ГЛАВА 4. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ КЛАСС О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Решение задач по данной теме должно помогать формированию у учащихся первоначальных понятий о молекулярном строении веществ.
В задачах необходимо рассмотреть прежде всего такие факты, научное объяснение которых неизбежно приводит к представлениям о том, что тела состоят из мельчайших частиц - молекул.
Далее следует решить ряд задач, дающих понятие о размерах молекул, а также их свойствах, движении и взаимодействии. Из-за недостаточной математической подготовки учащихся большинство задач должны быть качественными.
Значительное внимание необходимо уделить также экспериментальным задачам. Несложные экспериментальные задачи учащиеся могут выполнять и в домашних условиях.
Полученные сведения о молекулярном строении веществ затем используют для объяснения различия между твердым, жидким и газообразным состояниями вещества.
1. Существование молекул. Размеры молекул
Первоначальное понятие о молекулах и их размерах полезно уточнить и углубить с помощью задач, в которых даны фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа.
Решение задач, показывающих сложное строение молекул, необязательно. Но в ознакомительном плане, особенно в сильных по успеваемости классах, можно рассмотреть 2-3 задачи, показывающие, что молекулы сложных веществ состоят из более мелких частиц - атомов.
Наряду с качественными можно дать задачи на несложные расчеты абсолютных и относительных размеров молекул.
43. На рисунке 11 показана фотография частицы твердого тела, полученная с помощью электронного микроскопа. Какой
Рис. 11. (см. скан)
вывод можно сделать на основе этой фотографии о строении твердого тела? Пользуясь указанным на фотографии масштабом, определите размер одной частички - молекулы.
Решение. Внимание обращают на то, что все молекулы одинаковы, расположены в твердом теле в определенном порядке и имеюг такую плотную упаковку, что между ними остаются только незначительные промежутки.
Для определения диаметра молекул подсчитывают их число (50) на указанном расстоянии 0,00017 см, и, вычисляя, находят, что диаметр молекулы равен примерно 0,000003 см.
Нужно сказать учащимся, что это гигантская молекула. Молекула воды, например, имеет поперечник примерно в сто раз меньше.
44. Оптический микроскоп позволяет различить объекты размером около 0,00003 см. Можно ли в такой микроскоп увидеть капельку воды, по диаметру которой укладывается сто, тысяча, миллион молекул? Диаметр молекулы воды равен примерно
Следовательно, в оптический микроскоп можно увидеть только такую капельку воды, диаметр которой не менее чем в 1000 раз больше диаметра молекулы воды. Сами же молекулы воды нельзя увидеть в оптический микроскоп.
45. Число молекул в воздуха при нормальном давлении и 0°С составляет . Считая, что диаметр одной молекулы газа равен примерно 0,00000003 см, подсчитайте, какой длины получились бы «бусы», если бы все эти молекулы можно было плотно нанизать на невидимую нить.
Ответ. 8 млн. км.
46 (э). Опустите в воду вверх дном две пробирки и поместите в них оголенные провода, присоединенные к полюсам батарейки Пронаблюдайте за пузырьками газов и исследуйте их состав с помощью тлеющей лучинки. Откуда появились газы?
Решение. По яркому горению лучинки в одной пробирке и вспышке в другой заключают, что в одной пробирке находился кислород, а в другой - водород.
Поясняют, что газы появились при разложении молекулы воды. Следовательно, свойства молекулы при ее делении на более мелкие части не сохраняются. Учащимся можно сообщить, что вода разлагается на кислород и водород также при нагревании водяного пара до очень высокой температуры.
Молекулы имеют размеры и разнообразные формы. Для наглядности будем изображать молекулу в виде шарика, воображая, что она охвачена сферической поверхностью, внутри которой находятся электронные оболочки ее атомов (рис. 4, а). По современным представлениям молекулы не имеют геометрически определенного диаметра. Поэтому за диаметр d молекулы условились принимать расстояние между центрами двух молекул (рис. 4, б), сблизившихся настолько, что силы притяжения между ними уравновешиваются силами отталкивания.
Из курса химии" известно, что килограмм-молекула (киломоль) любого вещества, независимо от его агрегатного состояния, содержит одинаковое количество молекул, называемое числом Авогадро, а именно N A = 6,02*10 26 молекул.
Теперь оценим диаметр молекулы, например воды. Для этого разделим объем киломоля воды на число Авогадро. Киломоль воды имеет массу 18 кг. Считая, что молекулы воды расположены плотно друг к другу и ее плотность 1000 кг / м 3 , можем сказать, что 1 кмоль воды занимает объем V = 0,018 м 3 . На долю одной молекулы воды приходится объем
Приняв молекулу за шарик и воспользовавшись формулой объема шара вычислим приблизительный диаметр, иначе линейный размер молекулы воды:
Диаметр молекулы меди 2,25*10 -10 м. Диаметры молекул газов того же порядка. Например, диаметр молекулы водорода 2,47*10 -10 м, углекислого газа - 3,32*10 -10 м. Значит, молекула имеет диаметр порядка 10 -10 м. На длине 1 см рядом могут расположиться 100 млн. молекул.
Произведем оценку массы молекулы, например сахара (C 12 H 22 О 11). Для этого надо массу киломоля сахара (μ = 342,31 кг / кмоль) разделить на число Авогадро, т. е. на число молекул в
Кикоин А.К. Простой способ определения размеров молекул // Квант. - 1983. - № 9. - C.29-30.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
В молекулярной физике главные «действующие лица» - это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности каковы их размеры.
Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул значит знать их радиус.
Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В «Физике 9» рассказывается о двух из них. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. В другом размер частицы определяется с помощью сложного прибора - ионного проектора.
Существует, однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусов молекул (или атомов) Он основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N .
Число молекул в теле массой m равно, как известно, \(~N_a \frac{m}{M}\), где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства
\(~V_0 = \frac{V}{N} = \frac{V M}{m N_A}\) .
В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение \(~\frac{m}{V} = \rho\) есть плотность вещества, так что
\(~V_0 = \frac{M}{\rho N_A}\) .
Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.
\(~\frac{4}{3} \pi r^3 = \frac{M}{\rho N_A}\) .
откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:
\(~r = \sqrt {\frac{3M}{4 \pi \rho N_A}} = \sqrt {\frac{3}{4 \pi N_A}} \sqrt {\frac{M}{\rho}}\) .
Первый из этих двух корней - постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r ринимает вид
\(~r \approx 7,4 \cdot 10^{-9} \sqrt {\frac{M}{\rho}} (m)\) .
Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен r В ≈ 1,9 · 10 -10 м.
Описанный способ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарики нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул- шариков были бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.
И подраздела , в которой в общих чертах рассмотрели современные способы фильтрации, основанные на принципе сита. И намекнули, что мембранные очистители очищают воду с различным качеством, которое зависит от размера "ячеек", которые называются поры, в этих мембранах-ситах. Соответственно, микрофильтрация воды — это первая технология из мембранных систем очистки воды, которую мы рассмотрим.
Микрофильтрация воды — очистка воды на уровне крупных молекул (макромолекул), таких как частицы асбеста, краска, угольная пыль, цисты простейших, бактерии, ржавчина. Тогда как макрофильтрация ( воды) затрагивает песок, крупные частицы ила, крупные частицы ржавчины и т.д.
Можно ориентировочно сказать, что размеры частиц, которые отсеивает макрофильтрация — это частицы крупнее 1 микрометра (если используется специальный одномикронный картридж). Тогда как размер частиц, которые удаляет микрофильтрация — это частицы от 1 микрона до 0,1 микрона .
Вы можете задать вопрос: "Но если удаляются частицы до 0,1 микрона, то разве частицы размером в 100 микрон не смогут быть задержаны с помощью микрофильтрации? Зачем писать "от 1 микрона до 0,1 микрона" — это же противоречие?"
На самом деле особого противоречия нет. Действительно, микрофильтрация воды удалит как бактерий, так и огромные куски песка. Но цель микрофильтрации — это не удаление крупных кусков песка. Цель микрофильтрации — как "удалить частицы в указанном диапазоне размеров". Тогда как бо льшие частицы просто забьют очиститель и приведут к дополнительным затратам.
Итак, переходим к характеристике микрофильтрации воды.
Поскольку при микрофильтрации удаляются частицы размерами 0,1-1 микрон, то можно сказать, что микрофильтрация — это мембранная технология очистки воды, которая происходит на мембранах-ситах с диаметром ячеек-пор 0,1-1 микрон. То есть, на таких мембранах удаляются все вещества, которые больше 0,5-1 мкм:
То, насколько полно они удаляются, зависит от диаметра пор и действительного размера, скажем, бактерий. Так, если бактерия длинная, но тонкая, то она с лёгкостью пролезет через поры микрофильтрационной мембраны. А более толстая сферическая бактерия останется на поверхности "сита".
Чаще всего микрофильтрация применяется в пищевой промышленности (для обезжиривания молока, концентрирования соков) и в медицине (для первичной подготовки лекарственного сырья). Также микрофильтрация используется в промышленной очистке питьевой воды — преимущественно в западных странах (например, в Париже). Хотя ходят слухи, что одна из водоочистных станций в Москве также использует технологию микрофильтрации. Возможно, это правда 🙂
Но также существуют и бытовые фильтры на основе микрофильтрации.
Наиболее распространённый пример — трековые микрофильтрационные мембраны . Трековые от слова "трек", то есть след, и это название связано с тем, как мембраны данного типа изготавливаются. Процедура очень проста:
- Полимерная плёнка бомбардируется частицами, которые за счёт своей собственной большой энергии прожигают в плёнке следы — углубления примерно одинакового размера, поскольку частицы, которыми бомбардируется поверхность, имеют одинаковый размер.
- Затем эта полимерная плёнка протравливается в растворе, например, кислоты, чтобы следы от ударов частиц стали сквозными.
- Ну а потом простая процедура сушки и фиксации полимерной плёнки на подложке — и всё, трековая микрофильтрационная мембрана готова!
В результате эти мембраны отличаются фиксированным диаметром пор и незначительной пористостью по сравнению с другими мембранными системами очистки воды. И вывод: на данных мембранах будут удаляться частицы только под определённый размер.
Также существует более навороченый вариант микрофильтрационных бытовых мембран — микрофильтрационные мембраны с напылением из активированного угля . То есть, в перечисленные выше шаги входит ещё один шаг — нанесение тонкого слоя из . На этих мембранах удаляются не только бактерии и механические примеси, но и
- запах,
- органические вещества,
- и т.д.
Нужно учитывать, что для микрофильтрационных мембран есть опасность . Так, бактерии, которые не прошли через мембрану, начинают жить на этой мембране и выдавать продукты своей жизнедеятельности в очищенную воду. То есть, возникает вторичное отравление воды . Для того, чтобы избежать этого, необходимо следовать инструкциям производителя по регулярной дезинфекции мембран.
Вторая опасность — это то, что бактерии начнут самостоятельно есть эти мембраны . И сделают в них огромные дырки, которые будут пропускать те вещества, которые мембрана должна задерживать. Чтобы этого не происходило, следует приобретать фильтры на основе устойчивого к бактериям вещества (например, керамические микрофильтрационные мембраны) или же быть готовым к частым заменам микрофильтрационных мембран.
Частая замена микрофильтрационных мембран подстёгивается так же тем, что они не оборудованы механизмом промывок . И поры мембраны попросту забиваются грязью. Мембраны выходят из строя.
В принципе, про микрофильтрацию всё. Микрофильтрация — достаточно качественный способ очистки воды. Однако,
Действительное назначение микрофильтрации — не подготовка воды для питья (в связи с опасностью бактериального загрязнения), а предварительная подготовка воды перед следующими стадиями.
Этап микрофильтрации снимает с последующих стадий водоочистки большую часть нагрузки.
По материалам Как выбрать фильтр для воды : http://voda.blox.ua/2008/07/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-22.html
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.