы совершают преимущественно поступательное и вращательное движение.

В жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их эффективным диаметром. Силы взаимодействия молекул друг с другом достаточно велики. Молекулы жидкости колеблются около временных положений равновесия. Однако в жидкостях W П ~ W K , поэтому, получив в результате хаотических столкновений избыток кинетической энергии, отдельные молекулы преодолевают притяжение соседних молекул и переходят в новые положения равновесия, вокруг которых вновь совершают колебательное движение. Время колебания молекул жидкости возле положений равновесия очень мало (порядка 10 -10 - 10 -12 с), после чего молекулы совершают переход в новые положения. Следовательно, молекулы жидкости совершают колебательное движение вокруг временных центров равновесия и скачкообразно перемещаются из одних положений равновесия в другие (вследствие таких перемещений жидкость обладает текучестью и принимает форму того сосуда, в котором находится). Жидкость состоит из множества микроскопических областей, в которых существует определенная упорядоченность в расположении близлежащих молекул, не повторяющаяся по всему объему жидкости и изменяющаяся с течением времени. Такой вид упорядоченности частиц называют ближним порядком.

В твердых телах расстояние между молекулами еще меньше, чем в жидкостях. Силы взаимодействия молекул твердых тел между собой настолько велики, что молекулы удерживаются относительно друг друга в определенных положениях и колеблются около постоянных центров равновесия. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Для кристаллических тел характерны так называемые кристаллические решетки - упорядоченное и периодически повторяющееся в пространстве расположение молекул, атомов или ионов. Если через произвольный узел кристаллической решетки провести прямую в любом направлении, то вдоль этой прямой на равном расстоянии будут встречаться другие узлы этой решетки, т. е. данная структура повторяется по всему объему кристаллического тела. Такой вид упорядоченности частиц называют дальним порядком. В аморфных телах (стекло, смола и ряд других веществ) нет дальнего порядка и кристаллической решетки, что сближает по свойствам аморфные тела с жидкостями. Однако в аморфных телах молекулы колеблются около временных положений равновесия значительно дольше, чем в жидкостях. В твердых телах молекулы совершают преимущественно колебательное движение (хотя имеются и отдельные молекулы, движущиеся поступательно, о чем свидетельствует явление диффузии).

^ 3. Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям

Молекулы газов движутся с большими скоростями прямолинейно до столкновения. При комнатной температуре скорость молекул воздуха достигает нескольких сотен метров в секунду. Расстояние, которое в среднем пробегают молекулы от одного столкновения до другого, называют средней длиной свободного пробега молекул. У молекул воздуха при комнатной температуре средняя длина свободного пробега порядка 10 -7 м. Вследствие хаотичности движения молекулы обладают самыми разными скоростями. Но при данной температуре можно определить скорость, близкой к которой обладает наибольшее число молекул.

Скорость  в, близкой к которой обладает наибольшее число молекул, называется наиболее вероятной скоростью.

Лишь очень малое количество молекул обладает скоростью, близкой к нулю, или близкой к бесконечно большой величине, во много раз превосходящей наиболее вероятную скорость. И, конечно, отсутствуют молекулы, скорость которых равна нулю или бесконечно велика. Зато большинство молекул обладает скоростью, близкой к наиболее вероятной.

С увеличением температуры скорости молекул увеличиваются. Но количество молекул, обладающих скоростью, близкой к наиболее вероятной, уменьшается, так как возрастает разброс в скоростях, возрастает количество молекул, скорости которых существенно отличаются от наиболее вероятной. Число молекул, движущихся с большими скоростями, возрастает, а с меньшими, - уменьшается. Из-за огромного количества молекул в любом объеме газа их направления движения вдоль любой оси координат равновероятны, если газ находится в состоянии равновесия, т. е. в нем нет потоков. Это значит, что любому направленному движению одной молекулы соответствует антинаправленное движение другой молекулы с такой же скоростью, т. е. если одна молекула движется, например, вперед, то обязательно найдется другая молекула, которая движется с такой же скоростью назад. Поэтому быстроту движения молекул с учетом их направления нельзя охарактеризовать средней скоростью всех молекул, она всегда будет равна нулю, ведь положительная скорость, сонаправленная с одной из осей координат будет складываться с отрицательной скоростью, антинаправленной этой оси. Если же значения скоростей всех молекул возвести в квадрат, то все минусы исчезнут. Если, затем сложить квадраты скоростей всех молекул, а затем разделить на число молекул N, т. е. определить среднюю, величину квадратов скоростей всех молекул, а затем извлечь квадратный корень из этой величины, то он уже не будет равен нулю и им можно будет охарактеризовать быстроту движения молекул. Корень квадратный из среднего значения квадратов скоростей всех молекул называется их средней квадратичной скоростью
. Из уравнений молекулярной физики следует что
.

^ Опыт Штерна.

Первое экспериментальное определение скорости молекул было сделано в 1920 г. немецким физиком О. Штерном. В нем определялась средняя скорость движения атомов. Схема эксперимента изображена на рис.

На плоском горизонтальном основании закреплены две коаксиальные цилиндрические поверхности 1 и 2, которые вместе с основанием могут вращаться вокруг вертикальной оси ОО 1 . Поверхность 1 сплошная, а п
оверхность 2 имеет узкую щель 4, параллельную оси ОО 1 . Этой осью является платиновая посеребренная проволочка 3, через которую пропускают электрический ток. Вся система находится в камере, из которой откачан воздух (т.е. в вакууме). Проволоку нагревают до высокой температуры. Атомы серебра, испаряясь с ее поверхности, заполняют внутренний цилиндр 2. Узкий пучок этих атомов, прошедший сквозь щель 4 в стенке цилиндра 2, долетает до внутренней поверхности цилиндра 1. Если цилиндры неподвижны, атомы серебра откладываются на этой поверхности в виде узкой полоски, параллельной щели (точка В), (сечение цилиндров горизонтальной плоскостью).

Когда цилиндры приводят во вращение с постоянной угловой скоростью  вокруг оси ОО 1 за время t, в течение которого атомы летят от щели до поверхности внешнего цилиндра (т. е. проходят расстояние АВ, равное разности
радиусов этих цилиндров), цилиндры поворачиваются на угол , и атомы осаждаются в виде полоски в другом месте (точка С, рис. б). Расстояние между местами осаждения атомов в первом и во втором случаях равно s.

Обозначим среднюю скорость движения атомов, а v = R - линейную скорость наружного цилиндра. Тогда
. Зная параметры установки и измерив экспериментально s, по можно определить среднюю скорость движения атомов. В опыте Штерна было установлено, что средняя скорость атомов серебра равна 650 м/с.

Теория Дж. Дальтона

Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона (1766-1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803. Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что: 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений. Однако она не давала никаких представлений о строении самого атома.

Броуновское движение

Шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 году проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Наблюдавшееся Броуном явление назвали «броуновским движением». Объяснение броуновского движения движением невидимых молекул было дано только в последней четверти XIX в., но далеко не сразу было принято всеми учеными. В 1863 году преподаватель начертательной геометрии Людвиг Кристиан Винер (1826-1896) предположил, что явление связано с колебательными движениями невидимых частиц.

Открытие электрона

Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 году опытами по изучению закономерностей броуновского движения французского физика Жана Перрена.

В период, когда Перрен выполнял свои исследования катодных и рентгеновских лучей, еще не было выработано единого мнения относительно природы катодных лучей, испускаемых отрицательным электродом (катодом) в вакуумной трубке при электрическом разряде. Некоторые ученые полагали, что эти лучи представляют собой разновидность светового излучения, однако в 1895 году исследования Перрена показали, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц. Атомная теория утверждала, что элементы составлены из дискретных частиц, называемых атомами, и что химические соединения состоят из молекул, частиц большего размера, содержащих два или более атомов. К концу XIX в. атомная теория получила широкое признание среди ученых, особенно среди химиков. Однако некоторые физики полагали, что атомы и молекулы - это не более чем фиктивные объекты, которые введены из соображения удобства и полезны при численной обработке результатов химических реакций.

Джозеф Джон Томсон, модифицировав эксперимент Перрена, подтвердил его выводы и в 1897 году определил важнейшую характеристику этих частиц, измерив отношение их заряда к массе по отклонению в электрическом и магнитном полях. Масса оказалась примерно в 2 тыс. раз меньше массы атома водорода, легчайшего среди всех атомов. Вскоре стало распространяться мнение, что эти отрицательные частицы, названные электронами, представляют собой составную часть атомов.

Процесс познания складывается таким образом, что блестящие догадки и великие теории, появлению которых мы обязаны творческим гениям, через некоторое время становятся едва ли не тривиальными фактами, которые большинством людей принимается на веру. Многие ли из нас могли бы самостоятельно, на основе наблюдений и размышлений, догадаться, что Земля круглая или что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, и наконец, что существуют атомы и молекулы? С высоты современной науки основные положения атомно-молекулярной теории выглядят прописными истинами. Давайте, однако, отвлечемся от давно известных научных результатов, поставим себя на место ученых прошлого и попытаемся дать ответ на два главных вопроса. Во-первых, из чего состоят вещества? Во-вторых, почему вещества бывают разными и почему одни вещества могут превращаться в другие? На решение этих сложных вопросов наука уже потратила более 2 000 лет. В результате появилась атомно-молекулярная теория, основные положения которой можно сформулировать следующим образом.

• 1. Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
• 2. Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица элемента в химических соединениях. Разным элементам соответствуют разные атомы.
• 3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.
• 4. При химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ. Атомы при химических реакциях не изменяются.

Как же ученые догадались о существовании атомов?

Атомы были придуманы в Греции в V в. до н. э. Философ Левкипп (500-440 до н. э.) задался вопросом, можно ли каждую частичку материи, какая бы малая она ни была, разделить на еще более мелкие частицы. Левкипп считал, что в результате такого деления можно получить настолько малую частицу, что дальнейшее деление станет невозможным.

Ученик Левкиппа философ Демокрит (460-370 до н. э.) назвал эти крошечные частицы «атомами» (атомос - неделимый). Он считал, что атомы каждого элемента имеют особые размеры и форму и что именно этим объясняются различия в свойствах веществ. Вещества, которые мы видим и ощущаем, образуются при соединении между собой атомов различных элементов, и, изменив природу этого соединения, можно одно вещество превратить в другое.

Демокрит создал атомную теорию почти в современном виде. Однако эта теория была лишь плодом философских размышлений, не связанных с природными явлениями и процессами. Она не была подтверждена экспериментально, поскольку древние греки вообще не проводили экспериментов, они ставили размышления выше наблюдений.

Первый эксперимент, подтверждающий атомную природу вещества, был проведен лишь спустя 2000 лет. В 1662 г. ирландский химик Роберт Бойль (1627-1691) при сжатии воздуха в U-образной трубке под давлением столбика ртути обнаружил, что объем воздуха в трубке обратно пропорционален давлению:

Французский физик Эдм Мариотт (1620-1684) подтвердил это соотношение через 14 лет после Бойля и заметил, что оно выполняется только при постоянной температуре.

Результаты, полученные Бойлем и Мариоттом, можно объяснить, только если признать, что воздух состоит из атомов, между которыми имеется пустое пространство. Сжатие воздуха обусловлено сближением атомов и уменьшением объема пустого пространства.

Если газы состоят из атомов, можно допустить, что твердые вещества и жидкости тоже состоят из атомов. Например, вода при нагревании кипит и превращается в пар, который, подобно воздуху, можно сжать. Значит, водяной пар состоит из атомов. Но если водяной пар состоит из атомов, почему жидкая вода и лёд не могут состоять из атомов? А если это справедливо для воды, это может быть справедливо и для других веществ.

Таким образом, эксперименты Бойля и Мариотта подтвердили существование мельчайших частиц вещества. Оставалось выяснить, что из себя представляют эти частицы.

В течение последующих 150 лет усилия химиков были направлены в основном на установление состава различных веществ. Вещества, которые разлагались на менее сложные вещества, были названы соединениями (сложными веществами), например вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя разложить, назвали элементами (простыми веществами), например водород, кислород, медь, золото.

В 1789 г. великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) опубликовал знаменитую книгу «Элементарный курс химии» (Traite elementaire de chimie), в которой систематизировал накопленные к тому времени знания по химии. В частности, он привел список всех известных элементов, который содержал 33 вещества. Два названия в этом списке были принципиально ошибочными (свет и теплород), а восемь оказались впоследствии сложными веществами (известь, кремнезём и другие).

Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношение элементов в химических соединениях. Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754-1826) после тщательных экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава.

I Все соединения, независимо от способа получения, содержат эле- . менты в строго определенных весовых пропорциях.

Так, например, сернистый газ, получаемый сжиганием серы, действием кислот на сульфиты или любым другим способом, всегда содержит 1 весовую часть (массовую долю) серы и 1 весовую часть кислорода.

Оппонент Пруста, французский химик Клод Луи Бертолле (1748-1822), напротив, утверждал, что состав соединений зависит от способа их получения. Он считал, что, если в реакции двух элементов один из них взят в избытке, то и в образующемся соединении весовая доля данного элемента будет также больше. Пруст, однако, доказал, что Бертолле получил ошибочные результаты из-за неточного анализа и использования недостаточно чистых веществ.

Удивительно, но ошибочная для своего времени идея Бертолле в настоящее время положена в основу большого научного направления в химии - химического материаловедения. Главная задача материаловедов - получение материалов с заданными свойствами, а основной метод - использование зависимости состава, структуры и свойств материала от способа получения.

Закон постоянства состава, открытый Прустом, имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе S0 2 весовое (массовое) соотношение серы и кислорода всегда 1:1, а не 1,1: 0,9 или 0,95: 1,05? Можно предположить, что при образовании частицы сернистого газа (впоследствии эта частица была названа молекулой) атом серы соединяется с определенным числом атомов кислорода, причем масса атомов серы равна массе атомов кислорода.

А что происходит, если два элемента могут образовывать между собой несколько химических соединений? На этот вопрос дал ответ великий английский химик Джон Дальтон (1766-1844), который из эксперимента сформулировал закон кратных отношений (закон Дальтона).

I Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то. в этих соединениях массы одного элемента, приходящиеся на единицу массы другого элемента, относятся как небольшие целые числа.

Так, в трех оксидах железа на единицу веса (массы) кислорода приходятся 3,5, 2,625 и 2,333 весовых частей (массовых долей) железа соответственно. Отношения этих чисел таковы: 3,5: 2,625 = = 4:3; 3,5: 2,333 = 3: 2.

Из закона кратных отношений следует, что атомы элементов соединяются в молекулы, причем молекулы содержат небольшое число атомов. Измерение массового содержания элементов позволяет, с одной стороны, определять молекулярные формулы соединений, а с другой - находить относительные массы атомов.

Например, при образовании воды одна весовая часть водорода соединяется с 8 весовыми частями кислорода. Если предположить, что молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, окажется, что атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода.

Рассмотрим обратную задачу. Мы знаем, что атом железа в 3,5 раза тяжелее атома кислорода. Из соотношения

следует, что в данном соединении на два атома железа приходится три атома кислорода, т. е. формула соединения - Fe 2 0 3 .

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую в истории таблицу атомных весов элементов. К сожалению, она оказалась во многих отношениях неверной, поскольку при определении атомных весов Дальтон часто исходил из неправильных молекулярных формул. Он считал, что атомы элементов почти всегда (за редким исключением) соединяются попарно. Формула воды по Дальтону - НО. Кроме того, он был уверен, что молекулы всех простых веществ содержат по одному атому.

Правильные формулы воды и многих других веществ были определены при исследовании химических реакций в газовой фазе. Французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) обнаружил, что один объем водорода реагирует с одним объемом хлора и получаются два объема хлороводорода; при электролитическом разложении воды образуются один объем кислорода и два объема водорода и т. д. Это эмпирическое правило было опубликовано в 1808 г. и получило название закона объемных отношений.

I Объемы реагирующих газов относятся друг к другу и к объемам газо- . образных продуктов реакции как небольшие целые числа.

Смысл закона объемных отношений выяснился после великого открытия итальянского химика Амедео Авогадро (1776-1856), сформулировавшего гипотезу (предположение), которая позднее была названа законом Авогадро.

| В равных объемах любых газов при постоянных температуре и дав- ? лении содержится одинаковое число молекул.

Это означает, что все газы ведут себя в некотором смысле одинаково и что объем газа при заданных условиях не зависит от природы (состава) газа, а определяется только числом частиц в данном объеме. Измеряя объем, мы можем определить число частиц (атомов и молекул) в газовой фазе. Великая заслуга Авогадро состоит в том, что он смог установить простую связь между наблюдаемой макроскопической величиной (объемом) и микроскопическими свойствами газообразных веществ (числом частиц).

Анализируя объемные соотношения, найденные Гей-Люссаком, и используя свою гипотезу (которую впоследствии назвали законом Авогадро), ученый установил, что молекулы газообразных простых веществ (кислорода, азота, водорода, хлора) двухатомные. Действительно, при реакции водорода с хлором объем не изменяется, следовательно число частиц также не изменяется. Если предположить, что водород и хлор одноатомны, в результате реакции присоединения исходный объем должен уменьшиться в два раза. Но после реакции объем не изменяется, значит, молекулы водорода и хлора содержат по два атома и реакция идет по уравнению

Аналогично можно установить молекулярные формулы сложных веществ - воды, аммиака, углекислого газа и других веществ.

Как это ни странно, но современники не оценили и не признали выводы, сделанные Авогадро. Ведущие химики того времени Дж. Дальтон и Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) возражали против предположения, что молекулы простых веществ могут быть двухатомные, поскольку полагали, что молекулы образуются только из разных атомов (положительно и отрицательно заряженных). Под давлением таких авторитетов гипотеза Авогадро была отвергнута и постепенно забыта.

Лишь почти через 50 лет, в 1858 г. итальянский химик Станислао Канниццаро (1826-1910) случайно обнаружил работу Авогадро и понял, что она позволяет четко разграничить понятия «атом» и «молекула» для газообразных веществ. Именно Канниццаро предложил определения атома и молекулы, которые приведены в начале данного параграфа, и внес полную ясность в понятия «атомный вес» и «молекулярный вес». В 1860 г. в г. Карлсруэ (Германия) состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий основные положения атомно-молекулярной теории получили всеобщее признание.

Подведем итоги. В развитии атомно-молекулярного учения можно выделить три фундаментальных этапа.

• 1. Рождение атомного учения, появление идеи (гипотезы) о существовании атомов (Левкипп и Демокрит).
• 2. Первое экспериментальное подтверждение атомной теории в опытах со сжатым воздухом (закон Бойля-Мариотта).
• 3. Открытие важной закономерности о том, что в молекуле атомы разных элементов присутствуют в определенных весовых соотношениях (закон кратных отношений Дальтона), и установление формул газообразных простых веществ (гипотеза Авогадро).

Интересно, что, когда было высказано предположение о существовании атомов, теория была впереди эксперимента (сначала атомы были придуманы, а через 2000 лет это было доказано). В случае молекул эксперимент опередил теорию: идея существования молекул была выдвинута для объяснения экспериментального закона кратных отношений. В этом смысле история атомно-молекулярной теории - характерный пример, который отражает разные пути научных открытий.