Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи)
л тел и пропорций,
согласно которым они входят в соединения», В ней указывалось, что все
проблемы, связанные с установлением относительных масс частиц вещества,
могут быть легко решены, если предположить, что при одинаковых условиях в
равных объёмах любых газов содержится одинаковое число молекул. Теперь это
утверждение называют законом Авогадро. Из него следует, что отношение масс
молекул газов совпадает с отношением их плотностей при одинаковых давлениях
и температурах
Так Авогадро обнаружил удивительно простое решение задачи о нахождении
относительной молекулярной массы. Для этого, оказывается. необходимо знать
лишь плотности р соответствующих газов. В качестве примера он рассчитал
относительную молекулярную массу кислорода. Подставив в свою формулу
плотности кислорода и водорода, учёный пришёл к выводу, что масса молекулы
кислорода примерно в 15 раз превышает массу молекулы водорода (несколько
позднее было получено более точное значение - 16).
Понятие относительной молекулярной массы сохранилось до нашего времени.
Только теперь (начиная с 1960 г.) при её расчёте за основу берут не массу
атома водорода, а 1/12 массы атома углерода (её называют атомной единицей
массы; а.е.м.= 1,6605655(86) 10 -27 кг).
Следующим шагом в развитии молекулярных представлений было определение
состава молекул различных соединений, в частности воды. Для этого Авогадро
воспользовался экспериментальным фактом, установленным несколькими годами
ранее французским химиком и физиком Жозёфом Луи Гей-Люссаком (1778-1850). В
1808 г. он обнаружил, что для образования водяного пара объемом 2V нужно,
чтобы в реакции участвовали водород такого же объёма и кислород объёма V.
Схематически это можно изобразить следующим образом:
2V(водород) + V(кислород) (2V(вода).
До открытия закона Авогадро этот факт мало о чём говорил. Ведь частицы
газообразного водорода могли быть расположены вдвое дальше друг от друга,
чем атомы газообразного кислорода, и потому обнаруженная разница в объёмах
могла не иметь никакого отношения к числу молекул. Однако после того, как
закон был установлен, ситуация резко изменилась. Равные объёмы газов (при
одинаковых условиях) содержат одинаковые количества молекул. Пусть в объёме
V находится N молекул, тогда в объёме 2 V будет содержаться 2 N молекул и
приведённое выше уравнение примет вид:
2N (водород) + N (кислород) (2 N (вода)
или (после сокращения на N)
2 молекулы водорода + 1 молекула кислорода ( 2 молекулы воды.
Проанализировав полученное соотношение, Авогадро пришёл к выводу, что
молекулы водорода и кислорода двухатомны. Если бы это было не так и
молекулы водорода и кислорода были одноатомными, то имело бы место
следующее уравнение:
2Н+O – Н2О,
Но здесь образуется лишь одна молекула воды, в то время как на самом
деле их должно быть две. Если молекулы водорода и кислорода содержат по два
атома, то мы сразу приходим к правильному уравнению:
2Н2+O(2Н2О.
Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы
водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учёными была
определена структура всех остальных известных молекул. Оказалось, что число
атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных
случаях даже сотен и тысяч (у некоторых витаминов и белков).
Несмотря на всю важность полученных Авогадро результатов, у многих
учёных XIX в. осталось чувство неудовлетворённости. Большинство из них
продолжали сомневаться: а существуют ли на самом деле атомы? Ведь их по-
прежнему никто не видел. Французский химик Жан Батист Дюма (1800-1884)
писал: «Если бы это зависело от меня, я бы искоренил в науке слово атом,
потому что я убеждён, что оно выходит за пределы проверяемого опытом, а
химия никогда не должна выходить за границы проверяемого экспериментом».
Между тем в 1827 г. английский ботаник Роберт Браун (1773-1858) сделал
открытие, которому было суждено сыграть очень важную роль в победе атомно-
молекулярного учения. Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде,
он обнаружил странное явление: частицы взвеси непрерывно двигались,
описывая самые причудливые траектории. Впоследствии беспорядочное движение
взвешенных в жидкости мелких частичек другого вещества стали называть
брауновским движением.
Понимание истинной причины этого движения пришло не сразу.
Потребовалось почти полвека, прежде чем бельгийский учёный Иньяс Карбонелль
предположил, что брауновское движение частицы вызвано ударами молекул
окружающей жидкости.
В ходе изучения брауновского движения было установлено, что это
движение универсально (поскольку наблюдалось решительно у всех веществ,
взвешенных в распылённом состоянии в жидкости), непрерывно (в закрытой со
всех сторон колбе его можно наблюдать неделями, месяцами, годами) и
хаотично (беспорядочно). Причём движения даже тех брауновских частиц,
которые располагались довольно близко друг к другу, были совершенно
независимыми, так что не могло быть и речи о том, что их причиной служат
какие-либо потоки в самой жидкости. Всё это свидетельствовало о том, что
молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного
движения.
Первая количественная теория брауновского движения появилась лишь в
1905 г. Её автором был Альберт Эйнштейн. Составив уравнение, описывающее
брауновское движение, и решив его, учёный получил следующее соотношение: <х
2> = b(T/NA)t, (2) где <х> - среднее значение квадрата смещения
брауновской частицы вдоль оси Х за время t, Т - абсолютная температура
жидкости, b - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров
брауновских частиц и вязкости жидкости, а NA - универсальная физическая
константа, называемая постоянной Авогадро. Она показывает, во сколько раз
атомная единица массы (а. е. м.) меньше одного грамма (г). Узнав, чему она
равна, можно сразу же пересчитать все относительные массы атомов и молекул
в граммах и килограммах.
Для определения постоянной Авогадро методом Эйнштейна достаточно
измерить значения , b, T, и t, и подставить их в формулу (2). «Не
перестаёшь удивляться этому результату, - писал известный американский
физик-теоретик Абрахам Пайс (родился в 1918 г.), - полученному как бы из
ничего: приготовьте взвесь сферических частиц, размер которых довольно
велик по сравнению с диаметром простых молекул, возьмите секундомер да
микроскоп и, пожалуйста, определяйте постоянную Авогадро!»
Теория Эйнштейна нашла полное подтверждение в экспериментальных
исследованиях французского физика Жана Батиста Перрена (1870 - 1942). Он
начал проводить их в 1908 г. и продолжал затем в течение нескольких лет.
Через равные промежутки времени ((t = 30 с) Перрен отмечал последовательные
положения брауновской частицы, видимые в поле зрения микроскопа, и соединял
затем эти положения прямолинейными отрезками,
Измерения, проведённые Перреном, показали, что постоянная Авогадро
выражается числом 6(10 23. Измерения этой постоянной другими методами
привели к такому же результату. (Современное значение - . 6,022045(31)(10
23)
Определение постоянной Авогадро позволило рассчитать массу m0 отдельных
атомов и молекул, а путём деления массы всего тела m на m0 - и число частиц
в этом теле.
Ссылаясь на эксперименты по брауновскому движению, и Вильгельм Фридрих
Оствальд был вынужден признать, что они «позволяют даже осторожному учёному
говорить об экспериментальном подтверждении атомного строения вещества».
Перрен за свои работы по брауновскому движению получил Нобелевскую премию.
Подводя итоги в 1912 г., он заявил: «Атомная теория восторжествовала.
Некогда многочисленные, её противники повержены и один за другим отрекаются
от своих взглядов, в течение столь долгого времени считавшихся
обоснованными и полезными».
Для определения размеров молекул был проведён ряд опытов. В одном из
них, осуществлённом в начале XX в. английским физиком Джоном Уильямом
Стреттом, лордом Рэлеем (1842-1919),на поверхность воды поместили каплю
масла. Масло стало растекаться, образуя плёнку. По мере растекания масла
плёнка становилась всё тоньше и тоньше. Через некоторое время растекание
прекратилось. Рэлей предположил, что это произошло, когда все молекулы
масла образовали мономолекулярный слой, т. е. плёнку толщиной в одну
молекулу. Разделив объём капли на площадь образовавшегося пятна, физик
нашёл диаметр одной молекулы масла. Он оказался равным примерно 1,6(10-9 м.
Атомы и молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом, так как
разрешающая способность глаза не лучше 0,1 мм, что существенно больше
размеров этих частиц. Оптические микроскопы позволяют достигнуть увеличения
до 1500 крат, в результате чего становится возможным различать структуры с
расстоянием между элементами до 2(10-7 м. Но даже такое расстояние намного
больше атомных размеров.
Однако в середине XX в, удалось создать так называемые электронные
микроскопы, в которых вместо световых лучей используются ускоренные пучки
электронов. Они позволяют наблюдать и фотографировать изображения объектов
при увеличении до 106 раз
Разрешающая способность таких микроскопов достигает десятых долей
нанометра (от греч. «нанос» - «карлик» и «метрео» - «измеряю»; 1 нм = 10-9
м), благодаря чему стало возможно фотографировать
| |  скачать работу |
Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи) |
