Размер молекулы хлора в микронах. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры молекул

Диаметр молекулы воды равен примерно 0 0000000 Зсм.
Диаметр молекулы воды, вычисленный с помощью числа Аво-гадро, равен трем ангстремам. Подобная определенность объективно присуща молекуле любого вещества. Значит, структура выступает как пространственное расположение частиц в молекуле.
Диаметр молекулы воды составляет 0 29нм (2 9 А), что сопоставимо с размерами пор и дефектов большинства неметаллических материалов. Это обусловливает ее достаточно высокую проникающую способность, особенно в пористые силикатные материалы и композиты.
Диаметр молекулы воды равен всего 2 5 10 - 10 м, и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры.
Стеклопластик на эпоксиполиэфирном связующем после 9 ч кипячения в дистиллированной воде.| Структура химически стойкого стеклопластика на основе смолы ПН-16 после экспонирования в течение 1000 ч I в кипящей воде (7500 х. Если диаметр молекулы воды равен 0 276 нм, то диаметр ионной атмосферы, определяющий эффективный размер ионов в растворе 0 6 % - ного NaCl, составляет примерно 1 нм. Увеличение концентрации раствора электролита вызывает рост толщины ионной атмосферы.
Поперечник их в местах расширения превышает диаметр молекул воды. Плавление льда сопровождается разрывом связей между некоторыми молекулами и провалом их в каналы структуры льда. Повышение температуры сопровождается дальнейшим разрушением структуры.
На поверхности последних образуется тонкая пленка толщиной в два-три диаметра молекул воды. При своем возникновении выделяет теплоту смачивания.
При толщине слоя адсорбированной влаги, равной 10 - 30 диаметрам молекул воды, по Б. В. Дерягину, образуется сольватный слой практически без выделения тепла. Этот слой, как указывает Ф. Е. Колясев, также имеет аномальные физико-химические свойства по сравнению с жидкостью в объеме.
Это объясняется тем, что материалы обладают пористой структурой и размеры пор превышают диаметр молекул воды. Кроме того, вдоль выводов элементов на границе соприкосновения материалов с различными коэффициентами линейного расширения образуются капилляры.
Физически связанная вода удерживается на поверхности минеральных частиц силами молекулярного сцепления и имеет форму тончайших пленок толщиной до нескольких сотен диаметров молекулы воды.
Толшина пленки воды на поверхности колеблется в пределах 0 5 - 3 0 - Ю 6 см. Если учесть, что диаметр молекулы воды равняется ЗА, то, следовательно, на поверхности в среднем образуется слой воды, равный 100 молекулам. Для создания водоотталкивающего слоя на поверхности керамики необходимо образовавшийся слой воды выдержать при относительной влажности 60 - 90 % в течении 4 час.
Воды в породах. Связанные воды удерживаются на поверхности минеральных частиц породы силами молекулярного сцепления, образуя слой, толщина которого может достигать нескольких сот диаметров молекулы воды. Внешняя, большая, часть этого слоя представлена рыхло связанной (лиосорбиро-ванной) водой.

Как видно из таблицы, отношение R - г, т, е, расстояния между двумя сферами гидратного комплекса к диаметру молекулы воды 2га, во многих случаях равно единице, или R - r - 2ra; иными словами, в таких комплексах молекулы воды окружают центральный ион, будучи расположены вокруг оболочкой, толщиной в молекулу, в один слой.
Толщина пленки воды на поверхности колеблется в пределах 0 5 - 3 0 - 10 - 6 см. Если учесть, что диаметр молекулы воды равняется ЗА, то, следовательно, на поверхности в среднем образуется слой воды, равный 100 молекулам. Для создания водоотталкивающего слоя на поверхности керамики необходимо образовавшийся слой воды выдержать при относительной влажности 60 - 90 % в течении 4 час.
Кроме того, для экстраполяции к гг оо не может быть использована обратная функция только гг из-за влияния члена, определяемого радиусом или диаметром молекулы воды. Более полный расчет энтальпии гидратации, подобный предложенному Букингемом , в котором учтены члены, связанные с ион-дипольными, диполь-дипольными и ди-поль-квадрупольными взаимодействиями, и влияние индуцированных дипольных моментов, приводит к еще более сложному показателю степени функции обратной величины ионного радиуса. Холливел и Найбург провели также несколько более изящный расчет, основанный на учете возможности координационных чисел 6 или 4 в основной гидратной оболочке и моделях твердой сферы и мягкой сферы для контакта ион - растворитель.
Влагопоглощение таких гетерогенных систем, как стеклопластики, можно рассматривать как две стороны одного процесса - проникновение подвижной среды с малым диаметром молекул (диаметр молекул воды равен 2 7 А) внутрь органического материала вследствие существования в нем молекулярных дырок, а также микропор на поверхности раздела волокно - смола и других дефектов структуры. Если микроскопические и субмикроскопические поры, трещины и капилляры в основном зависят от технологических причин и носят случайный характер, то межмолекулярные дырки всегда присущи органическим материалам. Поэтому для полимеров с большим диаметром молекулярных образований проницаемость для водяных паров является по существу неизбежной. У полимеров с кристаллической структурой, у кристаллических предельных углеводородов и жестких малополярных полимеров количество поглощаемой влаги будет ничтожно.
Для многоатомных ионов (например, для МпО) ионный радиус полагается равным кристаллографическому радиусу, а для одноатомных ионов к кристаллографическому радиусу добавляется диаметр молекулы воды.
Толщина пленки связанной воды при максимальной молекулярной влагоемкости составляет не менее 0 005 - 0 01 мкм, что соответствует примерно 20 - 40 диаметрам молекул воды.
Гельмгольцем в 1853 г. Он полагал, что двойной электрический слой состоит из двух слоев зарядов противоположного знака, находящихся друг от друга на расстоянии порядка диаметра молекулы воды: слоя зарядов на металле и слоя притянутых к нему ионов. Одновременно предполагалось, что заряды в обоих этих слоях равномерно размазаны вдоль поверхности, так что можно провести полную аналогию между двойным слоем и обычным плоским конденсатором.
Если предположить, что диаметр иона гидроксония равен диаметру молекулы воды, то расстояние между двумя ионами нептуния получится равным 10 3 А при использовании для радиуса ионов нептуния и диаметра молекулы воды величин, приведенных в работе Коена, Сулливана, Амиса и Хиндмана.
Первая простейшая модель двойного электрического слоя была предложена Гельмгольцем в 1853 г. Согласно Гельмголь-цу, двойной слой на границе металлический электрод - раствор представляет собой два слоя зарядов, расположенных на расстоянии порядка диаметра молекулы воды. Один слой зарядов находится на металле, другой - в растворе и состоит из притянутых к электроду противоположно заряженных ионов. Следует сразу оговорить, что предположение о размазанном заряде справедливо только для металлической обкладки. Для ионной обкладки оно выполняется тем лучше, чем более концентрированным является раствор и чем больше плотность зарядов на обкладках.
Таким образом, теория Борна является хорошим первым приближением, конечно, если не считать, что в качестве эффективных радиусов ионов принимаются величины, которые, как указали Или и Эванс , превышают радиусы в кристалле на половину диаметра молекул воды или атома кислорода. Улучшение простой электростатической теории может заключаться в рассмотрении кварцеподобной структуры воды вместо однородного диэлектрика. При этом необходимо ввести дополнительные энергетические члены, учитывающие взаимодействие иона с диполями растворителя, и межмолекулярное отталкивание, возрастающее при изменении ориентации диполей растворителя вблизи иона.
В работах 82, 83 ] было показано, что основной вклад в свободную энергию системы полипептид - растворитель вносят взаимодействия с ближайшими молекулами растворителя. Грубо говоря, если d - диаметр молекулы воды, то при расстояниях между рассматриваемой парой атомов rd / o (/ о - сумма их ван-дер-ваальсовых радиусов) молекулы воды вытесняются и вклад в свободную энергию становится равным нулю. С другой стороны, если мы будем сближать один атом с другим, то он вытеснит определенное количество молекул растворителя, пропорциональное объему этого атома U, но если расстояние станет меньше d r0, то количество вытесняемого растворителя практически не увеличится. Такого рода рассуждения привели Гибсона и Шерага к поиску аналитических выражений для энергии гидратации.
Исходя из предположения, что частички твердой фазы покрываются мономолекулярным слоем воды, определяют количество адсорб-ционно связанной воды. Толщина мономолекулярного слоя должна быть равна диаметру молекулы воды (h 2 76 10 - 8 см), так как каждый атом кислорода окружен тетраэдрически четырьмя другими атомами кислорода на расстоянии 2 76 А.
У металлов с диаметром атомов 2 76 А водородное перенапряжение оказывается наименьшим, а кислородное перенапряжение - наибольшим. Величина 2 76 А совпадает с диаметром молекулы воды. Плотнейшее заполнение поверхности электрода диполями воды повышает градиент потенциала в приэлектродном слое.
Наиболее прочно с твердой фазой почвы связан молекулярный слой воды. Толщина слоя полимолекулярной адсорбции может достигать нескольких сотен диаметров молекул воды. По мере удаления от твердой фазы связь воды становится менее прочной. Первые ряды молекул образуют прочно связанную или гигроскопическую воду. Чем дисперснее почва, тем больше будет сорбирована вода. Гигроскопическая вода достигает плотности 1 4 г / см3, не содержит растворенных веществ, не способна проводить электрический ток и передвигаться в почве. Количество воды, которое почва или грунт могут удержать при данной температуре и влажности воздуха, определяет гигроскопическую влажность почвы.

Данные о зависимости интенсивности рассеяния [ рентгеновских лучей в воде от угла между рассеянным излучением и падающим пучком лучей позволили показать, что в ближайшем окружении каждой молекулы воды в жидкости находится в среднем 4 4 - 4 8 молекул воды, что в общем согласуется с высказанным еще Берналом и Фаулером представлением о тетраэдрической структуре воды на очень близких расстояниях, правда, несколько искаженной по сравнению с кристаллической структурой льда. Эта структура существует еще на расстоянии примерно 1 6 диаметра молекулы воды от молекулы, рассматриваемой в качестве центральной, но уже на расстоянии 0 8 нм упорядоченность структуры жидкости практически исчезает. Прочность водородных связей в жидкой воде меньше, чем в кристалле льда, и связи эти могут довольно значительно изгибаться и растягиваться без разрыва при вращении одной молекулы относительно другой, уч аст-вующей в водородной связи.
Данные о зависимости интенсивности рассеяния рентгеновских лучей в воде от угла между рассеянным излучением и падающим пучком лучей позволили показать, что в ближайшем окружении каждой молекулы воды в жидкости находится в среднем 4 4 - 4 8 молекул воды, что в общем согласуется с высказанным еще Берналом и Фаулером представлением о тетраэдрической структуре воды на очень близких расстояниях, правда, несколько искаженной по сравнению с кристаллической структурой льда. Эта структура существует еще на расстоянии примерно 1 6 диаметра молекулы воды от молекулы, рассматриваемой в качестве центральной, но уже на расстоянии 0 8 нм упорядоченность структуры жидкости практически исчезает. Прочность водородных связей в жидкой воде меньше, чем в кристалле льда, и связи эти могут довольно значительно изгибаться и растягиваться без разрыва при вращении одной молекулы относительно другой, участвующей в водородной связи.
Уравнение Борна (IV.25), не учитывающее донорно-акцепторного взаимодействия иона с растворителем, дает неточный результат при расчете полной энергии гидратации, но оно вполне пригодно для вычисления энергии вторичной гидратации. Для расчета ДО в уравнение (IV.25) следует подставить радиус гидратного комплекса, который сложится из радиуса иона и диаметра молекулы воды, Най.
Толщина слоя гигроскопической воды строго не установлена. Большинство исследователей считают этот слой полимолекулярным, так, по Б. В. Деряги-ну, толщина его составляет 23 - 27 диаметров молекул воды.
А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. Хомутов в своих последующих работах обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента b в формуле Гафеля.
Изотерма адсорбции тетра - МИ9ПВОД9Ь С энергией, близкой метплоктаыбензолсульфоната натрия к кДж / моль. Величина из водных растворов при температу - последней превышает уменьше-ре 25е С на аэросиле. ние мольной свободной энергии. Длина углеводородного радикала этого иона равна 18 1 А, диаметр ополярной группы в водном растворе при С9 ККМХ - 8 88 А, а диаметр молекулы воды - 3 1 А.
Строение двойного электрического слоя на границе металл - раствор впервые было описано русским ученым Р. А. Колли в 1878 г. По его представлениям, двойной слой подобен плоскому конденсатору, обкладки которого расположены на расстоянии диаметра молекулы воды. Наружная обкладка образована слоем адсорбированных ионов. Они показали, что тепловое движение приводит к десорбции части ионов с поверхности металла (рис. 49) 1, которые образуют диффузный (рассеянный) слой. Последний сжат до определенной толщины электрическим полем заряженного металла. Его толщина уменьшается с повышением заряда металла и концентрации ионов в растворе и увеличивается с повышением температуры. Толщина адсорбционного слоя равна радиусу гидратированного иона. Диффузный слой отсутствует, если металл не несет избыточного электрического заряда, а также в концентрированных растворах электролитов.
Физические свойства гидрофильных волокон, таких как шерсть, волосы, найлон, искусственный шелк, сильно зависят от количества адсорбированной воды. Эти изменения свойств волокон обусловлены большой поляризуемостью воды (и, следовательно, большими значениями индуцированного дипольного момента), способностью молекулы воды образовывать относительно сильные водородные связи и ее сравнительно небольшим размером - диаметр молекулы воды составляет примерно 2 7 А.
Пластмассовый корпус. Кроме того, вода - химически активное вещество, которое способствует образованию растворов солей, кислот, щелочей, коллоидных растворов. Поскольку диаметр молекул воды равен 3 А, влага способна проникать через микропоры и микротрещины защитных материалов и пленок.
График функции распределения. Успехи современной науки в этой области позволяют утверждать, что как размеры, так и массы отдельных молекул твердо установлены. Если условно представлять себе молекулы в виде шариков, то их диаметры в большинстве случаев составят несколько ангстрем. Например, диаметр молекулы воды (Н2О) равен 2 6 - 10 - 10 м 2 6 А.
Главнейшими из сил, определяющих энергию адсорбции цемента, являются электростатические силы взаимодействия между ионами поверхности частиц и диполями воды. Эти силы имеют незначительный ра-диус действия, не превышающий нескольких ангстремов. На расстояниях от поверхности частиц более диаметра молекул воды силы взаимодействия дополняются поляризационными или дисперсионными ван-дер-ваальсо-выми силами, обусловленными мгновенными диполями, возникающими благодаря движению электронов в молекуле.
Если силы взаимодействия молекул воды с материалом больше сил взаимодействия молекул воды друг с другом, то вода будет хорошо смачивать такой материал. Если на поверхности материала имеются дефекты структуры, соизмеримые с диаметром молекулы воды (0 29 нм), то молекулы воды могут внедриться в объем материала и при наличии такой же по размеру пористости (дефектности) в объеме материала будут диффундировать по механизму активированной диффузии, аналогично диффузии газов. Силикатные стекла способны вполне свободно поглощать пары воды, так как размер дефектов в них находится в пределах от 0 7 до 1 7 нм.

Уравнение Борна (IV.25), не учитывающее донорно-акцепторного взаимодействия иона с растворителем, дает неточный результат при расчете полной энергии гидратации, но оно вполне пригодно для вычисления энергии вторичной гидратации. Для расчета ДО в уравнение (IV.25) следует подставить радиус гидратного комплекса, который сложится из радиуса иона и диаметра молекулы воды.
Схема относительного расположения плоскостей, соответствующих разрывам диэлектрической проницаемости (г 0 и г Aj, адсорбции ионов (г г0 и наибольшему приближению неадсорбированных ионов (г h. Вследствие этого центры всех адсорбированных ионов должны лежать в одной плоскости (часто именуемой внутренней плоскостью Гельмгольца) на расстоянии z0 от поверхности электрода. С другой стороны, ионы, которые не могут адсорбироваться или еще не адсорбировались, прочно удерживают по меньшей мере одну оболочку из молекул воды. Расстояние их наибольшего приближения к поверхности, которое обозначается hQ, должно приблизительно равняться сумме ионного радиуса и диаметра молекулы воды.
Кобозев (1947), а также Бокрис (1951) установили зависимость между работой выхода электрона и перенапряжением водорода. Хомутов (1950), сопоставляя величину перенапряжения водорода с минимальным расстоянием между атомами в металлах, нашел, что наименьшее перенапряжение наблюдается на металлах с межатомным расстоянием; около 2 7 А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. Хомутов в своих последующих работах обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента Ь в формуле Тафеля.
Хомутов (1950), сопоставляя величину перенапряжения водорода с минимальным расстоянием между атомами в металлах, нашел, что наименьшее перенапряжение наблюдается на металлах с межатомным расстоянием, близким к 2 7 А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. В своих последующих работах он обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента b в формуле Тафеля.
Окончательное выражение для функции / (t) не приводится из-за его громоздкого вида. Задавая различные значения ij, по уравнениям (23.14) и (23.15) можно определить соответствующие друг другу величины С и ф0 и, таким образом, построить С, ф0 - кривую. При расчете предполагалось, что КГ 20 мкф / см2, Кт 38 мкф / см., а средняя толщина плотного слоя d была принята равной диаметру молекулы воды.
Окончательное выражение для функции / (tyi) не приводится из-за его громоздкого вида. Задавая различные значения г, по уравнениям (23.14) и (23.15) можно определить соответствующие друг другу величины С и ф0 и, таким образом, построить С, ф0 - кривую. При расчете предполагалось, что Ki0 2Q Ф / м2, / Сг0 38 ф / м2, а средняя толщина плотного слоя d была принята равной диаметру молекулы воды.

«Физика - 10 класс»

Какие физические объекты (системы) изучает молекулярная физика?
Как различить механические и тепловые явления?

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения:

1) вещество состоит из частиц;
2) эти частицы беспорядочно движутся;
3) частицы взаимодействуют друг с другом.

Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов.

Свойства и поведение всех без исключения тел определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц: молекул, атомов или ещё более малых образований - элементарных частиц.

Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в существовании молекул надо определить их размеры. Проще всего это сделать, наблюдая расплывание капельки масла, например оливкового, по поверхности воды. Масло никогда не займёт всю поверхность, если мы возьмём достаточно широкий сосуд (рис. 8.1). Нельзя заставить капельку объёмом 1 мм 2 расплыться так, чтобы она заняла площадь поверхности более 0,6 м 2 . Предположим, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу - «мономолекулярный слой». Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла.

Объём V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т. е. V = Sd. Следовательно, линейный размер молекулы оливкового масла равен:

Современные приборы позволяют увидеть и даже измерить отдельные атомы и молекулы. На рисунке 8.2 показана микрофотография поверхности кремниевой пластины, где бугорки - это отдельные атомы кремния. Подобные изображения впервые научились получать в 1981 г. с помощью сложных туннельных микроскопов.

Размеры молекул, в том числе и оливкового масла, больше размеров атомов. Диаметр любого атома примерно равен 10 -8 см. Эти размеры так малы, что их трудно себе представить. В таких случаях прибегают к помощи сравнений.

Вот одно из них. Если пальцы сжать в кулак и увеличить его до размеров земного шара, то атом при том же увеличении станет размером с кулак.

Число молекул.

При очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Подсчитаем примерное число молекул в капле воды массой 1 г и, следовательно, объёмом 1 см 3 .

Диаметр молекулы воды равен примерно 3 10 -8 см. Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объём (3 10 -8 см) 3 , можно найти число молекул в капле, разделив объём капли (1 см 3) на объём, приходящийся на одну молекулу:

Масса молекул.

Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Мы вычислили что в 1 г воды содержится 3,7 10 22 молекул. Следовательно, масса одной молекулы воды (Н 2 0) равна:

Массу такого же порядка имеют молекулы других веществ, исключая огромные молекулы органических веществ; например, белки имеют массу, в сотни тысяч раз большую, чем масса отдельных атомов. Но всё равно их массы в макроскопических масштабах (граммах и килограммах) чрезвычайно малы.

Относительная молекулярная масса.

Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчётах не абсолютные значения масс, а относительные.

По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с массы атома углерода (так называемая углеродная шкала атомных масс).

Относительной молекулярной (или атомной) массой М r вещества называют отношение массы m 0 молекулы (или атома) данного вещества к массы атома углерода:

Относительные атомные массы всех химических элементов точ- но измерены. Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы вещества, можно вычислить относительную молекулярную массу вещества. Например, относительная молекулярная масса углекислого газа СO 2 приближённо равна 44, так как относительная атомная масса углерода практически равна 12, а кислорода примерно 16: 12 + 2 16 = 44.

Сравнение атомов и молекул с массы атома углерода было принято в 1961 г. Главная причина такого выбора состоит в том, что углерод входит в огромное число различных химических соединений. Множитель введён для того, чтобы относительные массы атомов были близки к целым числам.

Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: мы не наблюдаем этих отдельных частиц, тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. М. В. Ломоносов в одной из своих работ писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Итак, причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.

В лучший оптический микроскоп, который дает возможность различать предметы, размеры которых не меньше , рассмотреть отдельные молекулы, даже самые крупные, нельзя. Однако целый ряд косвенных методов позволил не только надежно доказать существование молекул и атомов, но даже установить их размеры. Так, размер атома водорода можно считать равным ; длина молекулы водорода, т. е. расстояние между центрами двух атомов, ее составляющих, равна . Существуют более крупные молекулы, например молекулы белка (альбумин) имеют размеры . В последние годы благодаря устройству специального прибора, позволяющего исследовать объекты чрезвычайно малых размеров, - электронного микроскопа - оказалось возможным сфотографировать не только крупные молекулы, но и атомы.

О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно судить и без измерений, исходя из возможности получать очень малые количества разных веществ. Разведя чернил (например, зеленых) в литре чистой воды, а затем разведя этого раствора еще раз в литре воды, мы получим разведение в раз. И все же мы увидим, что последний раствор имеет заметную зеленую окраску и вместе с тем вполне однороден. Следовательно, в самом малом объеме, который еще может различить глаз, даже при таком разведении находится очень много молекул красящего вещества, Это показывает, как малы эти молекулы.

Золото можно расплющивать в листки толщины , а обрабатывая такие листки водным раствором цианистого калия, можно получать листки золота толщины . Следовательно, размер молекулы золота значительно меньше одной сотой доли микрометра.

На рисунках мы будем изображать молекулы в виде шариков. Однако молекулы (а также, как увидим дальше, и атомы) имеют строение, различное у разных веществ, часто довольно сложное. Известны, например, форма и строение не только таких простых «молекул, как и (рис. 370), но и несравненно более сложных, содержащих многие тысячи атомов.

Рис.. 370. Схемы строения молекул воды (а) и углекислого газа (б)

Когда два или более атома вступают в химические связи друг с другом, возникают молекулы. При этом не имеет значения, являются ли эти атомы одинаковыми или они вовсе отличаются друг от друга как по форме, так и по своему размеру. Мы с вами разберемся, какова величина молекул и от чего это зависит.

Что такое молекулы?

На протяжении тысячелетий ученые размышляли о тайне жизни, о том, что именно происходит при ее зарождении. Согласно самым древним культурам, жизнь и все-все в этом мире состоит из основных элементов природы - земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако со временем многие философы начали выдвигать идею, что все вещи состоят из крошечных, неделимых вещей, которые не могут быть созданы и уничтожены.

Однако только после появления атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые в совокупности, породили основные строительные блоки всех вещей. Так появился термин, который в контексте современной теории частиц относится к мельчайшим единицам массы.

По своему классическому определению, молекула - это наименьшая частица вещества, которая помогает сохранять его химические и физические свойства. Она состоит из двух или более атомов, а также групп одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.

Какова величина молекул? В 5 классе природоведение (школьный предмет) дает лишь общее представление о размерах и формах, более подробно этот вопрос изучается в старших классах на уроках химии.

Примеры молекул

Молекулы могут быть простыми или сложными. Вот некоторые примеры:

H 2 O (вода);
N 2 (азот);
O 3 (озон);
CaO (оксид кальция);
C 6 H 12 O 6 (глюкоза).

Молекулы, состоящие из двух или более элементов, называются соединениями. Так, вода, оксид кальция и глюкоза являются составными. Не все соединения являются молекулами, но все молекулы являются соединениями. Насколько большими они могут быть? Какова величина молекулы? Известен тот факт, что почти все вокруг нас состоит из атомов (кроме света и звука). Их общий вес и будет составлять массу молекулы.

Молекулярная масса

Говоря о том, какова величина молекул, большинство ученых отталкиваются от молекулярной массы. Это общий вес всех входящих в нее атомов:

Вода, состоящая из двух атомов водорода (имеющих по одной единице атомной массы) и одного атома кислорода (16 единиц атомной массы), имеет молекулярный вес 18 (точнее, 18,01528).
Глюкоза имеет молекулярную массу 180.
ДНК, которая является очень длинной, может иметь молекулярную массу, которая составляет около 1010 (приблизительный вес одной человеческой хромосомы).

Измерение в нанометрах

В дополнение к массе мы также можем измерить, какова величина молекул в нанометрах. Единица воды составляет около 0,27 Нм в поперечнике. ДНК достигает 2 Нм в поперечнике и может растягиваться до нескольких метров в длину. Трудно себе представить, как такие размеры могут умещаться в одной клетке. Соотношение длины и толщины ДНК удивительно. Оно составляет 1/100 000 000, это как человеческий волос с длиной в футбольное поле.

Формы и размеры

Какова величина молекул? Они бывают разных форм и размеров. Вода и углекислый газ при этом являются одними из самых маленьких, белки - одними из самых больших. Молекулы - это элементы, состоящие из атомов, которые связаны друг с другом. Понимание внешнего вида молекул традиционно является частью химии. Помимо их непостижимо странного химического поведения, одной из важных характеристик молекул является их размер.

Где может быть особенно полезным знание о том, какова величина молекул? Ответ на этот и многие другие вопросы помогает в сфере нанотехнологий, так как концепция нанороботов и интеллектуальных материалов обязательно имеет дело с эффектами молекулярных размеров и форм.

Какова величина молекул?

В 5 классе природоведение по этой теме дает только общую информацию, что все молекулы состоят из атомов, которые находятся в постоянном беспорядочном движении. В старших классах можно уже увидеть структурные формулы в учебниках химии, которые напоминают действительную форму молекул. Однако невозможно измерить их длину с помощью обычной линейки, а чтобы это сделать, нужно знать, что молекулы представляют собой трехмерные объекты. Их изображение на бумаге является проекцией на двумерную плоскость. Длина молекулы изменяется с помощью связей длин ее углов. Существуют три основных:

Угол тетраэдра 109°, когда все связи этого атома со всеми другими атомами являются одинарными (только одно тире).
Угол шестиугольника 120°, когда один атом имеет одну двойную связь с другим атомом.
Угол линии 180°, когда атом имеет либо две двойные связи, либо одну тройную с другим атомом.

Реальные углы часто отличаются от этих углов, так как необходимо учитывать целый ряд разнообразных эффектов, в том числе электростатические взаимодействия.

Как представить себе размер молекул: примеры

Какова величина молекул? В 5 классе ответы на этот вопрос, как мы уже говорили, носят общий характер. Школьники знают, что размер названных соединений очень маленький. Вот, например, если превратить молекулу песка в одной единственной песчинке в целую песчинку, то под получившейся массой можно было бы спрятать дом в пять этажей. Какова величина молекул? Краткий ответ, которой также является и более научным, имеет следующий вид.

Молекулярная масса приравнивается к отношению массы всего вещества к количеству молекул в веществе или отношению молярной массы к постоянной Авогадро. Единицей измерения является килограмм. В среднем молекулярная масса составляет 10 -23 -10 -26 кг. Возьмем, например, воду. Ее молекулярная масса будет 3 х 10 -26 кг.

Как размер молекулы влияет на силы притяжения?

Ответственной за притяжение между молекулами является электромагнитная сила, которая проявляется через притяжение противоположных и отталкивание подобных зарядов. Электростатическая сила, которая существует между противоположными зарядами, доминирует во взаимодействиях между атомами и между молекулами. Гравитационная сила настолько мала в этом случае, что ею можно пренебречь.

При этом размер молекулы влияет на силу притяжения через электронное облако случайных искажений, возникающих при распределении электронов молекулы. В случае неполярных частиц, проявляющих только слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия или дисперсионные силы, размер молекул оказывает прямое влияние на величину электронного облака, окружающего указанную молекулу. Чем она больше, тем больше и заряженное поле, которое ее окружает.

Большее электронное облако означает, что между соседними молекулами может происходить больше электронных взаимодействий. В результате одна часть молекулы развивает временный положительный частичный заряд, а другая - отрицательный. Когда это происходит, молекула может поляризовать электронное облако у соседней. Притяжение происходит потому, что частичная положительная сторона одной молекулы притягивается к частичной отрицательной стороне другой.

Заключение

Итак, какова величина молекул? В природоведении, как мы выяснили, можно найти лишь образное представление о массе и размерах этих мельчайших частиц. Но мы знаем, что есть простые и сложные соединения. И ко вторым можно отнести такое понятие, как макромолекула. Это очень большая единица, например белок, которая обычно создается путем полимеризации меньших субъединиц (мономеров). Они обычно состоят из тысяч атомов или более.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Основная общеобразовательная школа №10»

Определение диаметра молекул

Лабораторная работа

Исполнитель: Масаев Евгений

7 класс «А»

Руководитель: Резник А. В.

Гурьевский район

Введение

В этом учебном году я начал изучать физику. Я узнал, что тела, которые нас окружают, состоят из мельчайших частиц – молекул. Меня заинтересовало, каковы размеры молекул. Из-за очень малых размеров молекулы нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью обыкновенного микроскопа. Я прочитал, что молекулы можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Ученые доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Мне захотелось на практике измерить диаметр молекулы. Но к сожалению, в школьной программе не предусматривает изучение проблем такого рода, а рассмотреть её одному оказалось нелёгкой задачей и пришлось изучать литературу о методах определения диаметра молекул.

Глава I . Молекулы

1.1 Из теории вопроса

Молекула в современном понимании – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула способна к самостоятельному существованию. Она может состоять как из одинаковых атомов, например кислород О 2 , озон О 3 , азот N 2 , фосфор P 4 , сера S 6 и т. д., так и из различных атомов: сюда относятся молекулы всех сложных веществ. Простейшие молекулы состоят из одного атома: это молекулы инертных газов – гелия, неона, аргона, криптона, ксенона, радона. В так называемых высокомолекулярных соединениях и полимерах каждая молекула может состоять из сотен тысяч атомов.

Экспериментальное доказательство существования молекул первым наиболее убедительно дал французский физик Ж. Перрен в 1906 г. при изучении броуновского движения. Оно, как показал Перрен, является результатом теплового движения молекул – и ничем иным.

Сущность молекулы можно описать и с другой точки зрения: молекула – устойчивая система, состоящая из ядер атомов (одинаковых или различных) и окружающих электронов, причем химические свойства молекулы определяются электронами внешних оболочек в атомах. Атомы объединяются в молекулы в большинстве случаев химическими связями. Обычно такая связь создается одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома.

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности и определённым образом распределены в пространстве. Связи между атомами имеют различную прочность; она оценивается величиной энергии, которую необходимо затратить для разрыва межатомных связей.

Молекулы характеризуются определёнными размером и формой. Различными способами было определено, что в 1 см 3 любого газа при нормальных условиях содержится около 2,7x10 19 молекул.

Чтобы понять, насколько велико это число, можно представить, что молекула – это «кирпич». Тогда если взять количество кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, и плотно уложить ими поверхность суши всего земного шара, то они покрыли бы поверхность слоем высотой 120 м, что почти в 4 раза превосходит высоту 10-этажного дома. Огромное число молекул в единице объёма указывает на очень малые размеры самих молекул. Например, масса молекулы воды m=29,9 x 10 -27 кг. Соответственно малы и размеры молекул. Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяет сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным, так как на молекулярных расстояниях представления классической физики не всегда оправданы. Средний размер молекул порядка 10-10 м.

Молекула как система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращениях молекулы одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул.

Обычно молекулой называют электрически нейтральную частицу. В веществе положительные ионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными.

По числу входящих в молекулу атомных ядер различают молекулы двухатомные, трехатомные и т.д. Если число атомов в молекуле превосходит сотни и тысячи, молекула называется макромолекулой. Сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы, рассматривается как молекулярная масса. По величине молекулярной массы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные.

1.2 Методы измерения диаметра молекул

В молекулярной физике главные «действующие лица» - это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности, каковы их размеры.

Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул, значит знать их радиус.

Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В «Физике 7» рассказывается о двух из них. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. В другом размер частицы определяется с помощью сложного прибора - ионного проектора.

Строение молекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография, нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получать непосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод, исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяет рассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительно простых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограничены анализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированной фазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений дают возможность получить количественные данные о пространственном распределении электронной плотности в молекулах.

Спектроскопические методы основаны на индивидуальности спектров химических соединений, которая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный спектральный анализ веществ.

Спектры поглощения или испускания в микроволновой области спектра позволяют изучать переходы между вращательными состояниями, определять моменты инерции молекул, а на их основе - длины связей, валентные углы и другие геометрические параметры молекул. Инфракрасная спектроскопия исследует, как правило, переходы между колебательно-вращательными состояниями и широко используется для спектрально-аналитических целей, поскольку многие частоты колебаний определенных структурных фрагментов молекул являются характеристическими и слабо меняются при переходе от одной молекулы к другой. В то же время инфракрасная спектроскопия позволяет судить и о равновесной геометрической конфигурации. Спектры молекул в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах частот связаны главным образом с переходами между электронными состояниями. Результатом их исследований являются данные об особенностях потенциальных поверхностей для различных состояний и значения молекулярных постоянных, определяющих эти потенциальные поверхности, также времена жизни молекул в возбужденных состояниях и вероятности переходов из одного состояния в другое.

О деталях электронного строения молекул уникальную информацию дают фото- и рентгеноэлектронные спектры, а также оже-спектры, позволяющие оценить тип симметрии молекулярных орбиталей и особенности распределения электронной плотности. Широкие возможности для изучения отдельных состояний молекул открыла лазерная спектроскопия (в различных диапазонах частот), отличающаяся исключительно высокой селективностью возбуждения. Импульсная лазерная спектроскопия позволяет анализировать строение короткоживущих молекул и их превращения в электромагнитное поле.

Разнообразную информацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешних электрических и магнитных полях.

Существует, однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусов молекул (или атомов) Он основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N .

Число молекул в теле массой m равно, как известно,

, где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение

есть плотность вещества, так что