Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.
Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10 -8 см.
Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%).
Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.
Моль вещества
Массы отдельных молекул и атомов очень малы, поэтому в расчётах удобнее использовать не абсолютные значения масс, а относительные.
Относительная молекулярная масса (или относительная атомная масса ) вещества М r – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.
М r = (m 0) : (m 0C / 12)
где m 0 – масса молекулы (или атома) данного вещества, m 0C – масса атома углерода.
Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.
Атомная единица массы – это 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Точные измерения показали, что атомная единица массы составляет 1,660*10 -27 кг, то есть
1 а.е.м. = 1,660 * 10 -27 кг
Относительная молекулярная масса вещества может быть вычислена путём сложения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества. Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
В периодической системе Д.И. Менделеева для каждого элемента указана атомная масса , которая измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, атомная масса магния равна 24,305 а.е.м., то есть магний в два раза тяжелее углерода, так как атомная масса углерода равна 12 а.е.м. (это следует из того, что 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода, который составляет большую часть атома углерода).
Зачем измерять массу молекул и атомов в а.е.м., если есть граммы и килограммы? Конечно, можно использовать и эти единицы измерения, но это будет очень неудобно для записи (слишком много чисел придётся использовать для того, чтобы записать массу). Чтобы найти массу элемента в килограммах, нужно атомную массу элемента умножить на 1 а.е.м. Атомная масса находится по таблице Менделеева (записана справа от буквенного обозначения элемента). Например, вес атома магния в килограммах будет:
m 0Mg = 24,305 * 1 a.e.м. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг
Массу молекулы можно вычислить путём сложения масс элементов, которые входят в состав молекулы. Например, масса молекулы воды (Н 2 О) будет равна:
m 0Н2О = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10 -27 кг
Моль равен количеству вещества системы, в которой содержится столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода С 12 . То есть, если у нас есть система с каким-либо веществом, и в этой системе столько же молекул этого вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода, то мы можем сказать, что в этой системе у нас 1 моль вещества .
Постоянная Авогадро
Количество вещества ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.
ν = N / N A
где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело.
N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях.
Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856).
В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.
N A = 6,02 * 10 23 моль -1
Молярная масса – это масса вещества, взятого в количестве одного моля:
μ = m 0 * N A
где m 0 – масса молекулы.
Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1).
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:
μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]
Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:
m = m 0 N = m 0 N A ν = μν
Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:
ν = m / μ
Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:
m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A
Более точное определение массы атомов и молекул достигается при использовании масс-спректрометра – прибора, в котором происходит разделение пучком заряженных частиц в пространстве в зависимости от их массы заряда при помощи электрических и магнитных полей.
Для примера найдём молярную массу атома магния. Как мы выяснили выше, масса атома магния равна m0Mg = 40,3463 * 10 -27 кг. Тогда молярная масса будет:
μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 кг/моль
То есть в одном моле «помещается» 2,4288 * 10 -2 кг магния. Ну или примерно 24,28 грамм.
Как видим, молярная масса (в граммах) практически равна атомной массе, указанной для элемента в таблице Менделеева. Поэтому когда указывают атомную массу, то обычно делают так:
Атомная масса магния равна 24,305 а.е.м. (г/моль).
«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.
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.
В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения, каждое из которых доказано с помощью опытов: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.
Свойства и поведение тел, начиная от разреженных газов верхних слоев атмосферы и кончая твердыми телами на Земле, а также сверхплотными ядрами планет и звезд, определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц, из которых состоят все тела, - молекул, атомов или еще более малых образований - элементарных частиц.
Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в реальности существования молекул необходимо определить их размеры.
Рассмотрим сравнительно простой метод оценки размеров молекул. Известно, что нельзя заставить капельку оливкового масла объемом расплыться на поверхности воды так, чтобы она заняла площадь более Можно предположить, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла
Разрежем мысленно кубик объемом на квадратные слои по площади каждый так, чтобы ими можно было покрыть площадь (рис. 2). Число таких слоев будет равно: Толщину слоя масла, а следовательно, и размер молекулы оливкового масла можно найти, разделив ребро куба в 0,1 см на число слоев: см.
Ионный проектор. В настоящее время перечислять всевозможные способы доказательства существования атомов и молекул нет необходимости. Современные приборы позволяют наблюдать изображения отдельных атомов и молекул. В учебнике физики для VI класса приведена фотография, полученная с помощью электронного микроскопа, на которой можно видеть расположение отдельных атомов на поверхности кристалла золота.
Но электронный микроскоп - очень сложное устройство. Мы познакомимся с гораздо более простым прибором, позволяющим получать изображения отдельных атомов и оценивать их размеры. Этот прибор называется ионным проектором или ионным микроскопом. Устроен он следующим образом: в центре сферического сосуда радиусом около 10 см расположено острие вольфрамовой иглы (рис. 3). Радиус кривизны острия делают настолько малым, насколько это возможно при современной технике обработки металлов, - около 5-10 6 см. Внутреннюю поверхность сферы покрывают тонким проводящим слоем, способным, подобно экрану телевизионной трубки, светиться под действием ударов быстрых частиц. Между положительно заряженным острием и отрицательно заряженным проводящим слоем создают напряжение в несколько сотен вольт. Сосуд заполняют гелием при малом давлении 100 Па (0,75 мм рт. ст.).
Атомы вольфрама на поверхности острия образуют микроскопические «бугорки» (рис. 4). При сближении хаотически
движущихся атомов гелия с атомами вольфрама электрическое поле, особенно сильное вблизи атомов на поверхности острия, отрывает электроны у атомов гелия и превращает эти атомы в ионы. Ионы гелия отталкиваются от положительно заряженного острия и с большой скоростью движутся вдоль радиусов сферы. Сталкиваясь с поверхностью сферы, ионы вызывают ее свечение. В результате на экране возникает увеличенная картина расположения атомов вольфрама на острие (рис. 5). Светлые пятнышки на экране - это изображения отдельных атомов.
Увеличение проектора - отношение расстояния между изображениями атомов к расстоянию между самими атомами - оказывается равным отношению радиуса сосуда к радиусу острия и достигает двух миллионов. Именно поэтому удается видеть отдельные атомы.
Диаметр атома вольфрама, определяемый с помощью ионного проектора, оказывается равным приблизительно см. Размеры атомов, найденные другими методами, оказываются примерно такими же. Размеры молекул, состоящих из многих атомов, естественно,больше.
При каждом вдохе вы захватываете в легкие столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две молекулы, побывавшие в ваших легких.
>>Физика: Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры молекул
Молекулы очень малы, но посмотрите, как просто оценить их размеры и массу. Достаточно одного наблюдения и пары несложных расчетов. Правда, надо еще додуматься до того, как это сделать.
В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочно движутся; частицы взаимодействуют друг с другом . Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов.
Свойства и поведение всех без исключения тел от инфузории до звезды определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц: молекул, атомов или еще 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 займет всю поверхность, если сосуд велик (рис.8.1 ). Нельзя заставить капельку объемом 1 мм 3 расплыться так, чтобы она заняла площадь поверхности более 0,6 м 2 . Можно предположить, 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.
Объем V
слоя масла равен произведению его площади поверхности S
на толщину d
слоя, т. е. V=Sd
. Следовательно, размер молекулы оливкового масла равен:
Перечислять сейчас всевозможные способы доказательства существования атомов и молекул нет необходимости. Современные приборы позволяют видеть изображения отдельных атомов и молекул. 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 не обычных оптических, а 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, объемом 1 см 3 .
Диаметр молекулы воды равен примерно 3 10 -8 см. Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объем (3 10 -8 см) 3 , можно найти число молекул в капле, разделив объем капли (1 см 3) на объем, приходящийся на одну молекулу:
При каждом вдохе вы захватываете столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две-три молекулы, побывавшие в ваших легких.
Размеры атома малы: .
О трех основных положениях молекулярно-кинетической теории речь будет идти неоднократно.
???
1. Какие измерения надо произвести, чтобы оценить размеры молекулы оливкового масла?
2. Если бы атом увеличился до размеров макового зернышка (0,1 мм), то размеров какого тела при том же увеличении достигло бы зернышко?
3. Перечислите известные вам доказательства существования мо¬лекул, не упомянутые в тексте.
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
