Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Основная общеобразовательная школа №10»

Определение диаметра молекул

Лабораторная работа

Исполнитель: Масаев Евгений

7 класс «А»

Руководитель: Резник А. В.

Гурьевский район

Введение

В этом учебном году я начал изучать физику. Я узнал, что тела, которые нас окружают, состоят из мельчайших частиц – молекул. Меня заинтересовало, каковы размеры молекул. Из-за очень малых размеров молекулы нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью обыкновенного микроскопа. Я прочитал, что молекулы можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Ученые доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Мне захотелось на практике измерить диаметр молекулы. Но к сожалению, в школьной программе не предусматривает изучение проблем такого рода, а рассмотреть её одному оказалось нелёгкой задачей и пришлось изучать литературу о методах определения диаметра молекул.

Глава I . Молекулы

1.1 Из теории вопроса

Молекула в современном понимании – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула способна к самостоятельному существованию. Она может состоять как из одинаковых атомов, например кислород О 2 , озон О 3 , азот N 2 , фосфор P 4 , сера S 6 и т. 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 называемых высокомолекулярных соединениях и полимерах каждая молекула может состоять из сотен тысяч атомов.

Экспериментальное доказательство существования молекул первым наиболее убедительно дал французский физик Ж. Перрен в 1906 г. при изучении броуновского движения. Оно, как показал Перрен, является результатом теплового движения молекул – и ничем иным.

Сущность молекулы 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 в атомах. Атомы объединяются в молекулы в большинстве случаев химическими связями. Обычно такая связь создается одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома.

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности и определённым образом распределены в пространстве. Связи между атомами имеют различную прочность; она оценивается величиной энергии, которую необходимо затратить для разрыва межатомных связей.

Молекулы характеризуются определёнными размером и формой. Различными способами было определено, что в 1 см 3 любого газа при нормальных условиях содержится около 2,7x10 19 молекул.

Чтобы понять, насколько велико это число, можно представить, что молекула – это «кирпич». Тогда если взять количество кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, и плотно уложить ими поверхность суши всего земного шара, то они покрыли бы поверхность слоем высотой 120 м, что почти в 4 раза превосходит высоту 10-этажного дома. Огромное число молекул в единице объёма указывает на очень малые размеры самих молекул. Например, масса молекулы воды m=29,9 x 10 -27 кг. Соответственно малы и размеры молекул. Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяет сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным, так как на молекулярных расстояниях представления классической физики не всегда оправданы. Средний размер молекул порядка 10-10 м.

Молекула как система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращениях молекулы одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул.

Обычно молекулой называют электрически нейтральную частицу. В веществе положительные ионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными.

По числу 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 состав молекулы, рассматривается как молекулярная масса. По величине молекулярной массы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные.

1.2 Методы измерения диаметра молекул

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 7» 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.

Строение молекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография, нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получать непосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод, исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяет рассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительно простых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограничены анализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированной фазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений дают возможность получить количественные данные о пространственном распределении электронной плотности в молекулах.

Спектроскопические методы основаны на индивидуальности спектров химических соединений, которая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный спектральный анализ веществ.

Спектры поглощения или испускания в микроволновой области спектра позволяют изучать переходы между вращательными состояниями, определять моменты инерции молекул, а на их основе - длины связей, валентные углы и другие геометрические параметры молекул. Инфракрасная спектроскопия исследует, как правило, переходы между колебательно-вращательными состояниями и широко используется для спектрально-аналитических целей, поскольку многие частоты колебаний определенных структурных фрагментов молекул являются характеристическими и слабо меняются при переходе от одной молекулы к другой. В то же время инфракрасная спектроскопия позволяет судить и о равновесной геометрической конфигурации. Спектры молекул в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах частот связаны главным образом с переходами между электронными состояниями. Результатом их исследований являются данные об особенностях потенциальных поверхностей для различных состояний и значения молекулярных постоянных, определяющих эти потенциальные поверхности, также времена жизни молекул в возбужденных состояниях и вероятности переходов из одного состояния в другое.

О деталях электронного строения молекул уникальную информацию дают фото- и рентгеноэлектронные спектры, а также оже-спектры, позволяющие оценить тип симметрии молекулярных орбиталей и особенности распределения электронной плотности. Широкие возможности для изучения отдельных состояний молекул открыла лазерная спектроскопия (в различных диапазонах частот), отличающаяся исключительно высокой селективностью возбуждения. Импульсная лазерная спектроскопия позволяет анализировать строение короткоживущих молекул и их превращения в электромагнитное поле.

Разнообразную информацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешних электрических и магнитных полях.

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,

, где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства .

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение

есть плотность вещества, так что

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

Понятно, что мы не сможем непосредственно измери ть такую малую частичку вещества. Мы проведем опыт, из которого путем простых расчетов можно определить размер молекул. Вы, конечно, видели на поверхности воды тонкие цветные пленки, образуемые нефтепродуктами (смазочные масла, дизельное топливо и т. п.). Цвет тонких пленок возникает из-за наложения световых лучей, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки - такое явление называется интерференцией света. ПотоЙ же причине переливаются всеми цветами радуги мыльные пузыри.
Явление интерференции вы будете изучать на уроках физики. А сейчас нас интересует толщина пленки - !зы никогда не задумывались, насколько она ййїкіія? Определить толщину пленки очень просто: надо ее объем разделить на площадь поверхности. Еще древние мореплаватели заметили, что если на поверхность воды вылить растительное масло, то оно растечется очень большим пятном (тогда же появилось довольно странное мнение о том, что таким способом можно «утихомирить» море во время бури). Вероятно, впервые измерил площадь масляного пятна на воде выдающийся американский ученый и дипломат Бенджамин Франклин (1706- 1790), изображение которого красуется на стодолларовой купюре. Его самое знаменитое изобретение - громоотвод (вернее, молниеотвод). В 1774 году Франклин поехал в Европу, чтобы уладить очередной конфликт между Англией и США. В свободное от переговоров время он экспериментировал с масляными пленками на поверхности воды. К его удивлению, одна ложка растительного масла растеклась по всей поверхности небольшого пруда. Если же налить па воду не растительное, а невязкое машинное масло, пятно от него будет не таким большим: одна капля дает круг диаметром около 20 см. Площадь такой пленки равна примерно 300 см3, объем одной капли - около 0,03 см3. Следовательно, толщина пленки равна 0,03 см1 / 300 см3 = 0,0001 см = 0,001 мм - 1 мкм. Тысячная доля миллиметра - это очень малая величина, не во всякий микроскоп разглядишь час тичку такого размера.
Но есть ли у нас гарантия, что молекулы машинного масла растеклись по воде в один слой? Ведь только в этом случае толщина пленки будет соответствовать размеру молекул. Такой гарантии у нас нет, и вот почему. Молекулы, входящие в состав машинного масла, называют гидрофобными (в переводе с греческого «гидрофобные» - «боящиеся воды»). Они довольно хорошо «сцепляются» между собой, очень неохотно - с молекулами воды. Если вещество, подобное машинному маслу, налить на поверхность воды, оно образует на ней довольно толстую (по молекулярным меркам) пленку, состоящую из сотен и даже тысяч молекулярных слоев. Помимо того, что подобные расчеты любопытны и сами по себе, они имеют большое практическое значение. Например, по сей день не удается избежать аварий огромных танкеров, перевозящих нефть за тысячи километров от места ее добычи. В результате такой аварии в море может вылиться огромное количество нефти, что губительно скажется на живых организмах. Нефть более вязкая по сравнению с машинным маслом, поэтому ее пленка на водной поверхности может оказаться несколько толще. Так, в одной из аварий вылилось 120 000 тонн нефти, которая покрыла площадь 500 км3. Как показывает несложный расчет, средняя толщина такой пленки равна 200 мкм. Толщина пленки зависит как от сорта нефти, так и от температуры воды: в холодных морях, где нефть делается более густой, пленка толще, в теплых морях, где нефть становится менее вязкой, - тоньше. Но в любом случае авария большого танкера, когда в море попадают десятки тысяч тонн нефти, - это катастрофа. Ведь если вся пролитая нефть растечется тонким слоем, то образуется пятно огромной площади, и ликвидировать такую пленку чрезвычайно трудно.
А можно ли заставить вещество растекаться по воде так, чтобы образовался всего один слой молекул (такая пленка называется мономолекулярной)? Оказывается, это возможно, только вместо машинного масла или нефти надо взять другое вещество. Молекулы такого вещества должны на одном конце иметь гак называемую гидрофильную (т. е. «водолюбивую») группу атомов, а на другом конце - гидрофобную. Что будет, если вещество, состоящее из таких молекул, поместить на поверхность воды? Гидрофильная часть молекул, стремясь раствориться в воде, будет тянуть молекулу в воду, тогда как гидрофобная часть, которая воды «боится», будет упорно избегать контакта с водой. В результате такого взаимного «непонимания» молекулы (если их слегка «поджать» сбоку с помощью планочки) выстроятся па поверхности воды так, как показано нарис. 3.1: их гидрофильные концы утоплены в воду, а гидрофобные торчат наружу.
\6666666666Ы/
Рис. 3.1. Так ориентируются на границе вода-воздух молекулы поверхностно-активных веществ, образуя «частокол Ленгмюра» - по имени американского химика и физика Ирвинга Ленгмюра (1881-1957), который в 1916 году создал теорию строения таких слоев на поверхности жидкостей
Вещества, которые ведут себя таким образом, называют поверхностно-активными. К ним относятся, например, мыло и другие моющие средства; олеиновая кислота, входящая в состав подсолнечного масла; паль-митиновый спирт, который входит в состав пальмового масла и китового жира. Растекание таких веществ по поверхности воды дает значительно более тонкие пленки, чем машинное масло. Это явление было известно давно, подобные опыты проводили еще в XVIII веке. Нотолько в конце XIX - начале XX столетия в результате экспериментов, проведенных английским физиком Джоном Уильямом Рэлеем (1842-1919), немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рент- геном (1845-1923) и рядом других ученых, было показано, что толщина пленки может достигать таких малых размеров, которые сопоставимы с размерами отдельных молекул.
В одном из таких опытов английский химик НеЙл Кенсингтон Адам Размеры порядка I нм имеют большинство молекул и ионов знакомых нам веществ. Так, диаметр молекул водорода равен примерно 0,2 нм, иода - 0,5 нм, этилового спирта - 0,4 нм; радиус ионов алюминия - 0,06 нм, натрия - 0,10 нм, к&чия - 0,13 нм, хлора - 0,18 нм, иода - 0,22 нм. Но есть среди молекул и гиганты, размеры которых, по молекулярным меркам, поистине астрономические. Так, в ядрах клеток высших животных и растений находятся молекулы наследственности - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Их длина может превышать 2 000 000 нм, т. е. 2 мм!
В заключение этого раздела - небольшой рассказ о том, какой остро- умный (хотя и не самый точный) метод использовал в 1908 году французский ученый Жан Перрен, чтобы «взвесить» молекулы. Как известно, плотность воздуха уменьшается с высотой. Еще в начале XIX века французский ученый Пьер Лаплас вывел формулу, позволяющую рассчитать давление на разных высотах. В соответствии с этой формулой атмосферное давление падает вдвое при подъеме на каждые 6 км. Это значение зависит, конечно, от силы земного притяжения, а также от массы молекул воздуха. Если бы воздух состоял не из азота и кислорода, а из очень легких молекул водорода (они в 16 раз легче молекул кислорода), то падение атмосферного давления вдвое наблюдалосьбы на высоте не 6 км, а примерно в 16 раз больше, т. е. около 100 км. И наоборот, если бы молекулы были очень тяжелые, атмосфера была бы «прижата» к поверхности Земли и давление быстро падало бы с высотой.
Рассуждая таким образом. Перрен решил вместо молекул использовать крошечные шарики краски гуммигута, взвешенные в воде. Он постарался приготовить взвесь (эмульсию) с одинаковыми по размеру шариками - около 1 мкм в диаметре. Затем он поместил капельку эмульсии под микроскоп и, перемещая винт микроскопа по вертикали, считал число шариков гуммигута на разных высотах. Оказалось, что формула Лапласа вполне применима и к эмульсиям: при подъеме на каждые 6 мкм число шариков в поле зрения уменьшалось в два раза. Поскольку 6 км ровно в миллиард раз больше 6 мкм, Перрен сделал вывод, что во столько же раз молекулы кислорода и азота легче шариков гуммигута (а их массу уже можно определить экспериментально).

Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: мы не наблюдаем этих отдельных частиц, тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. М. В. Ломоносов в одной из своих работ писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Итак, причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.

В лучший оптический микроскоп, который дает возможность различать предметы, размеры которых не меньше , рассмотреть отдельные молекулы, даже самые крупные, нельзя. Однако целый ряд косвенных методов позволил не только надежно доказать существование молекул и атомов, но даже установить их размеры. Так, размер атома водорода можно считать равным ; длина молекулы водорода, т. е. расстояние между центрами двух атомов, ее составляющих, равна . Существуют более крупные молекулы, например молекулы белка (альбумин) имеют размеры . В последние годы благодаря устройству специального прибора, позволяющего исследовать объекты чрезвычайно малых размеров, - электронного микроскопа - оказалось возможным сфотографировать не только крупные молекулы, но и атомы.

О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно судить и без измерений, исходя из возможности получать очень малые количества разных веществ. Разведя чернил (например, зеленых) в литре чистой воды, а затем разведя этого раствора еще раз в литре воды, мы получим разведение в раз. И все же мы увидим, что последний раствор имеет заметную зеленую окраску и вместе с тем вполне однороден. Следовательно, в самом малом объеме, который еще может различить глаз, даже при таком разведении находится очень много молекул красящего вещества, Это показывает, как малы эти молекулы.

Золото можно расплющивать в листки толщины , а обрабатывая такие листки водным раствором цианистого калия, можно получать листки золота толщины . Следовательно, размер молекулы золота значительно меньше одной сотой доли микрометра.

На рисунках мы будем изображать молекулы в виде шариков. Однако молекулы (а также, как увидим дальше, и атомы) имеют строение, различное у разных веществ, часто довольно сложное. Известны, например, форма и строение не только таких простых «молекул, как и (рис. 370), но и несравненно более сложных, содержащих многие тысячи атомов.

Рис.. 370. Схемы строения молекул воды (а) и углекислого газа (б)

Хотелось бы рассказать о важных вещах, которые редко разъясняются на сайтах компаний, реализующих очистительные системы, а ведь гораздо приятнее понимать, о чем идет речь, выбирая фильтр для своей семьи или на работу. В этом обзоре представлены некоторые важные аспекты, которые нужно учитывать при выборе фильтра.

Что такое микрон и нанометр?

Если Вы искали фильтр для воды, то скорее всего сталкивались с названием "микрон". Когда речь идет о механических картриджах, часто можно увидеть такие фразы, как "блок фильтрует грубые частички загрязнений размерами до 10 микрон и более". Но сколько же это - 10 микрон? Хотелось бы знать, какие загрязнения и примести картридж, рассчитанный на 10 микрон, пропустит. Касательно мембран (будь то проточный фильтр или обратный осмос) используется другой термин - нанометр, тоже сложный для представления размер. Один микрон - это 0,001 миллиметра, то есть если условно разделить один миллиметр на 1000 делений, то как раз получим 1 микрон. Нанометр - это 0,001 микрона, то есть по сути одна миллионная миллиметра. Названия «микрон» и «нанометр» придуманы для упрощения представления столь малых чисел.

Микроны чаще всего используются для представления глубины фильтрации, производимой полипропиленовыми или угольными картриджами, нанометры - для представления уровня фильтрации, производимой ультрафильтрационными или обратноосмотическими мембранами.

Чем отличаются фильтры для воды ?

Существует 3 основных типа фильтров: проточные, проточные с ультрафильтрационной мембраной (мембранные) и фильтры обратного осмоса. В чем главное различие этих систем? Проточный фильтр можно считать базовой очисткой, так как он редко очищает воду до состояния питьевой - то есть в отличие от двух других типов фильтров, после проточного воду нужно кипятить перед употреблением (исключением являются системы, содержащие материал Арагон, Аквален и Ecomix). Мембранные фильтры - фильтры с ультрафильтрационной мембраной очищают воду от всех типов загрязнений, однако оставляют нетронутым солевой баланс воды - то есть в воде остается естественный кальций, магний и другие минералы. Обратноосмотическая система очищает воду полностью, включая минералы, бактерии, соли - на выходе фильтра вода содержит, как ни странно, исключительно молекулы воды.

Хлор - самый хитрый из загрязнителей воды

Обычно, чтобы очистить воду от загрязнителя мембранной системой, поры мембраны должны быть меньше, чем размеры элемента. Однако это не работает с хлором, так как размеры его молекулы равны размерам молекулы воды и если сделать поры мембраны меньше, чем размеры хлора - то и вода тоже пройти не сможет. Вот такой парадокс. Поэтому все обратноосмотические системы в составе предфильтров и в качестве постфильтра имеют угольные картриджи, которые тщательно очищают хлор из воды. Причем заметьте, так как главная "головная боль" украинской воды - это именно хлор, если Вы хотите купить обратный осмос, стоит подбирать систему с двумя угольными картриджами в предфильтре - это говорит о качестве очистки.

Надеемся представленная информацию стала полезной для Вас. Больше информации можно найти на сайте