Molekulāri kinētiskā teorija

Vikipēdijas lapa
Pārlēkt uz: navigācija, meklēt

Vielas uzbūves molekulāri kinētiskās teorijas pamatā ir trīs principi, kuri visi ir pierādīti eksperimentāli. Šie principi ir šādi:

Ķermeņu īpašības un izturēšanos nosaka mijiedarbībā esošo daļiņu kustība. Tas ir novērojams, sākot ar retinātām gāzēm atmosfēras augšējos slāņos un beidzot ar cietiem ķermeņiem uz Zemes, kā arī planētu un zvaigžņu superblīviem kodoliem. Šīs daļiņas var būt molekulas, atomi vai vēl daudz mazāki veidojumi (elementārdaļiņas).

Molekulu esamības pierādījums[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Pirmo pārliecinošo, kaut arī netiešo atomu un molekulu esamības pierādījumu ķīmijā deva angļu zinātnieks Džons Daltons. Daltons atklāja konstanto attiecību likumu. Saskaņā ar šo likumu, veidojoties jebkuram ķīmiskam savienojumam, reaģējošo vielu masas ir stingri noteiktās attiecībās. Piemēram, no ūdeņraža un skābekļa veidojoties ūdenim, reaģējošā ūdeņraža un skābekļa masu attiecība vienmēr ir 1:8. Šīs fakts kļūst saprotams tikai tajā gadījumā, ja pieņem, ka, veidojoties sīkākajai ūdens daļiņai - molekulai - noteikts ūdeņraža atomu skaits savienojas ar noteiktu skābekļa atomu skaitu. Ūdens molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma. Tāpēc arī ūdeņraža un skābekļa masu attiecība, veidojoties ūdens molekulai, ir vienāda ar divkāršotu ūdeņraža atoma masas attiecību pret skābekļa atomu masu. Šī attiecība nekādos apstākļos nevar mainīties.

20.gadsimtā, izmantojot uzlabotu aparatūru, ar dažādiem paņēmieniem izdevās tieši noteikt atomu un molekulu izmērus.

Jonu projektors jeb jonu mikroskops[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Jonu mikroskops.JPG

Jonu projektors sastāv no sfēriska trauka, kuras rādiuss ir aptuveni 0,1 m (10 cm), un volframa adatas, kuras smaile novietota trauka centrā (sk. zīmējumu). Smailes liekuma rādiuss izveidots tik mazs, cik vien tas ar modernām metāla apstrādes metodēm iespējams (apmēram 50 nm). Sfēras iekšējā virsma pārklāta ar plānu vadītāja slāni, kas, līdzīgi televizora kineskopa ekrānam, spīd ātru daļiņu trieicienu iedarbībā. Starp pozitīvi lādēto smaili un negatīvi lādēto vadītāja slāni rada dažus simtus voltus lielu spriegumu. Trauku piepilda ar hēliju nelielā spiedienā 100 Pa.

Hēlija jonu trajektorijas.JPG
Volframa atomu izvietojuma palielināta aina

Volframa atomi uz smailes virsmas veido mikroskopiskus izciļņus. Kad haotiskā kustībā esošie hēlija atomi tuvojas volframa atomiem, elektriskais lauks, kurš ir sevišķi spēcīgs smailes virsmas atomu tuvumā, atrauj no hēlija atomiem elektronus un pārvērš šos atomus par joniem. Hēlija joni atgrūžas no pozitīvi lādētās smailes un ar lielu ātrumu kustas pa sfēras rādiusu. Saduroties ar sfēras virsmu, joni izraisa tā spīdēšanu. Tādējādi uz ekrāna rodas smailes atsevišķo volframa atomu izvietojuma palielināta aina.

Projektora palielinājums ir vienāds ar sfēras rādiusa R attiecību pret smailes rādiusu r. Loka garums |ab| norāda attālumu starp blakus esošiem volframa atomiem, bet loka garums |AB| - attālumu starp to attēliem uz sfēras virsmas. Tā kā  |AB| = R \cdot \alpha \ , kur  \alpha \ ir leņķis starp blakus esošo jonu trajektorijām, bet  |ab| = r \cdot \alpha \ , tad palielinājums

 \Gamma = \frac{|AB|}{|ab|} = \frac{R}{r} = 2 \cdot 10^6 \ ,

tas ir, sasniedz divus miljonus.

Atomu un molekulu izmēri[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Volframa atomi uz adatas smailes pieskaras cits pie cita. Tāpēc var pieņemt, ka atoma diametrs d ir vienāds ar attālumu starp blakus esošajiem volframa atomiem:  d = |ab| \ .

Izmērot loka garumu |AB|, iegūst apmēram 0,4 mm. Zinot jonu mikroskopa palielinājumu un izmantojot sakarību  \Gamma = \frac{|AB|}{|ab|} \ , iegūst aptuvenu volframa atoma diametru

 d = |ab| = \frac{|AB|}{\Gamma} = \frac{0,4}{2 \cdot 10^6} \approx 2 \cdot 10^{-7} mm \

Atomu un molekulu izmēri, kuri noteikti pēc citām metodēm, ir aptuveni tādi paši.

Šie izmēri ir tik mazi, ka tos grūti iztēloties. Piemēram, ūdeņraža molekulas izmērs  2,3 \cdot 10^{-10} m \ ir ļoti niecīgs. Ja pildspalvu palielinātu tā, lai tā sniegtos no Zemes līdz Mēnesim, tad ūdeņraža molekula, tikpat reižu palielināta, būtu pildspalvas lielumā.

Molekulu skaits[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Tā kā molekulu izmēri ir ļoti mazi, molekulu skaits jebkurā makroskopiskā ķermenī ir milzīgs. Aptuveni izrēķināsim molekulu skaitu ūdens pilienā, kura masa 1 g jeb 0,001 kg un tātad tilpums 1 cm3 jeb 0,000 001 m3. Ūdens molekulas diametrs ir  3 \cdot 10^{-10} m \ . Pieņemot, ka ūdens molekulas blīvi novietojušās cita pie citas un katra molekula aizņem  (3 \cdot 10^{-10})^3 \ tilpumu, var aprēķināt, molekulu skaitu pilienā, izdalot piliena tilpumu ar vienas molekulas tilpumu:

 N = \frac{1 \cdot 10^{-6}}{(3 \cdot 10^{-10})^3} \approx 3,7 \cdot 10^{22} \ .

Katrā ieelpā cilvēks ievelk plaušās tik daudz molekulu, ka tad, ja visas tās pēc izelpas vienmērīgi sadalītos Zemes atmosfērā, katrs planētas iedzīvotājs ieelpojot ievilktu apmēram divas tās molekulas, kuras bijušas jūsu plaušās.

Molekulu masa[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Atsevišķu molekulu un atomu masas ir ļoti mazas. Piemēram, 1 g ūdens satur  3,7 \cdot 10^{22} \ molekulas. Tāpēc vienas ūdens molekulas masa  m_{oH_2O} \approx \frac{1}{3,7 \cdot 10^{22}} g \approx 3 \cdot 10^{-23} g \ .

Apmēram tādas pašas masas ir citu vielu molekulām, izņemot milzīgas organisko vielu molekulas, kuras satur tūkstošiem atomu.

Relatīvā molekulmasa[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Relatīvā molekulmasa vai atommasa  M_r \ ir dotās vielas molekulas (vai atoma) masas  m_0 \ attiecību pret 1/12 oglekļa atoma masas  m_{0C} \ :

 M_r = \frac{m_0}{1/12 m_{0C}} \

Tā kā molekulas masas ir ļoti mazas, aprēķinos izdevīgi izmantot nevis masas absolūtās vērtības, bet gan relatīvās vērtības. Saskaņā ar starptautisku vienošanos visu atomu un molekulu masas salīdzina ar 1/12 oglekļa atoma masas (tā saucamā atommasu oglekļa skala).

Mūsdienās visu ķīmisko elementu relatīvās atommasas ir noteiktas samērā precīzi. Saskaitot relatīvās atommasas atomiem, no kuriem veidota molekula, var aprēķināt relatīvo molekulmasu.