§ 1. Асноўныя палажэнні малекулярна-кінетычнай тэорыі

Уяўленне пра тое, што ўсе целы складаюцца з драбнюткіх часціц — атамаў, з’явілася яшчэ ў глыбокай старажытнасці, і яго даволі выразна сфармулявалі старажытнагрэчаскія філосафы Ляўкіп (прыблізна 500–440 да н. э.) і Дэмакрыт (460–371 да н. э.). Аднак потым атамістычныя ўяўленні былі забытыя. Толькі ў другой палове XVII ст. англійскі вучоны Р. Бойль у кнізе «Хімікскептык» надаў паняццю «хімічны элемент» новы сэнс, блізкі да сучаснага. Затым у XVIII–XIX стст. М. В. Ламаносаў, Д. Дальтан, А. Краніг, Л. Больцман, Д. Максвел і іншыя вучоныя распрацоўвалі і ўдасканальвалі атамістычныя ўяўленні ў якасці навуковай тэорыі, якая атрымала назву класічнай малекулярна-кінетычнай тэорыі.

У аснову малекулярна-кінетычнай тэорыі пакладзены тры палажэнні:

Дыскрэтная будова рэчыва. Як вы ўжо ведаеце, рэальнасць існавання малекул пацвярджаюць эксперыментальныя факты. Напрыклад, растварэнне рэчываў у вадзе і ў іншых растваральніках, механічнае драбненне рэчыва (мал. 3), сцісканне і расшырэнне ўсіх цел і асабліва газаў, дыфузія, броўнаўскі рух і многае іншае.

Рэчыва мае дыскрэтную будову, гэта значыць складаецца з асобных часціц (малекул, атамаў, іонаў). Вока можа распазнаць два пункты, калі адлегласць паміж імі не меншая, чым 0,1 мм. Сучасныя аптычныя мікраскопы дазваляюць адрозніваць структуры з адлегласцю паміж элементамі прыкладна 200 нм і больш. Яны забяспечваюць магчымасць назіраць і фатаграфаваць вельмі буйныя малекулы, якія складаюцца з соцень і нават тысяч атамаў (малекулы некаторых вітамінаў, гармонаў і бялкоў). На малюнку 4 прыведзены фотаздымак малекулы нуклеінавай кіслаты ніткападобнай формы, агульная даўжыня якой 34 мкм.

Выкарыстанне электронных мікраскопаў дазваляе назіраць і фатаграфаваць атамарныя структуры.

Интересно знать

4 сакавіка 1981 г. нямецкі вучоны Герд Бініг і швейцарскі вучоны Генрых Рорэр упершыню ў свеце назіралі асобныя атамы на паверхні крэмнію з дапамогай тунэльнага мікраскопа (мал. 5). За распрацоўку і стварэнне электроннага мікраскопа (мал. 6, а) нямецкаму вучонаму Эрнсту Руске і за вынаходства сканавальнага тунэльнага мікраскопа (мал. 6, б) Г. Бінігу і Г. Рорэру прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 1986 г.

Цеплавы рух часціц рэчыва. Малекулы, атамы і іншыя часціцы, якія ўтвараюць рэчыва, знаходзяцца ў бесперапынным цеплавым руху.

Цеплавы рух — хаатычны рух часціц рэчыва, інтэнсіўнасць якога залежыць ад тэмпературы цела.

У 1827 г. англійскі батанік Роберт Броўн (1773–1858), назіраючы ў мікраскоп завісь кветкавага пылку ў вадзе, выявіў, што часціцы завісі бесперапынна рухаліся, прычым па вельмі мудрагелістых траекторыях. Гэты рух часціц, прызнаны эксперыментальным пацвярджэннем цеплавога руху часціц рэчыва, назвалі броўнаўскім рухам.

Броўнаўскі рух — хаатычны рух узважаных^* у вадкасці або газе драбнюткіх нерастваральных цвёрдых часціц памерамі прыкладна 1 мкм і менш.

Броўнаўскія часціцы рухаюцца бесперапынна і хаатычна, а траекторыі іх руху вельмі складаныя. На малюнку 7 паказана спрошчаная траекторыя руху броўнаўскай часціцы. Пунктамі пазначаны становішчы часціцы праз аднолькавыя прамежкі часу. Траекторыя руху на працягу кожнага прамежку часу заменена адрэзкам прамой, які ўяўляе з сябе модуль рэзультуючага перамяшчэння часціцы.

Броўнаўскі рух абумоўлены ўласцівасцямі вадкасці або газу. Ён не залежыць ад прыроды рэчыва броўнаўскай часціцы і знешніх уздзеянняў (акрамя тэмпературы). Прычынай броўнаўскага руху з’яўляецца цеплавы рух часціц асяроддзя, у якім знаходзіцца броўнаўская часціца, і адсутнасць дакладнай кампенсацыі ўдараў, якія часціца зведвае з боку навакольных малекул (атамаў або іонаў) (мал. 8), бо рух малекул мае выпадковы характар.

Калі ўзважаная часціца даволі значная па памерах, то колькасць малекул, якія налятаюць на яе з усіх бакоў, надзвычай вялікая. Іх удары ў кожны момант часу кампенсуюцца, і часціца застаецца на месцы. Чым меншыя памеры і маса броўнаўскай часціцы, тым лягчэй заўважыць змяненне яе імпульсу пад уздзеяннем удараў малекул. Гэтыя ўдары не ўраўнаважваюць адзін аднаго, а спараджаюць рэзультуючую сілу, якая змяняецца па велічыні і напрамку. Гэта і з'яўляецца прычынай таго, што броўнаўская часціца рухаецца выпадковым чынам па ўсім аб’ёме, які займае вадкасць або газ.

Інтэнсіўнасць руху броўнаўскіх часціц узрастае з павышэннем тэмпературы і памяншэннем вязкасці асяроддзя. Броўнаўскі рух ледзь прыкметны ў гліцэрыне, а ў газах ён, наадварот, надзвычай інтэнсіўны.

Ад тэорыі да практыкі

1. Ці можна лічыць броўнаўскім хаатычны рух пылінак у паветры (мал. 9)?

2. Пры разглядзе ў мікраскоп кроплі крыві можна ўбачыць на фоне бясколернай вадкасці чырвоныя крывяныя цельцы, якія бесперапынна і хаатычна рухаюцца (мал. 10). Як можна растлумачыць гэтую з’яву?

Яшчэ адным пацвярджэннем цеплавога руху часціц (малекул, атамаў або іонаў) рэчыва з’яўляецца дыфузія (лац. diffusio — распаўсюджанне, расцяканне, рассейванне).

Дыфузія — працэс узаемнага пранікнення часціц аднаго з рэчываў, якія судакранаюцца, паміж часціцамі другога рэчыва з прычыны іх цеплавога руху.

Калі часціцы рэчываў пры судакрананні размеркаваны ў прасторы неаднародна, то гэта прыводзіць да самаадвольнага выраўноўвання іх канцэнтрацый.

Канцэнтрацыя часціц — фізічная велічыня, лікава роўная колькасці часціц, якія змяшчаюцца ў адзінкавым аб’ёме:

Калі ў розных частках аднаго і таго цела канцэнтрацыі часціц не супадаюць, то з прычыны іх цеплавога руху пры пастаяннай тэмпературы і адсутнасці знешніх сіл адбываецца ўпарадкаванае перамяшчэнне. Яно прыводзіць да выраўноўвання канцэнтрацый (мал. 11).

Скорасць дыфузіі залежыць ад характару руху часціц рэчыва, які вызначаецца тэмпературай і асабліва агрэгатным станам. У газах дыфузія адбываецца хутчэй, чым у вадкасцях, а тым больш у цвёрдых целах.

Дыфузія мае важнае значэнне ў прыродзе і тэхніцы. Дзякуючы дыфузіі ажыццяўляецца сілкаванне раслін неабходнымі рэчывамі з глебы, у жывых арганізмах адбываецца ўсмоктванне пажыўных рэчываў праз сценкі сасудаў стрававальнага тракту. Для павелічэння цвёрдасці сталёвых дэталей іх паверхневы слой дыфузна насычаюць вугляродам. Дыфузію выкарыстоўваюць у ядзерных тэхналогіях як адзін са спосабаў абагачэння ўрану.

Узаемадзеянне часціц рэчыва. Факт існавання цвёрдых і вадкіх цел пацвярджае, што паміж часціцамі рэчываў, якія ўтвараюць гэтыя целы, дзейнічаюць сілы ўзаемнага прыцяжэння. Менавіта гэтымі сіламі часціцы (малекулы, атамы або іоны) у целах утрымліваюцца разам.

З паўсядзённага досведу вядома, што сілы ўзаемнага прыцяжэння найбольш наглядна праяўляюцца ў цвёрдых целах. Тонкі сталёвы трос дыяметрам 2 мм дастаткова трывалы, каб на ім падняць груз, маса якога 150 кг.

Тое, што газы займаюць увесь адведзены ім аб’ём, сведчыць пра зусім нязначнае праяўленне сіл узаемнага прыцяжэння паміж іх малекуламі^*. Прычына ў тым, што ўсярэдненая адлегласць паміж малекуламі газаў істотна перавышае памеры саміх малекул, а таксама адлегласці паміж цэнтрамі суседніх часціц вадкасці і цвёрдых цел.

Адносна малая сціскальнасць вадкасцей і цвёрдых цел сведчыць пра тое, што паміж малекуламі рэчыва існуюць і сілы ўзаемнага адштурхвання. Сілы прыцяжэння і сілы адштурхвання дзейнічаюць адначасова. У адваротным выпадку ўстойлівых станаў вялікіх сукупнасцей малекул не магло б існаваць: часціцы рэчыва сцягваліся б у адно месца ці разляталіся ў розныя бакі.

1. У адным з падручнікаў, выдадзеным у 1885 г., можна прачытаць: «Цвёрды атам... жыве ў выглядзе неверагоднай, але ўсё яшчэ неадвергнутай гіпотэзы... Аднак непараўнальна больш праўдападобная тэорыя, паводле якой матэрыя... бесперапынная, гэта значыць не складаецца з часціц з прамежкамі». Якія аргументы вы можаце прывесці аўтару гэтых радкоў, каб даказаць існаванне найдрабнейшых часціц рэчыва?

2. Уявіце, што ваш сябар скептычна ставіцца да атамаў і малекул і мяркуе, што броўнаўскі рух не з’яўляецца доказам іх існавання. Ён лічыць, што рух узважаных у вадкасці або газе часціц можна таксама растлумачыць рухам патокаў паветра або вадкасці, што знаходзяцца навакол іх. Якія аргументы вы можаце прывесці супраць такой інтэрпрэтацыі эксперыментальных назіранняў (мал. 12)?

3. Чаму броўнаўскі рух прыкметны толькі ў часціц з малымі памерамі (d ≤ 1 мкм) і масай?

4. Чаму добра прыцёрты шкляны корак цяжка выняць з рыльца шклянога флакона?

5. Дапоўніце схему ў сціслых высновах, дадаўшы доследныя абгрунтаванні асноўных палажэнняў малекулярна-кінетычная тэорыі.