Атомно-молекулярное строение вещества

Статистический и термодинамический методы изучения физики

 

Для описания процессов, протекающих в твердых, жидких и газообразных телах используют статистический и термодинамический методы исследования.

Теорию, изучающую свойства макроскопических тел, состоящих из большого числа одинаковых частиц (атомов, молекул, электронов и т.д.), называют статистической физикой.

В соответствии с принципом неопределенностей одновременно точное определение координат и скоростей частиц невозможно. Статистическая физика, используя законы теории вероятности, объясняет наблюдаемые на опыте физические свойства тел как усредненный результат действия отдельных частиц.

Термодинамика изучает свойства макроскопических тел и протекающие в них процессы, не рассматривая их внутреннее строение.

Основу термодинамики составляют фундаментальные законы (начала), установленные как результат обобщения ряда опытных фактов.

Изучая одни и те же физические объекты с различных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга и таким образом, дают более полное представление об изучаемых веществах.

 

Атомно-молекулярное строение вещества

 

Физическое тело в любом состоянии состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул, которые хаотически движутся. Интенсивность этого движения зависит от температуры. Доказательством существования теплового хаотического движения молекул является броуновское движение ( Броун, 1827 г.).

Броуновское движение - беспорядочное (хаотическое) движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием ударов молекул окружающей среды. Диаметр частиц в опыте Броуна составлял d » 10^-6 м, а размер молекул d » 10^-10 м.

Гениальную догадку об атомистическом строении вещества, высказанную мыслителями древности, в XVII веке, подтвердил М.В. Ломоносов, привлекая гипотезу атомно-молекулярного строение вещества для объяснения наблюдаемых физических и химических явлений.

Вещество - вид материи, состоящий из фундаментальных элементарных частиц кварков и лептонов. В основном вещество построено из электронов, протонов, нейтронов, масса покоя которых не равна нулю.

Вещества, в зависимости от физических условий, могут находиться в газообразном, жидком или твердом состояниях. Согласно представлениям современной физики, атом - микрочастица - наименьшая часть химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует определенный род (вид) атома, обозначенного химическим символом, например, медь - Сu, железо - Fe, кислород - О и т.д. Атомы могут существовать в свободном и связанном состояниях. В свободном состоянии атомы образуют газ. В связанном состоянии (или в составе молекул) атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения. Наиболее полно свойства атомов определены квантовой механикой. Атом состоит из ядра и электронов.

В состав ядра атома входят протоны, несущие положительный элементарный заряд +е (½е½=1,6×10^-19 Кл) и нейтроны, не имеющие заряда. Размер атома определяется электронной оболочкой (d » 10^-11 - 10^-10 м). Электроны - частицы, несущие отрицательный элементарный заряд (- е).

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, которые соединены между собой химическими связями.

Число атомов в молекулах колеблется от двух до сотен и тысяч.

Ион - атом, имеющий заряд. Атом или молекулу, потерявших один или несколько электронов, называют положительным ионом с зарядом +kе, где k =1, 2, 3, ... - кратность ионизации, целое число.

Атом или молекулу, присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательным ионом с зарядом -kе.

Мерой количества вещества в СИ считается моль.

Моль - количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов, молекул), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода .

Массу моля вещества называют молярной массой и обозначают M. Число молей

n = m/M

(1.1)

где m - масса вещества.

Единицей измерения молярной массы в СИ считается кг/моль.

Так как, в одном моле вещества содержится число молекул, равное числу Авогадро (N_a=6,02×10²³ моль^-1)_, а масса моля равна малярной массе, тогда масса одной молекулы

.

(1.2)

Например, молярная масса воды M = 18 × 10^-3 кг/моль, следовательно масса молекулы воды m₀»3×10^-26 кг. Если некоторая масса вещества содержит N молекул, то число молей

.

(1.3)

Если предположить, что молекулы воды имеют шарообразную форму и плотно прилегают друг к другу, то диаметр одной молекулы

d = . d » 3×10^-10 м.

Моли различных газов при нормальных условиях (атмосферном давлении Р₀ = 1,013× 10⁵ Па и температуре t₀= 0^оС) занимают объем V = 22,4×10^-3 м³.