Муниципальное общеобразовательноеучреждение
«Основная общеобразовательная школа№10»
Определение диаметра молекул
Лабораторная работа
Исполнитель: Масаев Евгений
7 класс «А»
Руководитель: Резник А. В.
Гурьевский район
2010
Введение
Вэтом учебном году я начал изучать физику. Я узнал, что тела, которые насокружают, состоят из мельчайших частиц – молекул. Меня заинтересовало, каковыразмеры молекул. Из-за очень малых размеров молекулы нельзя увидетьневооруженным глазом или с помощью обыкновенного микроскопа. Я прочитал, чтомолекулы можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Ученыедоказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулыодного и того же вещества одинаковы. Мне захотелось на практике измеритьдиаметр молекулы. Но к сожалению, в школьной программе не предусматриваетизучение проблем такого рода, а рассмотреть её одному оказалось нелёгкойзадачей и пришлось изучать литературу о методах определения диаметра молекул.
ГлаваI. Молекулы
1.1Из теории вопроса
Молекулав современном понимании – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми егохимическими свойствами. Молекула способна к самостоятельному существованию. Онаможет состоять как из одинаковых атомов, например кислород О2, озонО3, азот N2,фосфор P4,сера S6 ит. д., так и из различных атомов: сюда относятся молекулы всех сложных веществ.Простейшие молекулы состоят из одного атома: это молекулы инертных газов –гелия, неона, аргона, криптона, ксенона, радона. В так называемыхвысокомолекулярных соединениях и полимерах каждая молекула может состоять изсотен тысяч атомов.
Экспериментальноедоказательство существования молекул первым наиболее убедительно далфранцузский физик Ж. Перрен в 1906 г. при изучении броуновского движения. Оно,как показал Перрен, является результатом теплового движения молекул – и ничеминым.
Сущностьмолекулы можно описать и с другой точки зрения: молекула – устойчивая система,состоящая из ядер атомов (одинаковых или различных) и окружающих электронов,причем химические свойства молекулы определяются электронами внешних оболочек ватомах. Атомы объединяются в молекулы в большинстве случаев химическимисвязями. Обычно такая связь создается одной, двумя или тремя парами электронов,которыми владеют сообща два атома.
Атомыв молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности иопределённым образом распределены в пространстве. Связи между атомами имеютразличную прочность; она оценивается величиной энергии, которую необходимозатратить для разрыва межатомных связей.
Молекулыхарактеризуются определёнными размером и формой. Различными способами былоопределено, что в 1 см3 любого газа при нормальных условияхсодержится около 2,7x1019 молекул.
Чтобыпонять, насколько велико это число, можно представить, что молекула – это«кирпич». Тогда если взять количество кирпичей, равное числу молекул в 1 см3газа при нормальных условиях, и плотно уложить ими поверхность суши всегоземного шара, то они покрыли бы поверхность слоем высотой 120 м, что почти в 4 раза превосходит высоту 10-этажного дома. Огромное число молекул в единицеобъёма указывает на очень малые размеры самих молекул. Например, масса молекулыводы m=29,9 x10-27 кг. Соответственно малы и размеры молекул.Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое импозволяет сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулыявляется условным, так как на молекулярных расстояниях представленияклассической физики не всегда оправданы. Средний размер молекул порядка 10-10м.
Молекулакак система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находитьсяв различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно(под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекулданного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служитьдля идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает вкаждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в тойили иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из нихвеществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращенияхмолекулы одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества,распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химическиереакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения внеразрывной связи со строением и состоянием молекул.
Обычномолекулой называют электрически нейтральную частицу. В веществе положительныеионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными.
Почислу входящих в молекулу атомных ядер различают молекулы двухатомные,трехатомные и т.д. Если число атомов в молекуле превосходит сотни и тысячи,молекула называется макромолекулой. Сумма масс всех атомов, входящих в составмолекулы, рассматривается как молекулярная масса. По величине молекулярноймассы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные.
1.2Методыизмерения диаметра молекул
Вмолекулярной физике главные «действующие лица» — это молекулы, невообразимомаленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что дляизучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности, каковыих размеры.
Когдаговорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками.Следовательно, знать размер молекул, значит знать их радиус.
Несмотряна малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способових определения. В «Физике 7» рассказывается о двух из них. В одном используетсясвойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленкитолщиной в одну молекулу. В другом размер частицы определяется с помощьюсложного прибора — ионного проектора.
Строениемолекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография,нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получатьнепосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод,исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяетрассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительнопростых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограниченыанализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированнойфазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений даютвозможность получить количественные данные о пространственном распределенииэлектронной плотности в молекулах.
Спектроскопическиеметоды основаны на индивидуальности спектров химических соединений, котораяобусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих имэнергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный иколичественный спектральный анализ веществ.
Спектрыпоглощения или испускания в микроволновой области спектра позволяют изучатьпереходы между вращательными состояниями, определять моменты инерции молекул, ана их основе — длины связей, валентные углы и другие геометрические параметрымолекул. Инфракрасная спектроскопия исследует, как правило, переходы междуколебательно-вращательными состояниями и широко используется дляспектрально-аналитических целей, поскольку многие частоты колебанийопределенных структурных фрагментов молекул являются характеристическими ислабо меняются при переходе от одной молекулы к другой. В то же времяинфракрасная спектроскопия позволяет судить и о равновесной геометрическойконфигурации. Спектры молекул в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах частотсвязаны главным образом с переходами между электронными состояниями.Результатом их исследований являются данные об особенностях потенциальных поверхностейдля различных состояний и значения молекулярных постоянных, определяющих этипотенциальные поверхности, также времена жизни молекул в возбужденныхсостояниях и вероятности переходов из одного состояния в другое.
Одеталях электронного строения молекул уникальную информацию дают фото- ирентгеноэлектронные спектры, а также оже-спектры, позволяющие оценить типсимметрии молекулярных орбиталей и особенности распределения электроннойплотности. Широкие возможности для изучения отдельных состояний молекул открылалазерная спектроскопия (в различных диапазонах частот), отличающаясяисключительно высокой селективностью возбуждения. Импульсная лазернаяспектроскопия позволяет анализировать строение короткоживущих молекул и ихпревращения в электромагнитное поле.
Разнообразнуюинформацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешнихэлектрических и магнитных полях.
Существует,однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусовмолекул (или атомов) Он основан на том, что молекулы вещества, когда ононаходится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающимидруг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем Vнекоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в неммолекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V начисло молекул N.
Числомолекул в теле массой m равно, как известно, />, где М — молярная масса вещества NA— число Авогадро. Отсюда объем V0одной молекулы определяетсяиз равенства
/>.
Вэто выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное жеотношение />естьплотность вещества, так что
/>.
Плотностьпрактически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярнуюмассу легко определить, если известна химическая формула вещества.
Объемодной молекулы, если считать ее шариком, равен />, где r — радиус шарика. Поэтому
/>.
откудамы и получаем выражение для радиуса молекулы:
/>.
Первыйиз этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10-9моль1/3, поэтому формула для r принимает вид
/>.
Например,радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен rВ ≈1,9 · 10-10 м.
Описанныйспособ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарикинельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если онисоприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул- шариковбыли бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее вычисления размеровмолекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие срезультатами других методов, несравненно более точных.
ГлаваII. Определениедиаметра молекулы
2.1Метод Ленгмюра и Дево
Оборудование:микропипетка со шкалой, ванна размером 40х30 см, раствор жидкости в спирте сконцентрацией 1:400 (олеиновая кислота и др.), тальк (ликоподий, пудра, порошокмела), линейка измерительная, лист бумаги.
Цельработы: определить приблизительно диаметр молекулы.
Исследуемаяжидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясьв ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется вводе, а исследуемая жидкость образует пятно площадью Sи толщиной d (порядка диаметрамолекул).
Еслидопустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен: />где d– молекулы.
Влабораторной работе необходимо определить диаметр молекулы d.В микропипетку набираю 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитываючисло капель n, содержащихся в этомобъеме. Проделав опыт несколько раз, нахожу среднее значение числа капель вобъеме 0,5 мл, а затем подсчитываю объем исследуемой жидкости в капле:
/>м3,
гдеn – число капель в объеме 0,5 мл,1:400 – концентрация раствора.
Вванну наливаю воду толщиной 1 – 2 см. Насыпаю тальк тонким слоем на листбумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбокуот ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуваю с бумаги. На поверхность воды вванне из пипетки капаю одну каплю раствора. Линейкой измеряю, средний диаметробразовавшегося пятна Dи подсчитываю его площадь. Опыт повторяю 2- 3 раза, а затем подсчитываю диаметрмолекул d.
Привыполнении лабораторной работы следует иметь в виду, что иногда вода из городскойсети имеет примеси, затрудняющие растекание капли.
Вэтом случае необходимо тщательно промыть ванну и использовать дистиллированнуюводу.
Спирт,имеющий примеси, может легко растекаться по поверхности воды, поэтому дляраствора необходим чистый этиловый спирт.
Дляприготовления раствора необходимой концентрации нужно отмерить 0,5 мл жидкостии добавить в нее 4,5 мл спирта, затем в 0,5 мл полученного раствора сконцентрацией 1:10 добавить 4,5 мл спирта; в 0,5 мл полученного раствора сконцентрацией 1:100 добавить 1,5 мл спирта. Получившийся раствор будет иметьконцентрацию 1:400. Если применять раствор большей концентрации, то необходимоиметь ванну больших размеров.
Вывод
Врезультате работы я изучил литературу о строении молекул, о методах определениядиаметра молекул. Используя метод Ленмюра и Дево, я провел исследования поопределению приблизительного диаметра молекулы олеиновой кислоты и получилследующие результаты: d=9,3×10-10 м.
Данныйрезультат не может быть точным, так как шарики нельзя уложитьтак, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг сдругом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул- шариков были бы невозможнымолекулярные движения. Тем не менее вычисления размеров молекул по формуле,приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами другихметодов, несравненно более точных.
Списоклитературы
молекула атом размер диаметр
1. Анциферов,Л. И. Самодельные приборы для физического практикума в средней школе [Текст] /Л. И. Анциферов.- М.: Просвещение, 1985.
2. Блудов,М. И. Беседы по физике [Текст] / М. И. Блудов. – М.: Просвещение, 1992. — 140с.
3. Физика.Большой справочник для школьников и поступающих в вузы [Текст]/ — М.: Дрофа,1999. — 688 с.
4. Физическийэнциклопедический словарь [Текст]/ — М.: Советская энциклопедия, 1983. — 928 с.
5. Энциклопедическийсловарь юного физика [Текст]/ — М.: Педагогика, 1984.