Moleküle gibt es in verschiedenen Größen und Formen. Der Übersichtlichkeit halber stellen wir das Molekül in Form einer Kugel dar und stellen uns vor, dass es von einer kugelförmigen Oberfläche bedeckt ist, in der sich die elektronischen Hüllen seiner Atome befinden (Abb. 4, a). Nach modernen Vorstellungen haben Moleküle keinen geometrisch definierten Durchmesser. Daher einigte man sich darauf, den Durchmesser d des Moleküls als den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Moleküle anzunehmen (Abb. 4, b), die so nahe beieinander liegen, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen durch die Abstoßungskräfte ausgeglichen werden.

Aus dem Chemiestudium ist bekannt, dass ein Kilogrammmolekül (Kilomol) eines Stoffes, unabhängig von seinem Aggregatzustand, die gleiche Anzahl von Molekülen enthält, nämlich die Avogadro-Zahl N A = 6,02*10 26 Moleküle.

Schätzen wir nun den Durchmesser eines Moleküls, zum Beispiel von Wasser. Teilen Sie dazu das Volumen eines Kilomols Wasser durch die Avogadro-Zahl. Ein Kilomol Wasser hat eine Masse 18 kg. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Wassermoleküle nahe beieinander befinden und dass ihre Dichte unterschiedlich ist 1000 kg/m3, Wir können das sagen 1 kmol Wasser nimmt Volumen ein V = 0,018 m3. Für das Volumen ist ein Molekül Wasser verantwortlich

Nehmen wir das Molekül als Kugel und verwenden die Formel für das Volumen einer Kugel, berechnen wir den ungefähren Durchmesser, andernfalls die lineare Größe eines Wassermoleküls:

Durchmesser des Kupfermoleküls 2,25*10 -10 m. Die Durchmesser der Gasmoleküle liegen in der gleichen Größenordnung. Zum Beispiel der Durchmesser eines Wasserstoffmoleküls 2,47*10 -10 m, Kohlendioxid - 3,32 * 10 -10 m. Das bedeutet, dass das Molekül einen Durchmesser in der Größenordnung von hat 10 -10 m. Endlich 1 cm 100 Millionen Moleküle können in der Nähe lokalisiert werden.

Schätzen wir die Masse eines Moleküls, zum Beispiel Zucker (C 12 H 22 O 11). Dazu benötigen Sie eine Masse von Kilomol Zucker (μ = 342,31 kg/kmol) dividiert durch die Avogadro-Zahl, also durch die Anzahl der Moleküle in

>>Physik: Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie. Molekülgrößen

Moleküle sind sehr klein, aber sehen Sie, wie einfach es ist, ihre Größe und Masse abzuschätzen. Eine Beobachtung und ein paar einfache Berechnungen genügen. Es stimmt, wir müssen noch herausfinden, wie das geht.
Die molekularkinetische Theorie der Struktur der Materie basiert auf drei Aussagen: Materie besteht aus Teilchen; diese Partikel bewegen sich zufällig; Teilchen interagieren miteinander. Jede Aussage wird durch Experimente streng bewiesen.
Die Eigenschaften und das Verhalten aller Körper ausnahmslos, vom Ciliaten bis zum Stern, werden durch die Bewegung miteinander interagierender Teilchen bestimmt: Moleküle, Atome oder noch kleinere Gebilde – Elementarteilchen.
Schätzung der Molekülgrößen. Um völlig sicher zu sein, dass Moleküle existieren, muss ihre Größe bestimmt werden.
Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, zu beobachten, wie sich ein Tropfen Öl, beispielsweise Olivenöl, auf der Wasseroberfläche verteilt. Wenn das Gefäß groß ist ( Abb.8.1). Es ist unmöglich, einen Tropfen mit einem Volumen von 1 mm 3 dazu zu zwingen, sich so auszubreiten, dass er eine Oberfläche von mehr als 0,6 m 2 einnimmt. Man kann davon ausgehen, dass das Öl bei maximaler Ausbreitung eine nur ein Molekül dicke Schicht bildet – eine „monomolekulare Schicht“. Die Dicke dieser Schicht lässt sich leicht bestimmen und somit die Größe des Olivenölmoleküls abschätzen.

Volumen V Die Ölschicht ist gleich dem Produkt ihrer Oberfläche S nach Dicke D Schicht, d.h. V=Sd. Daher beträgt die Größe des Olivenölmoleküls:

Es ist nicht nötig, jetzt alle möglichen Wege aufzuzählen, um die Existenz von Atomen und Molekülen nachzuweisen. Moderne Instrumente ermöglichen es, Bilder einzelner Atome und Moleküle zu sehen. Abbildung 8.2 zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines Siliziumwafers, wobei die Unebenheiten einzelne Siliziumatome sind. Es wurde erstmals 1981 bekannt, dass solche Bilder nicht mit gewöhnlichen optischen, sondern mit komplexen Tunnelmikroskopen gewonnen werden konnten.

Die Größe von Molekülen, einschließlich Olivenöl, ist größer als die Größe von Atomen. Der Durchmesser jedes Atoms beträgt etwa 10 -8 cm. Diese Abmessungen sind so klein, dass man sie sich kaum vorstellen kann. In solchen Fällen greifen sie auf Vergleiche zurück.
Hier ist einer davon. Wenn Sie Ihre Finger zur Faust ballen und sie auf die Größe der Erdkugel vergrößern, dann wird das Atom bei derselben Vergrößerung die Größe einer Faust erreichen.
Anzahl der Moleküle. Da die Molekülgrößen sehr klein sind, ist ihre Zahl in jedem makroskopischen Körper enorm. Berechnen wir die ungefähre Anzahl der Moleküle in einem Wassertropfen mit einer Masse von 1 g und damit einem Volumen von 1 cm 3.
Der Durchmesser eines Wassermoleküls beträgt ungefähr 3 · 10 -8 cm. Wenn man bedenkt, dass jedes Wassermolekül, wenn die Moleküle dicht gepackt sind, ein Volumen (3 · 10 -8 cm) 3 einnimmt, kann man die Anzahl der Moleküle in einem Tropfen ermitteln Teilen des Tropfenvolumens (1 cm 3) durch das Volumen pro Molekül:

Mit jedem Einatmen fangen Sie so viele Moleküle ein, dass, wenn alle nach dem Ausatmen gleichmäßig in der Erdatmosphäre verteilt wären, jeder Bewohner des Planeten zwei oder drei Moleküle erhalten würde, die sich beim Einatmen in Ihrer Lunge befanden.
Atomgrößen sind klein: .
Die drei Hauptbestimmungen der molekularkinetischen Theorie werden wiederholt diskutiert.

???
1. Welche Messungen müssen durchgeführt werden, um die Größe des Olivenölmoleküls abzuschätzen?
2. Wenn ein Atom auf die Größe eines Mohnsamens (0,1 mm) vergrößert würde, welche Körpergröße würde das Korn bei gleicher Vergrößerung erreichen?
3. Listen Sie die Ihnen bekannten Beweise für die Existenz von Molekülen auf, die im Text nicht erwähnt werden.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physik 10. Klasse

Unterrichtsinhalte Unterrichtsnotizen unterstützender Rahmen Lektion Präsentation Beschleunigungsmethoden interaktive Technologien Üben Aufgaben und Übungen, Selbsttest, Workshops, Schulungen, Fälle, Quests, Hausaufgaben, Diskussionsfragen, rhetorische Fragen von Schülern Illustrationen Audio, Videoclips und Multimedia Fotografien, Bilder, Grafiken, Tabellen, Diagramme, Humor, Anekdoten, Witze, Comics, Gleichnisse, Sprüche, Kreuzworträtsel, Zitate Add-ons Zusammenfassungen Artikel, Tricks für Neugierige, Krippen, Lehrbücher, grundlegendes und zusätzliches Begriffswörterbuch, Sonstiges Verbesserung von Lehrbüchern und UnterrichtKorrektur von Fehlern im Lehrbuch Aktualisierung eines Fragments in einem Lehrbuch, Elemente der Innovation im Unterricht, Ersetzen veralteter Kenntnisse durch neues Nur für Lehrer perfekter Unterricht Kalenderplan für das Jahr; methodische Empfehlungen; Diskussionsprogramme Integrierter Unterricht

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Molekularkinetische Theorie idealer Gase

In der Physik werden zur Beschreibung thermischer Phänomene hauptsächlich zwei Methoden verwendet: die molekulare Kinetik (statistisch) und die Thermodynamik.

Molekularkinetische Methode (statistisch) basiert auf der Idee, dass alle Substanzen aus Molekülen in chaotischer Bewegung bestehen. Da die Anzahl der Moleküle riesig ist, ist es mithilfe der Gesetze der Statistik möglich, bestimmte Muster für die gesamte Substanz als Ganzes zu finden.

Thermodynamische Methode kommt von grundlegenden experimentellen Gesetzen, den sogenannten Gesetzen der Thermodynamik. Die thermodynamische Methode nähert sich der Untersuchung von Phänomenen ähnlich der klassischen Mechanik, die auf Newtons experimentellen Gesetzen basiert. Dieser Ansatz berücksichtigt nicht die innere Struktur der Materie.

Grundprinzipien der molekularkinetischen Theorie

Und ihre experimentelle Begründung. Brownsche Bewegung.

Masse und Größe von Molekülen.

Eine Theorie, die thermische Phänomene in makroskopischen Körpern untersucht und die Abhängigkeit der inneren Eigenschaften von Körpern von der Art der Bewegung und Wechselwirkung zwischen den Teilchen, aus denen die Körper bestehen, erklärt, wird genannt molekularkinetische Theorie ( abgekürzt MKT ) oder einfach Molekularphysik.

Die molekularkinetische Theorie basiert auf drei wichtigsten Prinzipien:

Entsprechend Erster Platz MKT , V Alle Körper bestehen aus einer Vielzahl von Teilchen (Atome und Moleküle), zwischen denen sich Räume befinden .

Atom ist ein elektrisch neutrales Mikroteilchen, das aus einem positiv geladenen Kern und einer ihn umgebenden Elektronenhülle besteht. Eine Ansammlung gleichartiger Atome heißt Chemisches Element . In ihrem natürlichen Zustand kommen Atome von 90 chemischen Elementen in der Natur vor, das schwerste davon ist Uran. Wenn Atome näher zusammengebracht werden, können sie sich zu stabilen Gruppen zusammenschließen. Man spricht von Systemen aus einer kleinen Anzahl miteinander verbundener Atome Molekül . Ein Wassermolekül besteht beispielsweise aus drei Atomen (Abb.): zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O), daher wird es als H 2 O bezeichnet. Moleküle sind die kleinsten stabilen Teilchen einer bestimmten Substanz, die ihre Eigenschaften haben grundlegende chemische Eigenschaften. Beispielsweise ist das kleinste Wasserteilchen ein Wassermolekül, das kleinste Zuckerteilchen ist ein Zuckermolekül.

Als Stoffe bezeichnet man Stoffe, die aus Atomen bestehen, die nicht zu Molekülen verbunden sind Atomzustand; sonst reden sie darüber molekularer Zustand. Im ersten Fall ist das kleinste Teilchen eines Stoffes ein Atom (zum Beispiel He), im zweiten Fall ein Molekül (zum Beispiel H 2 O).

Bestehen zwei Körper aus der gleichen Anzahl an Teilchen, so sagt man, dass sie die gleiche Menge an Teilchen enthalten Menge der Substanz . Die Stoffmenge wird mit dem griechischen Buchstaben ν(nu) bezeichnet und in gemessen Maulwürfe. Für 1 Mol Nehmen Sie die Substanzmenge in 12 g Kohlenstoff. Da 12 g Kohlenstoff ungefähr 6∙10 23 Atome enthalten, können wir für die Stoffmenge (d. h. die Anzahl der Mol) in einem Körper, der aus N-Teilchen besteht, schreiben

Wenn wir die Notation N A = 6∙10 23 mol -1 eingeben.

dann nimmt die Beziehung (1) die Form der folgenden einfachen Formel an:

Auf diese Weise, Menge der Substanz ist das Verhältnis der Anzahl N der Moleküle (Atome) in einem gegebenen makroskopischen Körper zur Anzahl N A der Atome in 0,012 kg Kohlenstoffatomen:

1 Mol einer beliebigen Substanz enthält N A = 6,02·10 23 Moleküle. Die Zahl N A wird aufgerufen Avogadros Konstante. Physikalische Bedeutung der Avogadro-Konstante ist, dass sein Wert die Anzahl der Teilchen (Atome in einer atomaren Substanz, Moleküle in einer molekularen Substanz) angibt, die in 1 Mol einer beliebigen Substanz enthalten sind.

Man nennt die Masse eines Mols eines Stoffes Molmasse . Wenn die Molmasse mit dem Buchstaben μ bezeichnet wird, dann können wir für die Stoffmenge in einem Körper der Masse m schreiben:

Aus den Formeln (2) und (3) folgt, dass die Anzahl der Teilchen in jedem Körper durch die Formel bestimmt werden kann:

Die Molmasse wird durch die Formel bestimmt

M=M g 10 -3 kg/mol

Hier wird M g bezeichnet relative molekulare (atomare) Masse eines Stoffes, gemessen in a.m.u. (atomare Masseneinheiten), die in der Molekularphysik üblicherweise die Masse von Molekülen (Atomen) charakterisieren. Relative Molekülmasse M g kann bestimmt werden, wenn die durchschnittliche Molekülmasse (m m) einer bestimmten Substanz durch 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C geteilt wird:

1/12 m 12 C = 1 a.u.m = 1,66 · 10 -27 kg.

Bei der Lösung von Problemen wird dieser Wert anhand des Periodensystems ermittelt. Diese Tabelle zeigt die relativen Atommassen der Elemente. Addiere sie gemäß der chemischen Formel des Moleküls einer bestimmten Substanz und erhalte das relative molekulare M g . Zum Beispiel, z

Kohlenstoff (C) M g =12·10 -3 kg/mol

Wasser (H 2 O) M g = (1·2+16)=18·10 -3 kg/mol.

Ähnlich definiert Relative Atommasse.

Ein Mol Gas nimmt unter normalen Bedingungen ein Volumen V 0 = 22,4 10 23 m 3 ein

Daher ist in 1 m 3 jedes Gas enthalten normale Bedingungen (bestimmt durch Druck P = 101325 Pa = 10 5 Pa = 1 atm; Temperatur 273 °K (0 °C), Volumen von 1 Mol idealem Gas V 0 = 22,4 · 10 -3 m 3) enthält die gleiche Anzahl an Molekülen:

Diese Zahl wird als Konstante bezeichnet Loshmidt.

Moleküle (wie Atome) haben keine klaren Grenzen. Die Größe der Molekülmoleküle von Feststoffen lässt sich ungefähr wie folgt abschätzen:

wo ist das Volumen pro 1 Molekül, ist das Volumen des gesamten Körpers,

m und ρ sind seine Masse und Dichte, N ist die Anzahl der darin enthaltenen Moleküle.

Atome und Moleküle können weder mit bloßem Auge noch mit einem optischen Mikroskop gesehen werden. Daher die Zweifel vieler Wissenschaftler des späten 19. Jahrhunderts. in der Realität ihrer Existenz kann man verstehen. Allerdings im 20. Jahrhundert. die Situation wurde anders. Mit Hilfe eines Elektronenmikroskops sowie der holographischen Mikroskopie ist es nun möglich, Bilder nicht nur von Molekülen, sondern sogar von einzelnen Atomen zu beobachten.

Röntgenbeugungsdaten zeigen, dass der Durchmesser jedes Atoms in der Größenordnung von d = 10 -8 cm (10 -10 m) liegt. Moleküle sind größer als Atome. Da Moleküle aus mehreren Atomen bestehen, ist die Größe eines Moleküls umso größer, je mehr Atome es hat. Die Größe der Moleküle reicht von 10 –8 cm (10 –10 m) bis 10 –5 cm (10 –7 m).

Die Massen einzelner Moleküle und Atome sind sehr gering, beispielsweise beträgt der absolute Wert der Masse eines Wassermoleküls etwa 3·10 -26 kg. Die Masse einzelner Moleküle wird experimentell mit einem speziellen Gerät – einem Massenspektrometer – bestimmt.

Neben direkten Experimenten, die die Beobachtung von Atomen und Molekülen ermöglichen, sprechen viele weitere indirekte Daten für ihre Existenz. Dies sind beispielsweise Tatsachen über die Wärmeausdehnung von Körpern, ihre Kompressibilität, die Auflösung einiger Stoffe in anderen usw.

Entsprechend die zweite Position der molekularkinetischen Theorie, Teilchen bewegen sich kontinuierlich und chaotisch (zufällig).

Diese Position wird durch das Vorhandensein von Diffusion, Verdunstung, Gasdruck an den Gefäßwänden sowie das Phänomen der Brownschen Bewegung bestätigt.

Zufällige Bewegung bedeutet, dass Moleküle keine bevorzugten Bahnen haben und ihre Bewegungen zufällige Richtungen haben.

Diffusion (von lateinisch Diffusion – Ausbreitung, Ausbreitung) – ein Phänomen, bei dem es infolge der thermischen Bewegung eines Stoffes zu einem spontanen Eindringen eines Stoffes in einen anderen kommt (wenn diese Stoffe in Kontakt kommen). Nach der molekularkinetischen Theorie erfolgt eine solche Vermischung dadurch, dass zufällig bewegte Moleküle einer Substanz in die Räume zwischen den Molekülen einer anderen Substanz eindringen. Die Eindringtiefe hängt von der Temperatur ab: Je höher die Temperatur, desto größer ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Stoffpartikel und desto schneller erfolgt die Diffusion. Diffusion wird in allen Aggregatzuständen beobachtet – in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. Die Diffusion erfolgt in Gasen am schnellsten (weshalb sich Gerüche in der Luft so schnell ausbreiten). In Flüssigkeiten erfolgt die Diffusion langsamer als in Gasen. Dies liegt daran, dass die Moleküle der Flüssigkeit viel dichter angeordnet sind und es daher viel schwieriger ist, sie zu „durchdringen“. In Feststoffen erfolgt die Diffusion am langsamsten. In einem Experiment wurden glatt polierte Blei- und Goldplatten übereinander gelegt und mit einem Gewicht zusammengedrückt. Nach fünf Jahren durchdrangen sich Gold und Blei um 1 mm. Die Diffusion in Feststoffen sorgt für die Verbindung von Metallen beim Schweißen, Löten, Verchromen usw. Diffusion ist in den Lebensprozessen von Menschen, Tieren und Pflanzen von großer Bedeutung. Durch die Diffusion gelangt beispielsweise Sauerstoff von der Lunge in das menschliche Blut und vom Blut in die Gewebe.

Brownsche Bewegung bezeichnet die zufällige Bewegung kleiner Partikel einer anderen Substanz, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert sind. Diese Bewegung wurde 1827 vom englischen Botaniker R. Brown entdeckt, der durch ein Mikroskop die Bewegung von im Wasser schwebenden Pollen beobachtete. Heutzutage werden für solche Beobachtungen kleine Teile Gummigutfarbe verwendet, die sich nicht in Wasser auflöst. In einem Gas wird die Brownsche Bewegung beispielsweise durch in der Luft schwebende Staub- oder Rauchpartikel ausgeführt. Die Brownsche Bewegung eines Teilchens entsteht, weil sich die Impulse, mit denen die Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases auf dieses Teilchen einwirken, nicht gegenseitig kompensieren. Moleküle des Mediums (also Gas- oder Flüssigkeitsmoleküle) bewegen sich chaotisch, sodass ihre Stöße das Brownsche Teilchen in eine zufällige Bewegung versetzen: Das Brownsche Teilchen ändert schnell seine Geschwindigkeit in Richtung und Größe (Abb. 1).

Bei der Untersuchung der Brownschen Bewegung wurde festgestellt, dass ihre Intensität: a) mit zunehmender Umgebungstemperatur zunimmt; b) nimmt zu, wenn die Größe der Brownschen Teilchen selbst abnimmt; c) nimmt in einer viskoseren Flüssigkeit ab und d) ist völlig unabhängig vom Material (Dichte) der Brownschen Teilchen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass diese Bewegung universell ist (da sie bei allen Substanzen beobachtet wird, die in einer Flüssigkeit in versprühtem Zustand suspendiert sind), kontinuierlich (in einer allseitig geschlossenen Küvette kann sie über Wochen, Monate, Jahre hinweg beobachtet werden). und chaotisch (zufällig).

Entsprechend die dritte Bestimmung des IKT Materieteilchen interagieren miteinander: Sie werden auf kurze Entfernungen angezogen und stoßen sich ab, wenn diese Entfernungen kleiner werden.

Das Vorhandensein intermolekularer Wechselwirkungskräfte (Kräfte gegenseitiger Anziehung und Abstoßung) erklärt die Existenz stabiler flüssiger und fester Körper.

Die gleichen Gründe erklären die geringe Kompressibilität von Flüssigkeiten und die Fähigkeit von Festkörpern, Druck- und Zugverformungen zu widerstehen.

Die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung sind elektromagnetischer Natur und lassen sich in zwei Arten einteilen: Anziehung und Abstoßung. Diese Kräfte manifestieren sich in Abständen, die mit der Größe von Molekülen vergleichbar sind. Der Grund für diese Kräfte liegt darin, dass Moleküle und Atome aus geladenen Teilchen mit entgegengesetzten Ladungszeichen bestehen – negativen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen. Im Allgemeinen sind Moleküle elektrisch neutral. In Abbildung 2.2 wird anhand von Pfeilen gezeigt, dass sich die Atomkerne, in denen sich positiv geladene Protonen befinden, gegenseitig abstoßen und negativ geladene Elektronen sich genauso verhalten. Aber es gibt Anziehungskräfte zwischen Kernen und Elektronen.

Die Abhängigkeit der Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen vom Abstand zwischen ihnen erklärt qualitativ den molekularen Mechanismus des Auftretens elastischer Kräfte in Festkörpern. Wenn ein fester Körper gedehnt wird, entfernen sich die Teilchen voneinander. In diesem Fall treten Anziehungskräfte der Moleküle auf, die die Partikel in ihre ursprüngliche Position zurückbringen. Wenn ein fester Körper komprimiert wird, rücken die Teilchen näher zusammen. Dies führt zu einer Zunahme der Abstoßungskräfte, die die Partikel in ihre ursprüngliche Position zurückbringen und eine weitere Kompression verhindern.

Daher ist bei kleinen Verformungen (millionenfach größer als die Größe der Moleküle) das Hookesche Gesetz erfüllt, wonach die elastische Kraft proportional zur Verformung ist. Bei großen Verschiebungen gilt das Hookesche Gesetz nicht

Die Gültigkeit dieser Position wird durch den Widerstand aller Körper gegen Kompression sowie (mit Ausnahme von Gasen) gegen deren Dehnung belegt.

Kikoin A.K. Eine einfache Möglichkeit, die Größe von Molekülen zu bestimmen // Quantum. - 1983. - Nr. 9. - S.29-30.

Nach besonderer Vereinbarung mit der Redaktion und den Herausgebern der Zeitschrift „Kvant“

In der Molekularphysik sind die wichtigsten „Akteure“ Moleküle, die unvorstellbar kleinen Teilchen, aus denen jede Substanz auf der Welt besteht. Es ist klar, dass es für die Untersuchung vieler Phänomene wichtig ist zu wissen, um welche Moleküle es sich handelt. Insbesondere, wie groß sind sie?

Wenn von Molekülen die Rede ist, stellt man sich diese meist als kleine, elastische, harte Kugeln vor. Daher bedeutet die Kenntnis der Größe von Molekülen auch die Kenntnis ihres Radius.

Trotz der geringen Größe der Moleküle konnten Physiker viele Methoden zu ihrer Bestimmung entwickeln. Physik 9 spricht über zwei davon. Man macht sich die Eigenschaft einiger (sehr weniger) Flüssigkeiten zunutze, sich in Form eines Films mit einer Dicke von einem Molekül auszubreiten. In einem anderen Fall wird die Partikelgröße mit einem komplexen Gerät bestimmt – einem Ionenprojektor.

Es gibt jedoch eine sehr einfache, wenn auch nicht die genaueste Methode zur Berechnung der Radien von Molekülen (oder Atomen): Sie basiert auf der Tatsache, dass die Moleküle eines Stoffes, wenn er sich im festen oder flüssigen Zustand befindet, können als dicht nebeneinander angesehen werden. In diesem Fall können wir für eine grobe Schätzung von der Lautstärke ausgehen V etwas Masse M eines Stoffes ist einfach gleich der Summe der Volumina der darin enthaltenen Moleküle. Dann erhalten wir das Volumen eines Moleküls, indem wir das Volumen dividieren V pro Anzahl der Moleküle N.

Anzahl der Moleküle in einem Körpergewicht M ist bekanntlich gleich \(~N_a \frac(m)(M)\), wobei M- Molmasse des Stoffes N A ist Avogadros Zahl. Daher die Lautstärke V 0 eines Moleküls wird aus der Gleichheit bestimmt

\(~V_0 = \frac(V)(N) = \frac(V M)(m N_A)\) .

Dieser Ausdruck umfasst das Verhältnis des Volumens eines Stoffes zu seiner Masse. Die Umkehrbeziehung \(~\frac(m)(V) = \rho\) ist die Dichte der Substanz, also

\(~V_0 = \frac(M)(\rho N_A)\) .

Die Dichte fast aller Stoffe lässt sich in für jedermann zugänglichen Tabellen finden. Die Molmasse lässt sich leicht bestimmen, wenn die chemische Formel einer Substanz bekannt ist.

\(~\frac(4)(3) \pi r^3 = \frac(M)(\rho N_A)\) .

woraus wir den Ausdruck für den Radius des Moleküls erhalten:

\(~r = \sqrt (\frac(3M)(4 \pi \rho N_A)) = \sqrt (\frac(3)(4 \pi N_A)) \sqrt (\frac(M)(\rho) )\).

Die erste dieser beiden Wurzeln ist ein konstanter Wert von ≈ 7,4 · 10 -9 mol 1/3, also die Formel für R vorgibt

\(~r \ approx 7.4 \cdot 10^(-9) \sqrt (\frac(M)(\rho)) (m)\) .

Beispielsweise ist der mit dieser Formel berechnete Radius eines Wassermoleküls gleich R B ≈ 1,9 · 10 -10 m.

Die beschriebene Methode zur Bestimmung der Radien von Molekülen kann nicht genau sein, da die Kugeln nicht so platziert werden können, dass zwischen ihnen keine Lücken entstehen, selbst wenn sie miteinander in Kontakt stehen. Darüber hinaus wären bei einer solchen „Packung“ von Molekülkugeln molekulare Bewegungen unmöglich. Dennoch liefern Berechnungen der Molekülgrößen mit der oben angegebenen Formel Ergebnisse, die nahezu mit den Ergebnissen anderer Methoden übereinstimmen, die unvergleichlich genauer sind.

Städtische Bildungseinrichtung

„Grundschule Nr. 10“

Bestimmung des Moleküldurchmessers

Labor arbeit

Darsteller: Masaev Evgeniy

7. Klasse „A“

Leiter: Reznik A.V.

Bezirk Gurjewski

Einführung

In diesem Schuljahr habe ich angefangen, Physik zu studieren. Ich habe gelernt, dass die Körper, die uns umgeben, aus winzigen Partikeln – Molekülen – bestehen. Mich interessierte die Größe der Moleküle. Aufgrund ihrer sehr geringen Größe sind Moleküle weder mit bloßem Auge noch mit einem gewöhnlichen Mikroskop erkennbar. Ich habe gelesen, dass Moleküle nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar sind. Wissenschaftler haben bewiesen, dass sich Moleküle verschiedener Substanzen voneinander unterscheiden, Moleküle derselben Substanz jedoch gleich sind. Ich wollte den Durchmesser eines Moleküls in der Praxis messen. Aber leider sieht der Schullehrplan die Untersuchung solcher Probleme nicht vor, und die alleinige Betrachtung erwies sich als schwierige Aufgabe, und ich musste die Literatur über Methoden zur Bestimmung des Durchmessers von Molekülen studieren.

KapitelICH. Moleküle

1.1 Aus der Theorie des Themas

Ein Molekül im modernen Sinne ist das kleinste Teilchen einer Substanz, das alle seine chemischen Eigenschaften besitzt. Das Molekül ist zur eigenständigen Existenz fähig. Es kann aus identischen Atomen bestehen, zum Beispiel Sauerstoff O 2, Ozon O 3, Stickstoff N 2, Phosphor P 4, Schwefel S 6 usw., oder aus verschiedenen Atomen: Dazu gehören Moleküle aller komplexen Stoffe. Die einfachsten Moleküle bestehen aus einem Atom: Dies sind Moleküle von Inertgasen – Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon. In sogenannten hochmolekularen Verbindungen und Polymeren kann jedes Molekül aus Hunderttausenden Atomen bestehen.

Der experimentelle Beweis für die Existenz von Molekülen wurde erstmals 1906 vom französischen Physiker J. Perrin am überzeugendsten erbracht, als er die Brownsche Bewegung untersuchte. Es ist, wie Perrin zeigte, das Ergebnis der thermischen Bewegung von Molekülen – und nichts anderes.

Das Wesen eines Moleküls kann aus einem anderen Blickwinkel beschrieben werden: Ein Molekül ist ein stabiles System bestehend aus Atomkernen (gleich oder unterschiedlich) und umgebenden Elektronen, und die chemischen Eigenschaften des Moleküls werden durch die Elektronen der Außenhüllen bestimmt die Atome. Atome werden in den meisten Fällen durch chemische Bindungen zu Molekülen verbunden. Typischerweise entsteht eine solche Bindung durch ein, zwei oder drei Elektronenpaare, die von zwei Atomen gemeinsam genutzt werden.

Atome in Molekülen sind in einer bestimmten Reihenfolge miteinander verbunden und auf eine bestimmte Weise im Raum verteilt. Bindungen zwischen Atomen sind unterschiedlich stark; Sie wird anhand der Energiemenge geschätzt, die aufgewendet werden muss, um interatomare Bindungen aufzubrechen.

Moleküle zeichnen sich durch eine bestimmte Größe und Form aus. Mit verschiedenen Methoden wurde festgestellt, dass 1 cm 3 eines Gases unter normalen Bedingungen etwa 2,7 x 10 19 Moleküle enthält.

Um zu verstehen, wie groß diese Zahl ist, können Sie sich vorstellen, dass das Molekül ein „Ziegelstein“ ist. Wenn man dann eine Anzahl von Ziegelsteinen, die der Anzahl der Moleküle in 1 cm 3 Gas unter normalen Bedingungen entspricht, nimmt und sie dicht auf die Landoberfläche des gesamten Globus legt, würden sie die Oberfläche mit einer 120 m hohen Schicht bedecken, die ist fast viermal so hoch wie ein 10-stöckiges Gebäude. Die große Anzahl von Molekülen pro Volumeneinheit weist auf die sehr geringe Größe der Moleküle selbst hin. Beispielsweise beträgt die Masse eines Wassermoleküls m=29,9 x 10 -27 kg. Entsprechend klein sind die Größen der Moleküle. Unter dem Durchmesser eines Moleküls versteht man die minimale Distanz, bis zu der es sich durch Abstoßungskräfte annähern kann. Das Konzept der Molekülgröße ist jedoch bedingt, da bei molekularen Abständen die Konzepte der klassischen Physik nicht immer gerechtfertigt sind. Die durchschnittliche Größe der Moleküle beträgt etwa 10–10 m.

Ein Molekül als System aus wechselwirkenden Elektronen und Kernen kann sich in verschiedenen Zuständen befinden und sich erzwungen (unter dem Einfluss äußerer Einflüsse) oder spontan von einem Zustand in einen anderen bewegen. Alle Moleküle einer bestimmten Art zeichnen sich durch einen bestimmten Zustandssatz aus, der zur Identifizierung der Moleküle dienen kann. Als eigenständige Formation weist ein Molekül in jedem Zustand einen bestimmten Satz physikalischer Eigenschaften auf; diese Eigenschaften bleiben beim Übergang von Molekülen zu dem aus ihnen bestehenden Stoff in gewissem Maße erhalten und bestimmen die Eigenschaften dieses Stoffes. Bei chemischen Umwandlungen tauschen Moleküle einer Substanz Atome mit Molekülen einer anderen Substanz aus, zerfallen in Moleküle mit weniger Atomen und gehen auch andere Arten chemischer Reaktionen ein. Daher untersucht die Chemie Stoffe und ihre Umwandlungen in untrennbarem Zusammenhang mit der Struktur und dem Zustand von Molekülen.

Ein elektrisch neutrales Teilchen wird üblicherweise als Molekül bezeichnet. In einer Substanz existieren immer positive Ionen neben negativen.

Basierend auf der Anzahl der im Molekül enthaltenen Atomkerne werden Moleküle in zweiatomige, dreiatomige usw. unterschieden. Wenn die Anzahl der Atome in einem Molekül Hunderte und Tausende übersteigt, wird das Molekül als Makromolekül bezeichnet. Die Summe der Massen aller Atome, aus denen ein Molekül besteht, wird als Molekülmasse bezeichnet. Basierend auf dem Molekulargewicht werden alle Stoffe herkömmlicherweise in nieder- und hochmolekulare unterteilt.

1.2 Methoden zur Messung des Durchmessers von Molekülen

In der Molekularphysik sind die wichtigsten „Akteure“ Moleküle, die unvorstellbar kleinen Teilchen, aus denen jede Substanz auf der Welt besteht. Es ist klar, dass es für die Untersuchung vieler Phänomene wichtig ist zu wissen, um welche Moleküle es sich handelt. Insbesondere, wie groß sind sie?

Wenn von Molekülen die Rede ist, stellt man sich diese meist als kleine, elastische, harte Kugeln vor. Daher bedeutet die Kenntnis der Größe von Molekülen auch die Kenntnis ihres Radius.

Trotz der geringen Größe der Moleküle konnten Physiker viele Methoden zu ihrer Bestimmung entwickeln. Physik 7 spricht über zwei davon. Man macht sich die Eigenschaft einiger (sehr weniger) Flüssigkeiten zunutze, sich in Form eines Films mit einer Dicke von einem Molekül auszubreiten. In einem anderen Fall wird die Partikelgröße mit einem komplexen Gerät bestimmt – einem Ionenprojektor.

Die Struktur von Molekülen wird mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht. Elektronenbeugung, Neutronenbeugung und Röntgenstrukturanalyse liefern direkte Informationen über die Struktur von Molekülen. Elektronenbeugung, eine Methode, die die Streuung von Elektronen durch einen Molekülstrahl in der Gasphase untersucht, ermöglicht die Berechnung geometrischer Konfigurationsparameter für isolierte, relativ einfache Moleküle. Neutronenbeugung und Röntgenstrukturanalyse beschränken sich auf die Analyse der Struktur von Molekülen oder einzelnen geordneten Fragmenten in der kondensierten Phase. Zusätzlich zu den oben genannten Informationen ermöglichen Röntgenuntersuchungen die Gewinnung quantitativer Daten zur räumlichen Verteilung der Elektronendichte in Molekülen.

Spektroskopische Methoden basieren auf der Individualität der Spektren chemischer Verbindungen, die durch die für jedes Molekül charakteristischen Zustände und entsprechenden Energieniveaus bestimmt wird. Diese Methoden ermöglichen die qualitative und quantitative Spektralanalyse von Substanzen.

Absorptions- oder Emissionsspektren im Mikrowellenbereich des Spektrums ermöglichen die Untersuchung von Übergängen zwischen Rotationszuständen, die Bestimmung der Trägheitsmomente von Molekülen und auf ihrer Grundlage Bindungslängen, Bindungswinkel und andere geometrische Parameter von Molekülen. Die Infrarotspektroskopie untersucht in der Regel Übergänge zwischen Schwingungs-Rotations-Zuständen und wird häufig für spektrale und analytische Zwecke eingesetzt, da viele Schwingungsfrequenzen bestimmter Strukturfragmente von Molekülen charakteristisch sind und sich beim Übergang von einem Molekül zum anderen geringfügig ändern. Gleichzeitig ermöglicht die Infrarotspektroskopie die Beurteilung der geometrischen Gleichgewichtskonfiguration. Die Spektren von Molekülen im optischen und ultravioletten Frequenzbereich hängen hauptsächlich mit Übergängen zwischen elektronischen Zuständen zusammen. Das Ergebnis ihrer Forschung sind Daten über die Eigenschaften potenzieller Oberflächen für verschiedene Zustände und die Werte der Molekülkonstanten, die diese potenziellen Oberflächen bestimmen, sowie über die Lebensdauer von Molekülen in angeregten Zuständen und die Wahrscheinlichkeiten von Übergängen von einem Zustand in einen ein anderer.

Einzigartige Informationen über die Details der elektronischen Struktur von Molekülen liefern Photo- und Röntgenphotoelektronenspektren sowie Auger-Spektren, die eine Beurteilung der Art der Symmetrie von Molekülorbitalen und der Merkmale der Elektronendichteverteilung ermöglichen . Die Laserspektroskopie (in verschiedenen Frequenzbereichen), die sich durch eine außergewöhnlich hohe Anregungsselektivität auszeichnet, hat vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchung einzelner Molekülzustände eröffnet. Die gepulste Laserspektroskopie ermöglicht die Analyse der Struktur kurzlebiger Moleküle und ihrer Umwandlungen in einem elektromagnetischen Feld.

Durch die Untersuchung ihres Verhaltens in externen elektrischen und magnetischen Feldern erhält man vielfältige Informationen über die Struktur und Eigenschaften von Molekülen.

Es gibt jedoch eine sehr einfache, wenn auch nicht die genaueste Methode zur Berechnung der Radien von Molekülen (oder Atomen): Sie basiert auf der Tatsache, dass die Moleküle eines Stoffes, wenn er sich im festen oder flüssigen Zustand befindet, können als dicht nebeneinander angesehen werden. In diesem Fall können wir für eine grobe Schätzung von der Lautstärke ausgehen V etwas Masse M eines Stoffes ist einfach gleich der Summe der Volumina der darin enthaltenen Moleküle. Dann erhalten wir das Volumen eines Moleküls, indem wir das Volumen dividieren V pro Anzahl der Moleküle N.

Anzahl der Moleküle in einem Körpergewicht M ebenso, wie bekannt ist,

, Wo M- Molmasse des Stoffes N A ist Avogadros Zahl. Daher die Lautstärke V 0 eines Moleküls wird aus der Gleichung bestimmt.

Dieser Ausdruck umfasst das Verhältnis des Volumens eines Stoffes zu seiner Masse. Das Gegenteil ist wahr