PEATÜKK 4. AINE STRUKTUURI KOHTA ALGNE TEABE KLASS
Selle teemaga seotud ülesannete lahendamine peaks aitama õpilastel välja töötada esialgsed kontseptsioonid ainete molekulaarstruktuuri kohta.
Ülesannetes tuleb arvestada eelkõige selliste faktidega, mille teaduslik selgitamine viib paratamatult mõttele, et kehad koosnevad tillukestest osakestest - molekulidest.
Järgmiseks tuleks lahendada hulk probleeme, mis annavad aimu molekulide suurusest, aga ka nende omadustest, liikumisest ja vastastikmõjust. Õpilaste puuduliku matemaatilise ettevalmistuse tõttu peab enamik ülesandeid olema kvaliteetsed.
Märkimisväärset tähelepanu tuleb pöörata ka eksperimentaalsetele probleemidele. Õpilased saavad teha ka kodus lihtsaid katseülesandeid.
Saadud teavet ainete molekulaarstruktuuri kohta kasutatakse seejärel aine tahke, vedela ja gaasilise oleku erinevuste selgitamiseks.
1. Molekulide olemasolu. Molekulide suurused
Molekulide ja nende suuruste esialgset mõistet on kasulik selgitada ja süvendada ülesannete abil, milles antakse fotod elektronmikroskoobi abil saadud molekulidest.
Molekulide keerulist struktuuri näitavate ülesannete lahendamine pole vajalik. Kuid sissejuhatavas plaanis, eriti tugeva õppeedukusega klassides, võite kaaluda 2-3 ülesannet, mis näitavad, et komplekssete ainete molekulid koosnevad väiksematest osakestest - aatomitest.
Lisaks kvalitatiivsetele saate esitada ülesandeid molekulide absoluutse ja suhtelise suuruse lihtsate arvutuste kohta.
43. Joonisel 11 on kujutatud tahke osakese elektronmikroskoobi foto. Milline
Riis. 11. (vt skannimist)
Kas selle foto põhjal saab teha järelduse tahke aine ehituse kohta? Fotol näidatud skaalat kasutades määrake ühe osakese - molekuli suurus.
Lahendus. Tähelepanu pööratakse sellele, et kõik molekulid on identsed, paiknevad tahkes kindlas järjekorras ja on nii tiheda tihendiga, et nende vahele jäävad vaid väikesed vahed.
Molekulide läbimõõdu määramiseks loendage nende arv (50) näidatud kaugusel 0,00017 cm ja leidke arvutamise teel, et molekuli läbimõõt on ligikaudu 0,000003 cm.
Öelge õpilastele, et see on hiiglaslik molekul. Näiteks veemolekuli läbimõõt on umbes sada korda väiksem.
44. Optiline mikroskoop võimaldab eristada umbes 0,00003 cm suurusi objekte Kas sellises mikroskoobis on võimalik näha veetilka, mille läbimõõt on sada, tuhat, miljon? Veemolekuli läbimõõt on ligikaudu
Järelikult näete optilise mikroskoobiga ainult veetilka, mille läbimõõt on vähemalt 1000 korda suurem kui veemolekuli läbimõõt. Veemolekule endid optilise mikroskoobiga näha ei saa.
45. Molekulide arv õhus normaalrõhu ja 0°C juures on . Eeldades, et ühe gaasimolekuli läbimõõt on ligikaudu 0,00000003 cm, arvutage välja, kui pikad oleksid "helmed", kui kõik need molekulid saaksid olla tihedalt kinni nähtamatule niidile.
Vastus. 8 miljonit km.
46(e). Asetage kaks katseklaasi tagurpidi vette ja asetage neisse aku pooluste külge kinnitatud tühjad juhtmed. Jälgige gaasimulle ja uurige nende koostist hõõguva killu abil. Kust gaasid tulid?
Lahendus. Ühe katseklaasi kildude ereda põlemise ja teises sähvatuse põhjal järeldatakse, et ühes katseklaasis oli hapnikku ja teises vesinikku.
Nad selgitavad, et veemolekuli lagunemise käigus tekkisid gaasid. Järelikult väiksemateks osadeks jagamisel molekuli omadused ei säili. Õpilastele võib teada anda, et ka veeauru väga kõrge temperatuurini kuumutamisel laguneb vesi hapnikuks ja vesinikuks.
Molekulid on erineva suuruse ja kujuga. Selguse huvides kujutame molekuli palli kujul, kujutades ette, et see on kaetud sfäärilise pinnaga, mille sees on selle aatomite elektroonilised kestad (joonis 4, a). Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt ei ole molekulidel geomeetriliselt määratletud läbimõõtu. Seetõttu lepiti kokku võtta molekuli läbimõõt d kahe molekuli tsentrite vaheliseks kauguseks (joonis 4, b), mis on nii lähedal, et nendevahelised tõmbejõud on tasakaalustatud tõukejõududega.
Keemiakursusest on teada, et mis tahes aine kilogramm-molekul (kilomool) sisaldab olenemata selle agregatsiooniseisundist sama palju molekule, mida nimetatakse Avogadro numbriks, nimelt N A = 6,02*10 26 molekuli.
Nüüd hindame molekuli, näiteks vee, läbimõõtu. Selleks jagage kilomooli vee maht Avogadro arvuga. Kilomoolil veel on mass 18 kg. Eeldusel, et veemolekulid asuvad üksteise ja selle tiheduse lähedal 1000 kg/m3, võime seda öelda 1 kmol vesi võtab mahu V = 0,018 m3. Mahu moodustab üks veemolekul
Võttes molekuli kuulina ja kasutades palli ruumala valemit, arvutame veemolekuli ligikaudse läbimõõdu, vastasel juhul lineaarse suuruse:
Vasemolekuli läbimõõt 2,25*10 -10 m. Gaasi molekulide läbimõõdud on samas suurusjärgus. Näiteks vesiniku molekuli läbimõõt 2,47*10-10 m, süsinikdioksiid - 3,32*10 -10 m. See tähendab, et molekuli läbimõõt on suurusjärgus 10-10 m. Pikemalt 1 cm Läheduses võib asuda 100 miljonit molekuli.
Hinnakem molekuli, näiteks suhkru massi (C 12 H 22 O 11). Selleks vajate kilomooli suhkrut (μ = 342,31 kg/kmol) jagatud Avogadro arvuga, st molekulide arvuga
Kikoin A.K. Lihtne viis molekulide suuruse määramiseks // Quantum. - 1983. - nr 9. - P.29-30.
Erikokkuleppel ajakirja "Kvant" toimetuse ja toimetajatega
Molekulaarfüüsikas on peamised "tegijad" molekulid, kujuteldamatult väikesed osakesed, mis moodustavad kõik maailma ained. On selge, et paljude nähtuste uurimiseks on oluline teada, mis molekulid need on. Eelkõige, millised on nende suurused.
Kui inimesed räägivad molekulidest, peetakse neid tavaliselt väikesteks elastseteks kõvadeks pallideks. Seetõttu tähendab molekulide suuruse teadmine nende raadiuse teadmist.
Vaatamata molekulide suuruse väiksusele on füüsikud suutnud välja töötada mitmeid viise nende määramiseks. Füüsika 9 räägib neist kahest. Kasutatakse ära mõnede (väga väheste) vedelike omadust levida ühe molekuli paksuse kile kujul. Teises määratakse osakeste suurus keeruka seadme - ioonprojektori - abil.
Siiski on olemas väga lihtne, kuigi mitte kõige täpsem meetod molekulide (või aatomite) raadiuste arvutamiseks. See põhineb asjaolul, et aine molekulid, kui see on tahkes või vedelas olekus, võib pidada üksteisega tihedalt külgnevateks. Sellisel juhul võime ligikaudse hinnangu saamiseks eeldada, et maht V mingi mass m aine väärtus on lihtsalt võrdne selles sisalduvate molekulide mahtude summaga. Siis saame ühe molekuli ruumala ruumala jagades V molekulide arvu kohta N.
Molekulide arv kehakaalus m võrdub, nagu teada, \(~N_a \frac(m)(M)\), kus M- aine molaarmass N A on Avogadro number. Sellest ka helitugevus V Võrdusest määratakse ühe molekuli 0
\(~V_0 = \frac(V)(N) = \frac(V M)(m N_A)\) .
See avaldis hõlmab aine mahu ja massi suhet. Pöördsuhe \(~\frac(m)(V) = \rho\) on aine tihedus, seega
\(~V_0 = \frac(M)(\rho N_A)\) .
Peaaegu iga aine tiheduse leiate kõigile kättesaadavatest tabelitest. Molaarmassi on lihtne määrata, kui aine keemiline valem on teada.
\(~\frac(4)(3) \pi r^3 = \frac(M)(\rho N_A)\) .
millest saame molekuli raadiuse avaldise:
\(~r = \sqrt (\frac(3M)(4 \pi \rho N_A)) = \sqrt (\frac(3)(4 \pi N_A)) \sqrt (\frac(M)(\rho) )\) .
Esimene neist kahest juurest on konstantne väärtus, mis on võrdne ≈ 7,4 10 -9 mol 1/3, seega valem r teeskleb
\(~r \umbes 7,4 \cdot 10^(-9) \sqrt (\frac(M)(\rho)) (m)\) .
Näiteks selle valemi abil arvutatud veemolekuli raadius on võrdne r B ≈ 1,9 · 10 -10 m.
Kirjeldatud meetod molekulide raadiuste määramiseks ei saa olla täpne ainuüksi seetõttu, et kuule ei saa paigutada nii, et nende vahele ei jääks tühimikke, isegi kui nad on üksteisega kontaktis. Lisaks oleks sellise molekulide-pallide “pakkimisega” molekulaarsed liikumised võimatud. Sellegipoolest annavad molekulide suuruste arvutused ülaltoodud valemi abil tulemusi, mis langevad peaaegu kokku teiste meetodite tulemustega, mis on võrreldamatult täpsemad.
Ja alajaotis, milles vaadati üldjoontes üle tänapäevased sõelaprintsiibil põhinevad filtreerimismeetodid. Ja nad vihjasid, et membraanipuhastid puhastavad erineva kvaliteediga vett, mis sõltuvad nendes membraansõelates olevate rakkude ehk pooride suurusest. vastavalt vee mikrofiltreerimine- See on esimene membraani veepuhastussüsteemide tehnoloogia, mida me kaalume.
Vee mikrofiltreerimine on vee puhastamine suurte molekulide (makromolekulide) tasemel, nagu asbestiosakesed, värv, söetolm, algloomade tsüstid, bakterid, rooste. Makrofiltratsioon (vee) mõjutab aga liiva, suuri mudaosakesi, suuri roosteosakesi jne.
Ligikaudu võib öelda, et makrofiltrimisel väljasõeluvad osakeste suurused on suuremad kui 1 mikromeeter (kui kasutatakse spetsiaalset ühe mikronit kassetti). Kuigi osakeste suurus, mille mikrofiltreerimine eemaldab, on osakesed 1 mikronist 0,1 mikronini.
Võite küsida: "Kuid kui eemaldatakse kuni 0,1 mikroni suurused osakesed, kas siis 100 mikroni suurused osakesed ei jääks mikrofiltreerimisega kinni? Miks kirjutada "1 mikron kuni 0,1 mikronit" – see on vastuolu?"
Tegelikult pole erilist vastuolu. Tõepoolest, vee mikrofiltreerimine eemaldab nii bakterid kui ka tohutud liivatükid. Kuid mikrofiltreerimise eesmärk ei ole eemaldada suuri liivatükke. Mikrofiltrimise eesmärk on "eemaldada osakesed kindlaksmääratud suurusvahemikus". Kuidas siis oleks O Suuremad osakesed lihtsalt ummistavad puhasti ja toovad kaasa lisakulusid.
Niisiis, liigume edasi vee mikrofiltreerimise omaduste juurde.
Kuna mikrofiltreerimine eemaldab osakesed mõõtmetega 0,1-1 mikronit, võib seda öelda mikrofiltreerimine on membraantehnoloogia vee puhastamiseks, mis toimub membraansõelatel, mille pooride raku läbimõõt on 0,1-1 mikronit. See tähendab, et sellistel membraanidel eemaldatakse kõik ained, mis on suuremad kui 0,5-1 mikronit:
Kui täielikult need eemaldatakse, sõltub pooride läbimõõdust ja näiteks bakterite tegelikust suurusest. Seega, kui bakter on pikk, kuid õhuke, mahub see kergesti läbi mikrofiltratsioonimembraani pooride. Ja paksem kerakujuline bakter jääb “sõela” pinnale.
Kõige tavalisem mikrofiltratsiooni kasutamine on toiduainetööstuses(piima koorimiseks, mahlade kontsentreerimiseks) ja meditsiinis(ravimi tooraine esmaseks valmistamiseks). Kasutatakse ka mikrofiltreerimist tööstuslikus joogiveepuhastuses- peamiselt lääneriikides (näiteks Pariisis). Kuigi liiguvad jutud, et Moskva ühes veepuhastusjaamas kasutatakse ka mikrofiltratsioonitehnoloogiat. Võib-olla on see tõsi :)
Kuid on ka mikrofiltratsioonil põhinevaid majapidamisfiltreid.
Kõige tavalisem näide on raja mikrofiltratsioonimembraanid. Rada sõnast "rada", see tähendab jälg, ja see nimi on seotud seda tüüpi membraanide valmistamisega. Protseduur on väga lihtne:
- Polümeerkilet pommitavad osakesed, mis oma suure energia tõttu põletavad kiles jäljed - ligikaudu ühesuurused süvendid, kuna osakesed, millega pinda pommitatakse, on ühesuurused.
- Seejärel söövitatakse see polümeerkile lahusesse, näiteks happesse, nii et osakeste löökide jäljed tulevad läbi.
- Noh, siis lihtne protseduur polümeerkile aluspinnale kuivatamiseks ja kinnitamiseks - ja ongi kõik, raja mikrofiltratsioonimembraan on valmis!
Selle tulemusena on neil membraanidel fikseeritud pooride läbimõõt ja madal poorsus võrreldes teiste membraaniveepuhastussüsteemidega. Ja järeldus: need membraanid eemaldavad ainult teatud suurusega osakesed.
On olemas ka keerukam versioon mikrofiltratsiooniga majapidamismembraanidest - aktiivsöega kaetud mikrofiltratsioonimembraanid. See tähendab, et ülaltoodud sammud hõlmavad veel ühte sammu - õhukese kihi pealekandmist. Need membraanid eemaldavad mitte ainult bakterid ja mehaanilised lisandid, vaid ka
- lõhn,
- orgaaniline aine,
- jne.
Arvestada tuleks sellega, et mikrofiltreerimismembraanide puhul on oht. Seega bakterid, mis ei läbinud membraani hakkavad sellel membraanil elama ja välja anda oma elu tooteid puhastatud vette. See tähendab, et see tekib sekundaarne veemürgitus. Selle vältimiseks on vaja järgida tootja juhiseid membraanide regulaarseks desinfitseerimiseks.
Teine oht on see bakterid hakkavad neid membraane ise sööma. Ja nad teevad neisse tohutud augud, mis võimaldavad ainetel, mida membraan peaks säilitama, läbi pääsema. Selle vältimiseks peaksite ostma bakteritele vastupidavatel ainetel põhinevad filtrid (nt keraamilised mikrofiltreerimismembraanid) või olema valmis mikrofiltreerimismembraane sageli vahetama.
Mikrofiltratsioonimembraanide sagedast asendamist soodustab ka asjaolu, et need pole varustatud loputusmehhanismiga. Ja membraani poorid on lihtsalt mustusega ummistunud. Membraanid ebaõnnestuvad.
Põhimõtteliselt on kõik seotud mikrofiltrimisega. Mikrofiltreerimine on üsna kvaliteetne vee puhastamise meetod. Kuid,
Mikrofiltrimise tegelik eesmärk ei ole joogivee ettevalmistamine (bakteriaalse saastumise ohu tõttu), vaid vee eeltöötlus enne järgmisi etappe.
Mikrofiltreerimise etapp eemaldab suurema osa järgmistest veetöötlusetappidest tulenevast koormusest.
Materjalide põhjal Kuidas valida veefiltrit: http://voda.blox.ua/2008/07/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-22.html
Kui kaks või enam aatomit on omavahel keemiliselt seotud, moodustuvad molekulid. Pole tähtis, kas need aatomid on ühesugused või on nad üksteisest täiesti erinevad, nii kuju kui ka suuruse poolest. Selgitame välja, mis on molekulide suurus ja millest see sõltub.
Mis on molekulid?
Teadlased on tuhandeid aastaid mõtisklenud elu müsteeriumi üle, mis täpselt juhtub, kui see algab. Kõige iidsemate kultuuride järgi koosneb elu ja kõik siin maailmas looduse põhielementidest – maast, õhust, tuulest, veest ja tulest. Kuid aja jooksul hakkasid paljud filosoofid esitama ideed, et kõik asjad koosnevad väikestest jagamatutest asjadest, mida ei saa luua ega hävitada.
Kuid alles pärast aatomiteooria ja moodsa keemia tulekut hakkasid teadlased oletama, et osakesed koos võetuna moodustasid kõigi asjade põhilised ehitusplokid. Nii tekkis termin, mis tänapäevase osakeste teooria kontekstis viitab kõige väiksematele massiühikutele.
Klassikalise määratluse järgi on molekul aine väikseim osake, mis aitab säilitada selle keemilisi ja füüsikalisi omadusi. See koosneb kahest või enamast aatomist või identsete või erinevate aatomite rühmast, mida hoiavad koos keemilised jõud.
Mis on molekulide suurus? 5. klassis annab looduslugu (kooliaine) suurustest ja kujudest vaid üldise ettekujutuse seda teemat uuritakse täpsemalt keskkoolis keemiatundides.
Näited molekulidest
Molekulid võivad olla lihtsad või keerulised. siin on mõned näidised:
- H20 (vesi);
- N2 (lämmastik);
- O 3 (osoon);
- CaO (kaltsiumoksiid);
- C6H12O6 (glükoos).
Kahest või enamast elemendist koosnevaid molekule nimetatakse ühenditeks. Seega on vesi, kaltsiumoksiid ja glükoos ühendid. Kõik ühendid ei ole molekulid, kuid kõik molekulid on ühendid. Kui suured need olla võivad? Mis on molekuli suurus? On teada tõsiasi, et peaaegu kõik meid ümbritsev koosneb aatomitest (välja arvatud valgus ja heli). Nende kogumass on molekuli mass.
Molekulmass
Molekulide suurusest rääkides lähtub enamik teadlasi molekulmassist. See on kõigi selles sisalduvate aatomite kogumass:
- Vee, mis koosneb kahest vesinikuaatomist (mõlemal on üks aatommassiühik) ja ühest hapnikuaatomist (16 aatommassiühikut), on molekulmassiga 18 (täpsemalt 18,01528).
- Glükoosi molekulmass on 180.
- Väga pika DNA molekulmass võib olla umbes 1010 (umbes ühe inimese kromosoomi kaal).
Mõõtmine nanomeetrites
Lisaks massile saame mõõta ka seda, kui suured molekulid on nanomeetrites. Ühe veeühiku läbimõõt on umbes 0,27 Nm. DNA läbimõõt ulatub 2 nm ja võib ulatuda mitme meetri pikkuseks. Raske on ette kujutada, kuidas sellised mõõtmed ühte lahtrisse mahuvad. DNA pikkuse ja paksuse suhe on hämmastav. See on 1/100 000 000, mis on nagu jalgpalliväljaku pikkune juuksekarv.
Kujundid ja suurused
Mis on molekulide suurus? Neid on erineva kuju ja suurusega. Vesi ja süsihappegaas on ühed väiksemad, valgud ühed suurimad. Molekulid on elemendid, mis koosnevad üksteisega seotud aatomitest. Molekulide välimuse mõistmine on traditsiooniliselt olnud keemia osa. Lisaks arusaamatult kummalisele keemilisele käitumisele on molekulide üheks oluliseks tunnuseks nende suurus.
Kus võiks olla eriti kasulik teadmine, kui suured molekulid on? Vastus sellele ja paljudele teistele küsimustele aitab nanotehnoloogia vallas, kuna nanorobotite ja nutikate materjalide kontseptsioon käsitleb tingimata molekulide suuruse ja kuju mõjusid.
Mis on molekulide suurus?
5. klassis annab sellel teemal looduslugu ainult üldist teavet, et kõik molekulid koosnevad aatomitest, mis on pidevas juhuslikus liikumises. Gümnaasiumis võib juba keemiaõpikutes näha struktuurivalemeid, mis meenutavad molekulide tegelikku kuju. Nende pikkust on aga tavalise joonlaua abil võimatu mõõta ja selleks pead teadma, et molekulid on kolmemõõtmelised objektid. Nende pilt paberil on projektsioon kahemõõtmelisele tasapinnale. Molekuli pikkust muudavad selle nurkade pikkuste seosed. Seal on kolm peamist:
- Tetraeedri nurk on 109°, kui kõik selle aatomi sidemed kõigi teiste aatomitega on üksikud (ainult üks kriips).
- Kuusnurga nurk on 120°, kui ühel aatomil on üks kaksikside teise aatomiga.
- Joonenurk on 180°, kui aatomil on kas kaks kaksiksidet või üks kolmikside teise aatomiga.
Tegelikud nurgad erinevad sageli nendest nurkadest, kuna arvesse tuleb võtta mitmeid erinevaid mõjusid, sealhulgas elektrostaatilisi vastastikmõjusid.
Kuidas ette kujutada molekulide suurust: näited
Mis on molekulide suurus? 5. klassis on vastused sellele küsimusele, nagu me juba ütlesime, üldised. Õpilased teavad, et nende ühendite suurus on väga väike. Näiteks kui muudate ühes liivateras oleva liivamolekuli terveks liivateraks, siis saate tekkiva massi alla peita viiekorruselise maja. Mis on molekulide suurus? Lühike vastus, mis on ka teaduslikum, on järgmine.
Molekulmass võrdsustatakse kogu aine massi ja aines olevate molekulide arvu suhtega või molaarmassi ja Avogadro konstandi suhtega. Mõõtühikuks on kilogramm. Keskmiselt on molekulmass 10 -23 -10 -26 kg. Võtame näiteks vee. Selle molekulmass on 3 x 10–26 kg.
Kuidas mõjutab molekuli suurus atraktiivseid jõude?
Molekulidevahelise külgetõmbe eest vastutab elektromagnetiline jõud, mis avaldub vastandlaengute külgetõmbamise ja sarnaste laengute tõrjumise kaudu. Elektrostaatiline jõud, mis eksisteerib vastandlaengute vahel, domineerib aatomite ja molekulide vahelisi interaktsioone. Gravitatsioonijõud on sel juhul nii väike, et selle võib tähelepanuta jätta.
Sel juhul mõjutab molekuli suurus tõmbejõudu juhuslike moonutuste elektronpilve kaudu, mis tekib molekuli elektronide jaotumise ajal. Mittepolaarsete osakeste puhul, millel on ainult nõrk van der Waalsi interaktsioon või dispersioonijõud, on molekulide suurusel otsene mõju nimetatud molekuli ümbritseva elektronipilve suurusele. Mida suurem see on, seda suurem on seda ümbritsev laetud väli.
Suurem elektronpilv tähendab, et naabermolekulide vahel võib tekkida rohkem elektroonilisi interaktsioone. Selle tulemusena tekib molekuli ühes osas ajutine positiivne osalaeng, teises aga negatiivne osalaeng. Kui see juhtub, võib molekul polariseerida oma naabri elektronpilve. Tõmbejõud tekib seetõttu, et ühe molekuli osaline positiivne pool tõmbab teise osalise negatiivse poole.
Järeldus
Niisiis, kui suured on molekulid? Loodusloos, nagu oleme teada saanud, võib nende väikseimate osakeste massist ja suurusest leida vaid kujundliku ettekujutuse. Kuid me teame, et on olemas lihtsad ja keerulised ühendid. Ja teise kategooriasse kuulub selline mõiste nagu makromolekul. See on väga suur üksus, näiteks valk, mis tekib tavaliselt väiksemate subühikute (monomeeride) polümerisatsiooni teel. Need koosnevad tavaliselt tuhandetest või enamatest aatomitest.