ГЛАВА 4. ПЕРШОПОЧАТКОВІ ВІДОМОСТІ КЛАС ПРО БУДОВА РЕЧОВИНИ
Розв'язання завдань на цю тему має допомагати формуванню в учнів початкових понять про молекулярному будову речовин.
У завданнях необхідно розглянути передусім такі факти, наукове пояснення яких неминуче призводить до уявлень у тому, що тіла складаються з найдрібніших частинок - молекул.
Далі слід вирішити ряд завдань, що дають поняття про розміри молекул, а також їх властивості, рух і взаємодію. Через недостатню математичну підготовку учнів більшість завдань мають бути якісними.
Значну увагу необхідно приділити також експериментальним завданням. Нескладні експериментальні завдання учні можуть виконувати й у домашніх умовах.
Отримані відомості про молекулярну будову речовин потім використовують для пояснення відмінності між твердим, рідким та газоподібним станами речовини.
1. Існування молекул. Розміри молекул
Початкове поняття про молекули та їх розміри корисно уточнити та поглибити за допомогою завдань, у яких дано фотографії молекул, отримані за допомогою електронного мікроскопа.
Вирішення задач, що показують складну будову молекул, необов'язкове. Але в ознайомлювальному плані, особливо в сильних за успішністю класах, можна розглянути 2-3 завдання, що показують, що молекули складних речовин складаються з дрібніших частинок - атомів.
Поряд із якісними можна дати завдання на нескладні розрахунки абсолютних та відносних розмірів молекул.
43. На малюнку 11 показано фотографію частинки твердого тіла, отриману за допомогою електронного мікроскопа. Який
Мал. 11. (Див. скан)
Висновок можна зробити на основі цієї фотографії про будову твердого тіла? Використовуючи вказаний на фотографії масштаб, визначте розмір однієї частинки - молекули.
Рішення. Увага звертають на те, що всі молекули однакові, розташовані в твердому тілі в певному порядку і мають таку щільну упаковку, що між ними залишаються лише незначні проміжки.
Для визначення діаметра молекул підраховують їх число (50) на вказаній відстані 0,00017 см і обчислюючи, знаходять, що діаметр молекули дорівнює приблизно 0,000003 см.
Слід сказати учням, що це гігантська молекула. Молекула води, наприклад, має діаметр приблизно в сто разів менше.
44. Оптичний мікроскоп дозволяє розрізнити об'єкти розміром близько 0,00003 см. Чи можна в такий мікроскоп побачити крапельку води, діаметром якої укладається сто, тисяча, мільйон молекул? Діаметр молекули води дорівнює приблизно
Отже, в оптичний мікроскоп можна побачити тільки таку крапельку води, діаметр якої не менше ніж у 1000 разів більший за діаметр молекули води. Самі молекули води не можна побачити в оптичний мікроскоп.
45. Число молекул повітря при нормальному тиску і 0°С становить . Вважаючи, що діаметр однієї молекули газу дорівнює приблизно 0,00000003 см, підрахуйте, якої довжини вийшли б «намиста», якби всі ці молекули можна було щільно нанизати на невидиму нитку.
Відповідь. 8 млн км.
46 (е). Опустіть у воду вгору дном дві пробірки і помістіть в них оголені дроти, приєднані до полюсів батарейки. Звідки з'явилися гази?
Рішення. За яскравим горінням лучинки в одній пробірці і спалаху в іншій укладають, що в одній пробірці знаходився кисень, а в іншій - водень.
Пояснюють, що гази з'явилися під час розкладання молекули води. Отже, властивості молекули при її розподілі на дрібніші частини не зберігаються. Учням можна повідомити, що вода розкладається на кисень і водень при нагріванні водяної пари до дуже високої температури.
Молекули мають розміри та різноманітні форми. Для наочності зображатимемо молекулу у вигляді кульки, уявляючи, що вона охоплена сферичною поверхнею, всередині якої знаходяться електронні оболонки її атомів (рис. 4, а). За сучасними уявленнями молекули немає геометрично визначеного діаметра. Тому за діаметр молекули d домовилися прийняти відстань між центрами двох молекул (рис. 4, б), що зблизилися настільки, що сили тяжіння між ними врівноважуються силами відштовхування.
З курсу хімії" відомо, що кілограм-молекула (кіломоль) будь-якої речовини, незалежно від його агрегатного стану, містить однакову кількість молекул, яка називається числом Авогадро, а саме N A = 6,02 * 1026 молекул.
Тепер оцінимо діаметр молекули, наприклад води. Для цього розділимо обсяг кіломолю води на число Авогадро. Киломол води має масу 18 кг.Вважаючи, що молекули води розташовані щільно одна до одної та її щільність 1000 кг/м 3 ,можемо сказати, що 1 кмольводи займає об'єм V = 0,018 м 3. На одну молекулу води припадає обсяг
Прийнявши молекулу за кульку і скориставшись формулою об'єму кулі, обчислимо приблизний діаметр, інакше лінійний розмір молекули води:
Діаметр молекули міді 2,25 * 10 -10 м.Діаметри молекул газів того ж порядку. Наприклад, діаметр молекули водню 2,47 * 10 -10 м,вуглекислого газу - 3,32 * 10 -10 м.Отже, молекула має діаметр порядку 10-10 м.на довжині 1 смпоряд можуть розташуватися 100 млн молекул.
Зробимо оцінку маси молекули, наприклад цукру (C 12 H 22 Про 11). Для цього треба масу кіломолю цукру (μ = 342,31 кг/кмоль)розділити на число Авогадро, тобто на число молекул
Кікоїн А.К. Найпростіший спосіб визначення розмірів молекул // Квант. – 1983. – № 9. – C.29-30.
За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"
У молекулярної фізики основні «діючі особи» - це молекули, неймовірно дрібні частинки, у тому числі складаються у світі речовини. Зрозуміло, що з вивчення багатьох явищ важливо знати, які вони, молекули. Зокрема, які їх розміри.
Коли говорять про молекули, їх зазвичай вважають маленькими пружними твердими кульками. Отже, знати розмір молекул означає знати їхній радіус.
Незважаючи на трохи молекулярних розмірів, фізики зуміли розробити безліч способів їх визначення. У «Фізиці 9» розповідається про двох із них. В одному використовується властивість деяких (небагатьох) рідин розтікатися у вигляді плівки товщиною в одну молекулу. В іншому розмір частинки визначається за допомогою складного приладу – іонного проектора.
Існує, проте, дуже простий, хоч і не найточніший, спосіб обчислення радіусів молекул (або атомів) Він заснований на тому, що молекули речовини, коли вона знаходиться в твердому або рідкому стані, можна вважати щільно прилеглими один до одного. У такому разі для грубої оцінки можна вважати, що обсяг Vдеякої маси mречовини просто дорівнює сумі обсягів молекул, що містяться в ньому. Тоді обсяг однієї молекули ми отримаємо, розділивши обсяг Vна число молекул N.
Число молекул у тілі масою mтак само, як відомо, \(~N_a \frac(m)(M)\), де М- молярна маса речовини N A – число Авогадро. Звідси обсяг V 0 однієї молекули визначається з рівності
\(~V_0 = \frac(V)(N) = \frac(V M)(m N_A)\) .
У цей вираз входить відношення обсягу речовини до його маси. Зворотне ж відношення \(~\frac(m)(V) = \rho\) є густина речовини, так що
\(~V_0 = \frac(M)(\rho N_A)\) .
Щільність будь-якої речовини можна знайти в доступних всім таблицях. Молярну масу легко визначити, якщо відома хімічна формула речовини.
\(~\frac(4)(3) \pi r^3 = \frac(M)(\rho N_A)\) .
звідки ми і отримуємо вираз для радіусу молекули:
\(~r = \sqrt (\frac(3M)(4 \pi \rho N_A)) = \sqrt (\frac(3)(4 \pi N_A)) \sqrt (\frac(M)(\rho) )\) .
Перший із цих двох коренів - постійна величина, що дорівнює ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , тому формула для rуважає вигляд
\(~r \approx 7,4 \cdot 10^(-9) \sqrt (\frac(M)(\rho)) (m)\) .
Наприклад, радіус молекули води, обчислений за цією формулою, дорівнює r≈ 1,9 · 10 -10 м.
Описаний спосіб визначення радіусів молекул не може бути точним вже тому, що кульки не можна укласти так, щоб між ними не було проміжків, навіть якщо вони стикаються одна з одною. Крім того, за такої «упаковки» молекул-кульок були б неможливі молекулярні рухи. Проте обчислення розмірів молекул за наведеною вище формулою дають результати, що майже збігаються з результатами інших методів, незрівнянно більш точних.
І підрозділу, в якому в загальних рисах розглянули сучасні методи фільтрації, засновані на принципі сита. І натякнули, що мембранні очищувачі очищають воду з різною якістю, яка залежить від розміру "осередків", які називаються пори, у цих мембранах-ситах. Відповідно, мікрофільтрація води- Це перша технологія з мембранних систем очищення води, яку ми розглянемо.
Мікрофільтрація води - очищення води на рівні великих молекул (макромолекул), таких як частинки азбесту, фарба, вугільний пил, найпростіші цисти, бактерії, іржа. Тоді як макрофільтрація (води) торкається піску, великих частинок мулу, великих частинок іржі і т.д.
Можна орієнтовно сказати, що розміри частинок, які відсіює макрофільтрація - це частинки більші за 1 мікрометр (якщо використовується спеціальний одномікронний картридж). Тоді як розмір частинок, які видаляє мікрофільтрація, це частинки від 1 мікрона до 0,1 мікрона.
Ви можете поставити запитання: "Але якщо видаляються частинки до 0,1 мікрона, то хіба частинки розміром 100 мікрон не зможуть бути затримані за допомогою мікрофільтрації? Навіщо писати "від 1 мікрона до 0,1 мікрона" - це ж протиріччя?"
Насправді особливої суперечності немає. Справді, мікрофільтрація води видалить як бактерій, і величезні шматки піску. Але ціль мікрофільтрації - це не видалення великих шматків піску. Мета мікрофільтрації - як "видалити частинки у вказаному діапазоні розмірів". Тоді як би ольші частки просто заб'ють очищувач і призведуть до додаткових витрат.
Отже, переходимо до характеристики мікрофільтрації води.
Оскільки при мікрофільтрації видаляються частинки розмірами 0,1-1 мікрон, можна сказати, що мікрофільтрація- це мембранна технологія очищення води, яка відбувається на мембранах-ситах з діаметром осередків-пор 0,1-1 мікрон. Тобто, на таких мембранах видаляються всі речовини, які більше 0,5-1 мкм:
Те, наскільки повно вони віддаляються, залежить від діаметра пір і дійсного розміру, скажімо, бактерій. Так, якщо бактерія довга, але тонка, то вона з легкістю пролізе через пори мікрофільтраційної мембрани. А товстіша сферична бактерія залишиться на поверхні "сита".
Найчастіше мікрофільтрація застосовується у харчовій промисловості(для знежирення молока, концентрування соків) та у медицині(Для первинної підготовки лікарської сировини). Також мікрофільтрація використовується у промисловому очищенні питної води— переважно у країнах (наприклад, у Парижі). Хоча ходять чутки, що одна з водоочисних станцій у Москві також використовує технологію мікрофільтрації. Можливо це правда 🙂
Але існують і побутові фільтри на основі мікрофільтрації.
Найбільш поширений приклад - трекові мікрофільтраційні мембрани. Трекові від слова "трек", тобто слід, і назва пов'язана з тим, як мембрани даного типу виготовляються. Процедура дуже проста:
- Полімерна плівка бомбардується частинками, які рахунок своєї власної великої енергії пропалюють у плівці сліди — поглиблення приблизно однакового розміру, оскільки частинки, якими бомбардується поверхня, мають однаковий розмір.
- Потім ця полімерна плівка протруюється у розчині, наприклад, кислоти, щоб сліди від ударів частинок стали наскрізними.
- Ну а потім проста процедура сушіння та фіксації полімерної плівки на підкладці – і все, трекова мікрофільтраційна мембрана готова!
В результаті ці мембрани відрізняються фіксованим діаметром пор та незначною пористістю в порівнянні з іншими мембранними системами очищення води. І висновок: на цих мембранах видалятимуться частинки лише під певний розмір.
Також існує більш наворочений варіант мікрофільтраційних побутових мембран. мікрофільтраційні мембрани з напиленням із активованого вугілля. Тобто, в перераховані вище кроки входить ще один крок - нанесення тонкого шару. На цих мембранах видаляються не тільки бактерії та механічні домішки, а й
- запах,
- органічні речовини,
- і т.д.
Потрібно враховувати, що для мікрофільтраційних мембран є небезпека. Так, бактерії, які не пройшли через мембрану, починають жити на цій мембраніта видавати продукти своєї життєдіяльностіу очищену воду. Тобто виникає вторинне отруєння води. Для того, щоб уникнути цього, необхідно дотримуватися інструкцій виробника щодо регулярної дезінфекції мембран.
Друга небезпека – це те, що бактерії почнуть самостійно їсти ці мембрани. І зроблять у них величезні дірки, які пропускатимуть ті речовини, які мембрана має затримувати. Щоб цього не відбувалося, слід купувати фільтри на основі стійкої до бактерій речовини (наприклад, керамічні мікрофільтраційні мембрани) або бути готовим до частих замін мікрофільтраційних мембран.
Часта заміна мікрофільтраційних мембран підстібається так само тим, що вони не обладнані механізмом промивок. І пори мембрани просто забиваються брудом. Мембрани виходять із ладу.
В принципі, про мікрофільтрацію все. Мікрофільтрація – досить якісний спосіб очищення води. Однак,
Справжнє призначення мікрофільтрації - не підготовка води для пиття (у зв'язку з небезпекою бактеріального забруднення), а попередня підготовка води перед наступними стадіями.
Етап мікрофільтрації знімає з наступних стадій водоочищення більшу частину навантаження.
За матеріалами Як вибрати фільтр для води: http://voda.blox.ua/2008/07/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-22.html
Коли два або більше атомів вступають у хімічні зв'язки один з одним, виникають молекули. При цьому немає значення, чи є ці атоми однаковими або вони зовсім відрізняються один від одного як за формою, так і за своїм розміром. Ми з вами розберемося, яка величина молекул і чого це залежить.
Що таке молекули?
Протягом тисячоліть вчені розмірковували про таємницю життя, про те, що саме відбувається за її зародження. Згідно з найдавнішими культурами, життя і все-все в цьому світі складається з основних елементів природи - землі, повітря, вітру, води та вогню. Однак згодом багато філософів почали висувати ідею, що всі речі складаються з крихітних, неподільних речей, які не можуть бути створені та знищені.
Однак лише після появи атомної теорії та сучасної хімії вчені почали постулювати, що частинки, взяті разом, породили основні будівельні блоки всіх речей. Так з'явився термін, який у контексті сучасної теорії частинок відноситься до найдрібніших одиниць маси.
За своїм класичним визначенням, молекула - це найменша частка речовини, яка допомагає зберігати її хімічні та фізичні властивості. Вона складається із двох або більше атомів, а також груп однакових або різних атомів, які утримуються разом хімічними силами.
Яка величина молекул? У 5 класі природознавство (шкільний предмет) дає лише загальне уявлення про розміри і форми, докладніше це питання вивчається у старших класах під час уроків хімії.
Приклади молекул
Молекули можуть бути простими чи складними. Ось деякі приклади:
- H 2 O (вода);
- N 2 (азот);
- O 3 (озон);
- CaO (оксид кальцію);
- C6H12O6 (глюкоза).
Молекули, які з двох чи більше елементів, називаються сполуками. Так, вода, оксид кальцію та глюкоза є складовими. Не всі сполуки є молекулами, але молекули є сполуками. Наскільки більшими вони можуть бути? Яка величина молекули? Відомий той факт, що майже все навколо нас складається з атомів (крім світла та звуку). Їхня загальна вага і становитиме масу молекули.
Молекулярна маса
Говорячи про те, якою є величина молекул, більшість учених відштовхуються від молекулярної маси. Це загальна вага всіх атомів, що входять до неї:
- Вода, що складається з двох атомів водню (що мають по одній одиниці атомної маси) та одного атома кисню (16 одиниць атомної маси), має молекулярну вагу 18 (точніше, 18,01528).
- Глюкоза має молекулярну масу 180.
- ДНК, яка є дуже довгою, може мати молекулярну масу, яка становить близько 1010 (приблизна вага однієї людської хромосоми).
Вимірювання в нанометрах
На додаток до маси ми можемо виміряти, яка величина молекул в нанометрах. Одиниця води становить близько 0,27 Нм у діаметрі. ДНК досягає 2 Нм у поперечнику і може розтягуватися до кількох метрів завдовжки. Важко уявити, як такі розміри можуть вміщатися в одній клітині. Співвідношення довжини та товщини ДНК дивовижне. Воно становить 1/100 000 000, це як людське волосся із довжиною у футбольне поле.
Форми та розміри
Яка величина молекул? Вони бувають різних форм та розмірів. Вода і вуглекислий газ при цьому є одними з найменших, білки - одними з найбільших. Молекули - це елементи, які з атомів, пов'язані друг з одним. Розуміння зовнішнього вигляду молекул зазвичай є частиною хімії. Крім їх незбагненно дивної хімічної поведінки, однією з важливих характеристик молекул є їх розмір.
Де може бути особливо корисним знання, яка величина молекул? Відповідь на це та багато інших питань допомагає у сфері нанотехнологій, оскільки концепція нанороботів та інтелектуальних матеріалів обов'язково має справу з ефектами молекулярних розмірів та форм.
Яка величина молекул?
У 5 класі природознавство на цю тему дає лише загальну інформацію, що це молекули складаються з атомів, що у постійному безладному русі. У старших класах можна побачити структурні формули у підручниках хімії, які нагадують дійсну форму молекул. Однак неможливо виміряти їх довжину за допомогою звичайної лінійки, а щоб це зробити, потрібно знати, що молекули є тривимірними об'єктами. Їхнє зображення на папері є проекцією на двовимірну площину. Довжина молекули змінюється з допомогою зв'язків довжин її кутів. Існують три основні:
- Кут тетраедра 109°, коли всі зв'язки цього атома з іншими атомами є одинарними (тільки одне тире).
- Кут шестикутника 120°, коли один атом має один подвійний зв'язок з іншим атомом.
- Кут лінії 180°, коли атом має два подвійні зв'язки, або одну потрійну з іншим атомом.
Реальні кути часто відрізняються від цих кутів, оскільки необхідно враховувати низку різноманітних ефектів, у тому числі електростатичні взаємодії.
Як уявити розмір молекул: приклади
Яка величина молекул? У 5 класі відповіді це питання, як ми вже казали, носять загальний характер. Школярі знають, що розмір названих з'єднань дуже невеликий. Ось, наприклад, якщо перетворити молекулу піску в одній єдиній піщинці на цілу піщинку, то під масою, що вийшла, можна було б сховати будинок у п'ять поверхів. Яка величина молекул? Коротка відповідь, якою також є і більш науковою, має такий вигляд.
Молекулярна маса прирівнюється до відношення маси всієї речовини до кількості молекул у речовині або відношенню молярної маси до постійної Авогадро. Одиницею виміру є кілограм. У середньому молекулярна маса становить 10 -23 -10 -26 кг. Візьмемо, наприклад, воду. Її молекулярна маса буде 3 х 10 -26 кг.
Як розмір молекули впливає сили тяжіння?
Відповідальною за тяжіння між молекулами є електромагнітна сила, яка проявляється через тяжіння протилежних та відштовхування подібних зарядів. Електростатична сила, яка існує між протилежними зарядами, домінує у взаємодіях між атомами та між молекулами. Гравітаційна сила настільки мала в цьому випадку, що її можна знехтувати.
При цьому розмір молекули впливає на силу тяжіння через електронні хмари випадкових спотворень, що виникають при розподілі електронів молекули. У разі неполярних частинок, що виявляють лише слабкі ван-дер-ваальсові взаємодії або дисперсійні сили, розмір молекул надає прямий вплив на величину електронної хмари, що оточує зазначену молекулу. Чим вона більша, тим більше і заряджене поле, яке її оточує.
Більша електронна хмара означає, що між сусідніми молекулами може відбуватися більше електронних взаємодій. Через війну одна частина молекули розвиває тимчасовий позитивний частковий заряд, іншу - негативний. Коли це відбувається, молекула може поляризувати електронну хмару в сусідній. Тяжіння відбувається тому, що часткова позитивна сторона однієї молекули притягується до часткової негативної сторони іншої.
Висновок
Отже, якою є величина молекул? У природознавстві, як ми з'ясували, можна знайти лише образне уявлення про масу та розміри цих найдрібніших частинок. Але ми знаємо, що є прості та складні сполуки. І до других можна зарахувати таке поняття, як макромолекула. Це дуже велика одиниця, наприклад, білок, яка зазвичай створюється шляхом полімеризації менших субодиниць (мономерів). Вони зазвичай складаються з тисяч або більше атомів.