Interactie van materiedeeltjes

De moderne theorie over de structuur van materie is gebaseerd op vijf basisprincipes.

1. Alle stoffen bestaan ​​uit deeltjes.

Atoom – kleinste deeltje chemisch element, met behoud van zijn eigenschappen. Allemaal beroemd chemische elementen vermeld in het periodiek systeem. Een molecuul is het kleinste deeltje van een stof dat zijn eigenschappen behoudt. Een molecuul kan uit één of meer atomen bestaan.

2. Er zijn gaten tussen materiedeeltjes.

3. Materiedeeltjes bewegen continu en chaotisch.

4. De beweging van materiedeeltjes wordt intenser naarmate de temperatuur stijgt. De beweging van materiedeeltjes wordt thermisch genoemd.

5. Materiedeeltjes hebben een wisselwerking met elkaar: ze trekken elkaar aan en stoten elkaar af. Aantrekking en afstoting werken gelijktijdig en continu. Interactiekrachten bepalen de eigenschappen van geaggregeerde toestanden van materie. Omdat atomen en moleculen deeltjes met elektrische lading bevatten, zijn intermoleculaire interacties van elektromagnetische aard. De aantrekkings- en afstotingskrachten zijn verschillend afhankelijk van de afstand tussen deeltjes. Op een afstand die ongeveer gelijk is aan de deeltjesgrootte zijn aantrekking en afstoting gelijk. Deze afstand komt overeen met de meest stabiele opstelling van deeltjes; naarmate de afstand kleiner wordt, overheerst de afstoting van deeltjes. Met toename - aantrekkingskracht. Op afstanden die de deeltjesgrootte tien keer of meer overschrijden, zijn de interactiekrachten verwaarloosbaar.

Elk van de vijf bepalingen van de theorie van de structuur van de materie heeft experimenteel bewijs.

1. Foto's van stoffen met hoge vergroting. Verschijnselen zoals vermalen, oplossen, verspreiden van vloeistoffen om dunne films te vormen.

2. Foto's van de stof. Thermische expansie stoffen. Vermindering van het totale volume bij het mengen van verschillende vloeistoffen.

3. Diffusie en Brownse beweging.

4. Een toename van de diffusiesnelheid en intensiteit van de Brownse beweging bij toenemende temperatuur van de substantie.

5. Hechting van stoffen wanneer ze in nauw contact komen, elastische vervormingen, bevochtiging van vaste oppervlakken met vloeistoffen.

In de figuur rechts worden de deeltjes van het lichaam schematisch weergegeven door overzichtelijk gerangschikte ballen. De pijlen tonen de afstotende krachten die op het deeltje inwerken vanuit zijn “buren”. Als alle deeltjes zich op gelijke afstand van elkaar zouden bevinden, zouden de afstotende krachten onderling in evenwicht zijn (het “groene” deeltje).

Volgens de tweede positie van MCT zijn deeltjes echter constant en willekeurig in beweging. Hierdoor veranderen de afstanden van elk deeltje tot zijn buren voortdurend (het “rode” deeltje). Als gevolg daarvan veranderen de krachten van hun interactie voortdurend en zijn ze niet in evenwicht, waardoor het deeltje de neiging heeft terug te keren naar de evenwichtspositie. Dat is, potentiële energie van vaste deeltjes en vloeibare lichamen, altijd bestaand, voortdurend veranderend. Vergelijk: in gassen is er vrijwel geen potentiële energie van deeltjes, omdat ze ver van elkaar verwijderd zijn (zie § 7-b).

De opkomst van elastische kracht. Door het lichaam samen te knijpen of uit te rekken, te buigen of te draaien, brengen we de deeltjes dichter bij elkaar of verwijderen we ze (zie figuur). Daarom veranderen de krachten van aantrekking en afstoting van deeltjes, waarvan de gezamenlijke actie is elastische kracht.

Conventioneel hebben we de rubberdeeltjes van de buigbare gum (zie ook figuur "d") afgebeeld als ballen. Wanneer u met uw vinger drukt, bewegen de bovenste deeltjes dichter naar elkaar toe (“groene” afstand is kleiner dan “rood”). Dit leidt tot het ontstaan ​​van afstotende krachten (zwarte pijlen zijn van de deeltjes af gericht). Dichtbij de onderkant van de gum bewegen de deeltjes van elkaar af, wat leidt tot het ontstaan ​​van aantrekkingskrachten tussen hen (zwarte pijlen zijn naar de deeltjes gericht). Als gevolg van de gelijktijdige werking van afstotende krachten nabij de bovenrand en aantrekkende krachten nabij de onderrand, “wil” de gum rechttrekken. En dit betekent dat er een elastische kracht in ontstaat, gericht tegengesteld aan de drukkracht.

Test je kennis:

1. Het belangrijkste doel van deze paragraaf is om te bespreken...
2. Wat zullen we merken als de uiteinden van de cilinders worden samengedrukt?
3. Zitten de cilinders stevig op elkaar?
4. Welke conclusie volgt uit het experiment met cilinders?
5. Onder welke omstandigheden vindt de aantrekking van deeltjes van lichamen en stoffen plaats?
6. Welke waarneming duidt op deeltjesafstoting?
7. Waarom denken we dat deeltjes van stoffen elkaar kunnen afstoten?
8. Onder welke omstandigheden wordt deeltjesinteractie waargenomen?
9. Hoe verandert de aard van de interactie tussen materiedeeltjes, afhankelijk van de afstand ertussen?
10. In welk geval is er geen interactie tussen deeltjes van stoffen?
11. Waarom kunnen deeltjes van stoffen potentiële energie hebben?
12. Waarom hebben deeltjes van vaste en vloeibare stoffen altijd potentiële energie?
13. Wat symboliseren de zwarte pijlen op de afbeelding met vaste deeltjes?
14. Omdat de deeltjes van elk lichaam of substantie voortdurend in beweging zijn,...
15. Omdat de afstanden tussen deeltjes voortdurend veranderen,...
16. Beschrijf de potentiële energie van deeltjes van vaste stoffen en vloeistoffen. Zij, ...
17. Beschrijf de potentiële energie van gasdeeltjes.
18. In welke gevallen veranderen we de afstand tussen deeltjes van een lichaam?
19. Tegelijkertijd veranderen de krachten van aantrekking en afstoting van lichaamsdeeltjes, omdat...
20. De elastische kracht van een lichaam is de gelijktijdig werkende...
21. Wat gebeurt er met de deeltjes aan de bovenkant van de gum? Zij...
22. De elastische kracht in de gum ontstaat door...

Je weet dat deeltjes in lichamen voortdurend in willekeurige beweging zijn. Waarom valt een vast lichaam niet uiteen in afzonderlijke deeltjes? Dit wordt verklaard door het feit dat deeltjes (moleculen of atomen) van de meeste zijn vaste stoffen in een specifieke volgorde gerangschikt en zeer dicht bij elkaar.

Elk deeltje trekt naburige deeltjes aan en wordt er zelf ook door aangetrokken. Deze krachten houden bijvoorbeeld ijzeratomen vast in een stuk metaal, watermoleculen in een stuk ijs of in een druppel water. Met andere woorden, Aantrekkingskracht is de kracht die deeltjes bij elkaar houdt.

Als je een breinaald in twee delen breekt en ze samenvoegt, zullen ze niet bij elkaar blijven. Het blijkt dat aantrekking tussen deeltjes van een stof alleen mogelijk wordt als ze zich op een bepaalde afstand bevinden, dicht genoeg bij elkaar.

Ervaring maakt het mogelijk om de aantrekkingskracht van deeltjes te detecteren.

Neem een ​​kleine loden cilinder, snijd deze in twee helften en verplaats ze snel samen met verse sneden. Als de snijplaats geen tijd heeft gehad om te oxideren, zullen beide delen van de loden cilinder samenkomen tot één geheel. Dit kunt u controleren door een van de cilinders in een houder vast te zetten en aan de andere een last te hangen. De helft van de cilinder met de last valt niet. Als gevolg daarvan interageren de moleculen van de cilinderhelften met elkaar.

Rijst. 34. Aantrekking van deeltjes. De twee helften van een loden cilinder zijn verbonden door de interactie van moleculen

Het beschreven experiment slaagt vanwege de zachtheid van lood. Met lichamen die harder zijn dan lood (bijvoorbeeld helften gebroken glas) een dergelijk experiment is onmogelijk uit te voeren.

Om een ​​verbinding tot stand te brengen, moeten de moleculen zich op een afstand van enkele graden van elkaar bevinden. kleinere maten de moleculen zelf. Stukken zachte stof, zoals plasticine, blijven gemakkelijk aan elkaar plakken. Dit gebeurt omdat ze op een zodanige afstand bij elkaar kunnen worden gebracht dat de aantrekkingskrachten werken.

De structuur van vloeistoffen verschilt van de structuur van vaste stoffen. In vloeistoffen is de interactie tussen moleculen zwakker dan in vaste stoffen, maar deze bestaat nog steeds. Stel je voor dat je water in een glas giet en het vervolgens in een fles giet. Aanvankelijk had de vloeistof de vorm van een glas, en vervolgens van een fles waarin deze werd gegoten. Als in water dezelfde aantrekkingskracht tussen moleculen zou werken als in vaste stoffen, dan zou de vorm ervan niet zo gemakkelijk kunnen veranderen.

Moleculen in vloeistoffen bevinden zich vrijwel dicht bij elkaar, waardoor alle vloeistoffen zeer weinig samendrukbaarheid hebben. Maar de interactie tussen moleculen is niet zo sterk dat vloeistoffen hun vorm behouden. Dit verklaart de belangrijkste eigenschap van vloeistoffen: vloeibaarheid.

We hebben al gezegd dat gas kan worden gecomprimeerd, zodat het volume meerdere keren afneemt. Dit betekent dat in gassen de afstand tussen moleculen veel groter is dan de grootte van de moleculen zelf. In dergelijke gevallen worden de moleculen zwak tot elkaar aangetrokken. Dit is de reden waarom gassen hun vorm en volume niet behouden.

Er bestaat een wederzijdse aantrekkingskracht tussen deeltjes in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

De vraag rijst: “Waarom zijn er gaten tussen deeltjes?” Het lijkt erop dat de deeltjes, omdat ze tot elkaar aangetrokken zijn, ‘bij elkaar moeten blijven’. Het samendrukken van lichamen wordt echter voorkomen deeltjesafstoting. Dat dit precies het geval is, blijkt uit een voorbeeld. Een rubberen gum die wordt samengedrukt en in tweeën wordt gebogen, wordt weer recht als de randen worden losgelaten. Samengedrukte lichamen worden recht omdat de deeltjes tijdens het samendrukken zo dichtbij komen dat ze elkaar beginnen af ​​te stoten. Vandaar, aantrekkingskracht tussen deeltjes – atomen en moleculen, houdt ze dicht bij elkaar, en afstoting verhindert dat ze elkaar volledig naderen.

Sectie 2. Grondbeginselen van de moleculaire kinetische theorie.

2.1 Basisprincipes van de moleculaire kinetische theorie. Brownse beweging. Krachten en energie van intermoleculaire interactie. Afmetingen en massa van moleculen. De constante van Avogadro. Ideaal gas. Gas druk. Interstellair gas*.

Basisbepalingen van de moleculaire kinetische theorie en hun experimentele rechtvaardiging.

Ontwikkeling van ideeën over de structuur van materie. De veronderstelling dat elke substantie uit de kleinste ondeelbare deeltjes bestaat - atomen, werd ongeveer 2500 jaar geleden uitgedrukt door de oude Griekse filosofen Leucippus en Democritus. Volgens hun ideeën worden alle lichamen gevormd als resultaat van de combinatie van atomen. Verschillen in de eigenschappen van lichamen worden verklaard door het feit dat de lichamen uit verschillende atomen bestaan ​​of dat identieke atomen verschillend met elkaar verbonden zijn in de ruimte.

Hij leverde een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van moleculair kinetische concepten in het midden van de 18e eeuw. de grote Russische wetenschapper Michail Vasiljevitsj Lomonosov (1711-1765). Hij legde de basiseigenschappen van gas uit en suggereerde dat alle gasmoleculen willekeurig en chaotisch bewegen en elkaar afstoten als ze botsen. M.V. Lomonosov was de eerste die de aard van warmte verklaarde aan de hand van de willekeurige beweging van moleculen. Omdat de snelheid van de thermische beweging van moleculen zo hoog kan zijn als gewenst, kent de temperatuur van een stof volgens zijn ideeën geen bovengrens. Wanneer de snelheid van moleculen tot nul afneemt, moet de laagst mogelijke temperatuur van de stof worden bereikt.

Basisprincipes van moleculaire kinetische theorie. Macroscopische lichamen worden grote lichamen genoemd, bestaande uit enorm aantal moleculen. (Gas in een cilinder, water in een glas, een zandkorrel, een wereldbol).

Thermische verschijnselen noem verschijnselen die verband houden met het verwarmen en afkoelen van lichamen, met veranderingen in hun temperatuur.

Thermische beweging– het is de willekeurige beweging van moleculen.

Moleculaire kinetische theorie is de leer van de structuur en eigenschappen van materie, waarbij ideeën worden gebruikt over het bestaan ​​van atomen en moleculen als de kleinste deeltjes van een chemische substantie.

Basisbepalingen van de moleculaire kinetische theorie van de structuur van materie:

*materie bestaat uit deeltjes - atomen en moleculen;

*deze deeltjes bewegen chaotisch;

deeltjes interageren met elkaar.

Brownse beweging– dit is thermische beweging gewogen deeltjes in een vloeistof (of gas) en het kan niet stoppen, omdat. gerelateerd aan de lichaamstemperatuur. Dit fenomeen werd voor het eerst waargenomen door de Engelse botanicus Robert Brown in 1927, waarbij hij mossporen in water door een microscoop onderzocht. De Brownse beweging stopt nooit, omdat het is thermische beweging. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de intensiteit ervan toe.

Een voorbeeld van de Brownse beweging in gassen is de beweging van stof- en rookdeeltjes die in de lucht zweven. De reden voor de Brownse beweging van een deeltje is dat de impact van vloeibare moleculen op een deeltje elkaar niet compenseren. (Figuur 4.1)

Verspreiding– Dit is het mengen van moleculen van gassen, vloeistoffen en vaste stoffen door direct contact, d.w.z. penetratie van moleculen van de ene stof in de intermoleculaire ruimte van een andere. De diffusiesnelheid hangt af van de temperatuur en de toestand van de stof. Dit fenomeen wordt verklaard door de willekeurige beweging van moleculen.

Afmetingen en massa van moleculen.

Atoomgrootte. Als je je vingers tot een vuist balt en deze vergroot tot de maat wereldbol, dan zal het atoom bij dezelfde vergroting de grootte van een vuist krijgen.

Aantal moleculen. Omdat de moleculen zeer klein zijn, is hun aantal in elk macroscopisch lichaam enorm. Bij elke inademing vang je zoveel moleculen op dat als ze allemaal, na het uitademen, gelijkmatig verdeeld zouden zijn in de atmosfeer van de aarde, elke bewoner van de planeet bij het inademen twee of drie moleculen zou ontvangen die zich in je longen bevonden.

Relatieve moleculaire (of atomaire) massa van een stof M r is de verhouding van de massa van een molecuul (of atoom) m 0 van een bepaalde stof tot de massa van een koolstofatoom m 0 c:

Hoeveelheid stof(ν) – is gelijk aan de verhouding van het aantal moleculen N in een bepaald lichaam tot de constante NA van Avogadro (of de verhouding van de massa van een stof tot zijn molaire massa).

Eén mol - Dit is de hoeveelheid stof die hetzelfde aantal moleculen of atomen bevat als er atomen in koolstof zijn die 0,012 kg wegen.

De constante van Avogadro.

De constante van Avogadro gelijk aan het aantal moleculen in 1 mol van een stof. ;

Molaire massa stoffen(M) is de massa van een stof, ingenomen in een hoeveelheid van één mol.

; ; М= m/ν, waarbij m de massa van de stof is, ν de hoeveelheid stof

Ideaal gas.Ideaal gas– het is een gas, de interactie tussen zijn moleculen is verwaarloosbaar. De moleculen van dit gas zijn kleine balletjes met een verwaarloosbaar volume vergeleken met het volume van de container. Een ideaal gas is een fysiek model van een echt gas. Afgestoten gassen gedragen zich als een ideaal gas.

Gas druk. Laat het gas in een gesloten container staan. Er zijn veel gasmoleculen en hun impact op de muur volgt de een na de ander met een zeer hoge frequentie. Gemiddelde waarde geometrische som de krachten die op de kant van individuele moleculen inwerken tijdens hun botsing met de wand van het vat, zijn de kracht van de gasdruk. De druk zal groter zijn naarmate meer moleculen de muur raken gedurende een bepaalde tijdsperiode en hoe groter de snelheid waarmee de moleculen tegen de muur botsen.

Interstellair gas- dit is een ijle gasachtige omgeving die alle ruimte tussen de sterren opvult. Interstellair gas is transparant. De totale massa van interstellair gas in de Melkweg overschrijdt 10 miljard zonsmassa’s of enkele procenten van de totale massa van alle sterren in onze Melkweg. De gemiddelde concentratie van interstellaire gasatomen bedraagt ​​minder dan 1 atoom per cm³. Het grootste deel ervan bevindt zich nabij het vlak van de Melkweg in een laag van enkele honderden parsecs dik. De gemiddelde gasdichtheid bedraagt ​​ongeveer 10−21 kg/m³. Chemische samenstelling ongeveer hetzelfde als dat van de meeste sterren: het bestaat uit waterstof en helium (respectievelijk 90% en 10% van het aantal atomen) met een klein mengsel van zwaardere elementen. Afhankelijk van de temperatuur en dichtheid bevindt interstellair gas zich in een moleculaire, atomaire of geïoniseerde toestand. Er worden koude moleculaire wolken, ijl gas tussen de wolken, wolken van geïoniseerd waterstof met een temperatuur van ongeveer 10.000 K (de Orionnevel) en uitgestrekte gebieden van ijl en zeer heet gas met een temperatuur van ongeveer een miljoen K waargenomen zichtbare lichtstralen worden geabsorbeerd gas en geven het hun energie. Dankzij dit, de hete sterren ultraviolette straling ze verwarmen het omringende gas tot een temperatuur van ongeveer 10.000 K. Het verwarmde gas begint zelf licht uit te zenden en we nemen het waar als een lichte gasnevel. Het koelere, ‘onzichtbare’ gas wordt waargenomen met behulp van radioastronomiemethoden. Waterstofatomen in een ijle omgeving zenden radiogolven uit met een golflengte van ongeveer 21 cm. Daarom planten stromen radiogolven zich voortdurend voort vanuit gebieden met interstellair gas. Door deze straling te ontvangen en te analyseren, leren wetenschappers over de dichtheid, temperatuur en beweging van interstellair gas in de ruimte.

§ 07-g. Interactie van deeltjes van stoffen

In de twee voorgaande paragrafen hebben we experimenten besproken die de eerste en tweede bepaling van MKT illustreren. Laten we nu experimenten bekijken die de derde hoofdpositie van MCT en de gevolgen ervan illustreren.

Laten we voor het experiment twee loden cilinders met haken nemen. Om stofdeeltjes te verwijderen, gebruikt u een mes of mes om de uiteinden van beide cilinders schoon te maken totdat ze glanzen (Fig. a). Door de uiteinden stevig tegen elkaar aan te drukken, zullen we merken dat de cilinders stevig ‘in elkaar grijpen’. De sterkte van hun hechting is zo groot dat als het experiment met succes wordt uitgevoerd, de cilinders het gewicht van een gewicht tot 5 kg kunnen weerstaan ​​​​(Fig. b). De conclusie die uit deze ervaring kan worden getrokken is: deeltjes van stoffen worden tot elkaar aangetrokken. Deze aantrekkingskracht is echter alleen merkbaar als de oppervlakken van de lichamen erg glad zijn en bovendien strak aan elkaar grenzen.

Laten we het tweede experiment doen (Fig. c, d). Er is veel kracht nodig om met je vinger in een rubberen gum te knijpen; Het is gemakkelijker om de gum te buigen dan erin te knijpen. Andere lichamen (behalve gasvormige) zijn ook erg moeilijk samen te drukken. Dit suggereert dat deeltjes van stoffen stoten elkaar af.

Aantrekking en afstoting van deeltjes van stoffen vindt alleen plaats als de deeltjes zich dicht bij elkaar bevinden. Gebruikelijk, op afstanden groter dan de grootte van de deeltjes zelf trekken ze elkaar aan; op afstanden kleiner dan de deeltjesgrootte stoten ze af. Als de deeltjes worden gescheiden op een afstand die vele malen groter is dan hun grootte, treedt de interactie nauwelijks op.

Laten we nu eens kijken naar het energieaspect van deeltjesinteractie.

Als er lichamen met elkaar in wisselwerking staan, is dat wel het geval potentiële energie, afhankelijk van de relatieve positie van deze lichamen (zie § 5-e). In de figuur rechts tonen de pijlen op de deeltjes de afstotende krachten van de ‘buren’. Op dezelfde manier kunnen ook de zwaartekrachtkrachten worden weergegeven. Als alle deeltjes zich op gelijke afstand van elkaar zouden bevinden, zouden alle krachten onderling in evenwicht zijn (het “groene” deeltje). Volgens de tweede positie van MKT bewegen deeltjes echter. Daarom veranderen de afstanden van elk deeltje tot zijn buren voortdurend (het “rode” deeltje). Bijgevolg veranderen de krachten van hun interactie voortdurend en zijn ze niet in evenwicht. Met deze veranderingen in afstanden en krachten de potentiële energie van elk deeltje verandert en neemt een minimumwaarde aan op zijn evenwichtspositie.

De potentiële energie van een deeltje wordt als nul beschouwd als het zich op grote afstand van andere deeltjes bevindt, zoals bijvoorbeeld in gassen, waar er vrijwel geen interactie tussen deeltjes plaatsvindt (zie figuur § 7-b). Bij harde en vloeibare stoffen er is interactie tussen deeltjes, wat betekent dat er potentiële energie van de deeltjes is (tussen haakjes merken we op: deze is negatief, maar nu zijn we geïnteresseerd in de absolute waarde ervan). En om de interactie van deeltjes te overwinnen en ze uit elkaar te halen, moet er werk worden verzet. En hoe groter het werk om de interactie van deeltjes te overwinnen om ze op afstand te scheiden, hoe groter (in absolute waarde) de potentiële energie van interactie tussen deeltjes van de stof die wordt bestudeerd.

De opkomst van elastische kracht. Door het lichaam samen te knijpen of uit te rekken, te buigen of te draaien, brengen we de deeltjes dichter bij elkaar of verwijderen we ze (zie figuur). Daarom de krachten van aantrekking en afstoting van deeltjes veranderen, waarvan de gezamenlijke werking zich manifesteert als een elastische kracht.

Laten we terugkeren naar de bocht van de gum (Fig. d). Conventioneel beeldden we rubberdeeltjes af als ballen. Wanneer u met uw vinger drukt, bewegen de bovenste deeltjes dichter naar elkaar toe (“groene” afstand is kleiner dan “rood”). Dit leidt tot de opkomst tussen hen afstotende krachten(zwarte pijlen wijzen weg van deeltjes). De lagere deeltjes bewegen zich van elkaar af, wat leidt tot het verschijnen tussen hen in aantrekkingskrachten(zwarte pijlen wijzen naar deeltjes). Als gevolg hiervan heeft de gum de neiging om recht te worden, wat betekent dat er een elastische kracht in zit die naar boven is gericht - tegengesteld aan de druk van de vinger.

Javascript is uitgeschakeld in uw browser.
Om berekeningen uit te voeren, moet u ActiveX-besturingselementen inschakelen!