Учебник для 11 класса

Естествознание

§ 6. Молекулярно-кинетическая теория. Агрегатные состояния вещества

1. Приведите примеры веществ, которые могут существовать в жидком, твёрдом и газообразном состояниях; преимущественно только в жидком; только в твёрдом; только в газообразном состоянии.
2. Назовите приборы и аппараты, работающие на основе искусственно созданной плазмы, и явления природы, в основе которых — земная природная плазма.

Три положения молекулярно-кинетической теории. Как вы уже знаете, представления о том, что все тела в природе состоят из мельчайших неделимых частиц — атомов, появилось в Древней Греции более двух тысяч лет назад. Древнегреческий философ Демокрит (460—371 до н. э) писал: «...атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается всё сложное: огонь, вода, воздух, земля».

Первые атомистические воззрения можно считать началом становления фундаментальной естественно-научной теории, получившей впоследствии название молекулярно-кинетической.

Сформулируем первое положение молекулярно-кинетической теории.

Для чего же нужна молекулярно-кинетическая теория? Какую научную ценность она представляет? Оказывается, макроскопические свойства веществ, например температура, давление и объём, для газообразных веществ определяются свойствами микроскопических частиц, их составляющих.

Казалось бы, всем хорошо известен термин «температура». А что такое температура? Попробуйте сформулировать определение этого понятия. Оказывается, это не так просто. Попытка связать его с «мерой нагретости тела» — это, как говорится, масло масляное. В соответствии с представлениями молекулярно-кинетической теории температура — это физическая величина, характеризующая среднюю скорость хаотического движения частиц, составляющих данное тело. Например, чем быстрее движутся молекулы газообразного вещества, тем выше его температура.

Именно о движении частиц речь идёт во втором положении молеку-ляр но-кинетической теории.

Дальнейшее развитие молекулярно-кинетическая теория получила после открытия в XVII—XVIII вв. газовых законов — Бойля—Мариотта, Шарля и Гей-Люссака. Эти законы связывают попарно в математические уравнения основные параметры состояния газов: температуру, давление и объём.

Напомним, что давление — это физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности. Как же этот макроскопический параметр связан с микроскопическим строением газа? В любой момент времени молекулы ударяются о стенки сосуда и при каждом ударе передают им определённый импульс силы, который сам по себе крайне мал, однако суммарное воздействие огромного числа молекул приводит к значительному силовому воздействию на стенки, которое и воспринимается нами как давление. Например, накачивая автомобильное колесо, вы перегоняете молекулы атмосферного воздуха внутрь замкнутого объёма шины дополнительно к числу молекул, уже находящихся внутри неё. В результате концентрация молекул внутри шины оказывается выше, чем снаружи, они чаще ударяются о стенки, давление внутри шины оказывается выше атмосферного, и шина становится упругой.

Для того чтобы математически связать давление газа с движением и соударениями его молекул, необходимо принять третье положение мо лекулярно-кинетической теории.

Абсолютно упругими называются столкновения, при которых кинетическая энергия одной из сталкивающихся частиц полностью переходит в кинетическую энергию другой, а между ними отсутствуют любые иные виды взаимодействия, в том числе и химического.

Идеальный газ. На самом деле столкновения реальных молекул газов не такие уж и абсолютно упругие. Например, часть кинетической энергии одной частицы может переходить в потенциальную энергию другой, а направление движения после соударения отличаться от прямолинейного. Поэтому положения молекулярно-кинетической теории, равно как и основные газовые законы, справедливы только для некой гипотетической модели газообразного вещества, названной идеальным газом. Вы уже знаете о том, что метод моделирования широко используется в естествознании. Например, в механике в качестве элементарного объекта рассматривается материальная точка. В молекулярно-кинетической теории физические закономерности и математические уравнения, связывающие воедино параметры отдельных частиц и газообразного вещества в целом, справедливы для особой виртуальной модели — идеального газа.

Зачем же создавать теорию для несуществующего в природе газа? Дело в том, что реальные газы, особенно при умеренных температурах и низком давлении, достаточно хорошо подчиняются закономерностям, полученным для газа идеального. Ну а в случае значительных отклонений вводят поправочные коэффициенты, позволяющие с достаточной точностью рассчитать значение нужного параметра и для реального газа.

В качестве примера соотношения, связывающего воедино основные параметры газообразного вещества, можно привести уравнение состояния идеального газа:

pV = vRT,

где p — давление; V — молярный объём; v — количество вещества; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура (К).

Как видите, зная три из пяти величин, входящих в уравнение состояния (универсальная газовая постоянная R является константой), можно рассчитать неизвестную искомую величину.

Развитие молекулярно-кинетической теории в XIX в. Во второй половине XIX в., казалось бы, простая внешне картина атомно-молекулярной структуры вещества развилась в мощную универсальную теорию. Пик её развития связан с именами замечательных учёных Дж. Максвелла (1831 —1879) и Л. Больцмана (1844—1906), которые заложили основы статистического (вероятностного) описания свойств веществ (главным образом газов), состоящих из огромного количества хаотически движущихся молекул. Были выведены десятки закономерностей, которые позволили связать измеримые макроскопические показатели состояния газа (температуру, давление, объём) с микроскопическими характеристиками (числом, массой, скоростью движения молекул).

В современной физике на смену молекулярно-кинетической теории пришли более общие теоретические воззрения, получившие название кинетической теории (или статистической механики). Эти теории описывают состояние не только веществ молекулярного строения, но и ионных соединений, рассматривают, помимо теплового, другие виды движения частиц, принимают во внимание не только их упругие столкновения. Тем не менее молекулярно-кинетическая теория остаётся выдающимся достижением естествознания. На этой схеме мы даём краткую хронологию её развития.

Агрегатные состояния вещества. Основными доказательствами положений молекулярно-кинетической теории считаются уже знакомые вам явления — диффузия, броуновское движение и изменение агрегатных состояний вещества. Именно агрегатные состояния вещества и взаимные переходы из одного состояния в другое мы и рассмотрим далее более подробно.

Вы знаете, что вещества могут существовать в различных агрегатных (от лат. aggrego — присоединяю, связываю) состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. То или иное агрегатное состояние вещества характеризуется в первую очередь его способностью сохранять форму и объём и зависит от физических условий, в которых оно находится. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

Агрегатные состояния вещества связаны между собой взаимными переходами (рис. 25).

Рис. 25. Схема взаимных переходов агрегатных состояний вещества

Газообразное состояние. Рассмотрим сначала газообразное состояние вещества.

Газ (от фр. gaz, от греч. chaos — хаос) стремится занять весь объём, ему предоставленный. Молекулы газообразного вещества перемещаются по всему сосуду, в котором он находится. Благодаря большому расстоянию между молекулами любые газы смешиваются друг с другом в любых отношениях.

Лабораторный опыт

Проверьте прибор для получения газов на герметичность. С этой целью конец газоотводной трубки опустите в стакан с водой, а реактор (пробирку или колбу, закрытую пробкой с газоотводной трубкой) нагрейте ладонями. Что вы наблюдаете? Почему?

По химическому составу газы и их смеси весьма разнообразны. Это и благородные газы, молекулы которых одноатомны, и простые вещества — азот (N₂), кислород (O₂), озон (O₃), водород (H₂), фтор (F₂), хлор (Cl₂) и сложные вещества — углекислый (CO₂) и угарный (CO) газы, аммиак (NH₃), сероводород (H₂S), сернистый газ (SO₂), оксиды азота (NO и NO₂), метан (CH₄) и т. д. Важнейшими природными смесями газов являются воздух, природный и попутный нефтяной газы.

Газы легко сжимаемы. При этом расстояние между частицами уменьшается, давление газа на стенки сосуда увеличивается, а форма молекул не изменяется.

В 1811 г. выдающийся итальянский физик и химик А. Авогадро (1776—1856) открыл закон, названный его именем. Как вы помните, он сформулирован так:

Конечно, верно и обратное: если взять равное число частиц различных газов, то они при одних и тех же условиях будут занимать одинаковый объём. Вы знаете, что 1 моль любого вещества молекулярного строения содержит 6,02 • 10²³ молекул. Предположим, что было взято по 1 моль нескольких газообразных веществ при температуре 0 °С и давлении 1 атм, или 10³ Па (такие условия называются нормальными). Очевидно, газы эти будут занимать равные объёмы, а именно 22,4 л. Это важнейшее следствие из закона Авогадро. Объём 1 моль газа называется молярным объёмом газа, обозначается V_m и имеет значение 22,4 л/моль.

Часто вместо термина «газ» для многих веществ, которые при обычных условиях находятся в жидком или твёрдом агрегатном состоянии, используют слово «пар», чтобы характеризовать газообразное состояние. Например, пары воды прозрачны и бесцветны, их невозможно увидеть. А вот в бытовом понимании водяным паром называют мельчайшие капельки сконденсированной влаги, например туман, пар над поверхностью водоёма в холодное утро, пар из носика кипящего чайника. Процесс перехода вещества из газообразного в жидкое агрегатное состояние называется конденсацией (см. рис. 25).

Жидкое состояние вещества. Следующее агрегатное состояние, которое мы рассмотрим, это жидкость.

Эта способность обусловлена тем, что в жидкостях молекулы вещества расположены близко друг к другу благодаря силам взаимного притяжения.

Если вы попробуете сжать жидкость, то у вас ничего не получится. При попытке уменьшить расстояние между молекулами возникают силы их взаимного отталкивания, которые превосходят силы их взаимного притяжения, поэтому жидкие вещества практически несжимаемы. Тем не менее увеличение давления жидкости при её сжатии можно пронаблюдать на опыте.

Лабораторный опыт

Налейте в полуторалитровую пластиковую бутылку воды до самого верха. Опустите пипетку в бутылку и плотно завинтите крышку (в бутылке не должно быть пузырьков воздуха).

Сожмите бутылку. Что вы наблюдаете? Что происходит, если прекратить сжатие? Почему?

Поступательное движение молекул, хотя и затруднено по сравнению с газами, но всё-таки сохраняется. Это обусловливает такое важнейшее свойство жидкостей, как текучесть. Поверхностное натяжение заставляет жидкие вещества принимать форму шара, но это возможно только в невесомости, при свободном падении капли или при очень малом объёме капли (рис. 26).

Рис. 26. Капля жидкости, в свободном полёте принимающая шарообразную форму

Твёрдое состояние вещества. Любое жидкое вещество при охлаждении переходит в твёрдое агрегатное состояние. Такой процесс называется кристаллизацией (см. рис. 25).

Для воды этот процесс происходит при температуре 0 °С. Часто о воде говорят как о живом существе: вода замерзает.

Вам хорошо знаком причудливый и неповторимый узор снежинок (рис. 27), острые, похожие на стекло кромки ледяных осколков. Это вода в твёрдом агрегатном состоянии.

Рис. 27. Изумительная красота и бесконечное разнообразие форм снежинок

Частицы твёрдого вещества находятся настолько близко друг к другу, что очень ограничены в движении. Они совершают главным образом колебания относительно положения равновесия, а вот поступательное движение для них почти невозможно. Силы взаимного притяжения частиц в твёрдых веществах настолько велики, что это позволяет твёрдым веществам сохранять не только объём, но и форму.

Лабораторный опыт

В два пластиковых стакана налейте по 150 мл воды. Один стакан поставьте в морозильную камеру на сутки. Затем оба стакана поставьте в СВЧ-печь и включите её на полную мощность на 2 мин. Что произошло? Вода в стакане практически закипела, а лёд даже не растаял. Почему?

Как вы думаете, может ли бельё высохнуть на морозе, допустим, при -5 °С? Хозяйки вам ответят утвердительно: да, может. Как же так? Ведь при минусовой температуре вода — это лёд. Вроде бы, для того чтобы она испарилась, её нужно как минимум расплавить. Оказывается, это совсем не обязательно. Все низкомолекулярные вещества могут переходить из твёрдого состояния сразу в газообразное. Такой переход называется возгонкой или сублимацией (см. рис. 25). Причём получить некоторые соединения даже в жидком состоянии не просто. К ним относится сухой лёд — твёрдый углекислый газ, который при атмосферном давлении переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое. Температура, при которой существует сухой лёд, -78 °С.

И он действительно сухой — не плавится, а возгоняется (рис. 28), что очень удобно для хранения пищевых продуктов, и в первую очередь мороженого. Легко возгоняются также кристаллический иод, нафталин.

Рис. 28. Сухой лёд

Твёрдое агрегатное состояние присуще всем без исключения веществам, а вот расплавить или превратить в газ удаётся не все вещества. И вовсе не потому, что нет возможности создать достаточно высокую температуру. Наоборот, большинство твёрдых веществ начинают разлагаться, так и не успевая расплавиться или испариться. К таким веществам относятся, например, гидроксид меди (II), карбонат кальция, целлюлоза.

Возможность существования веществ с ионным типом связи в твёрдом агрегатном состоянии объяснить легко. Катионы и анионы во всём объёме вещества притягиваются друг к другу. Чтобы заставить вещество расплавиться или перейти в газообразное состояние, его нужно нагреть, преодолев тем самым силы взаимного притяжения.

Твёрдое агрегатное состояние металлов тоже объяснимо. Атомы и катионы металла «не разлетаются», подобно атомам благородных газов, поскольку их удерживает вместе совокупность обобществлённых валентных электронов.

Почему же вещества молекулярного строения, у которых ковалентные связи образуются между атомами только в пределах одной молекулы, бывают и жидкие, и твёрдые? Что заставляет молекулы в таких веществах притягиваться друг к другу?

Молекулы в целом электронейтральны, однако и между ними могут возникнуть силы взаимного притяжения, получившие, как мы уже говорили ранее, название ван-дер-ваальсова взаимодействия. Причиной такого притяжения является главным образом электромагнитное взаимодействие электронов и ядер одной молекулы с электронами и ядрами другой. Межмолекулярные связи значительно менее прочны, чем химические, однако именно они приводят к тому, что вещества молекулярного строения могут существовать в конденсированном (т. е. жидком или твёрдом) состоянии.

Плазма. Четвёртым агрегатным состоянием вещества считают плазму (от греч. plazma — вылепленный, оформленный).

При сильном нагревании вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и далее, то молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые, в свою очередь, при дальнейшем нагревании превращаются в ионы. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звёзды, галактические туманности, межзвёздное пространство. Напомним, что солнечный ветер и ионосфера Земли не что иное, как плазма. Она образуется на поверхности нашей планеты в естественных условиях лишь при вспышках молний.

В лабораторных условиях плазма впервые была получена в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д. За последние годы применение плазмы существенно расширилось. Высокотемпературную плазму (T ~ 10⁶—10⁸ К) из смеси дейтерия с тритием пытаются использовать для осуществления управляемого термоядерного синтеза; низкотемпературную плазму (T < 10⁵ К) — в различных газоразрядных приборах: газовых лазерах, ионных приборах, плазменных панелях телевизоров и т. п.

Следующий параграф будет посвящён более подробному знакомству с газообразными веществами, в том числе с классом предельных углеводородов — алканов, и природным газом.

Теперь вы знаете

• три положения молекулярно-кинетической теории
• в чём заключается модель «идеальный газ»
• как происходило развитие молекулярно-кинетической теории в XIX в.
• чем различаются агрегатные состояния вещества

Теперь вы можете

• сформулировать три положения молекулярно-кинетической теории в современном варианте
• объяснить, что такое идеальный газ, и написать уравнение состояния идеального газа
• перечислить, какие бывают агрегатные состояния вещества, привести примеры взаимных переходов агрегатных состояний вещества
• охарактеризовать плазму и указать области её применения

Выполните задания

1. Охарактеризуйте газообразное, жидкое и твёрдое состояния вещества.
2. Назовите группы, на которые делятся газы по химическому составу, а также природные газовые смеси.
3. Сформулируйте закон Авогадро, скажите, какое следствие из этого закона имеет наибольшее практическое значение.
4. Дайте определения взаимных переходов агрегатных состояний «газ — жидкость», «жидкость — твёрдое вещество», «твёрдое вещество — газ».
5. Приведите примеры природных жидких смесей и твёрдых веществ с разным типом химической связи.

Темы для рефератов

1. Историческое развитие молекулярно-кинетической теории.
2. Кинетическая теория газов Дж. Максвелла.
3. Л. Больцман — основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории.
4. Плазма в природе и технике.