Volume d'une molécule. Dispositions de base des TIC

La taille d'une molécule est une valeur relative. C'est ainsi qu'il est évalué. Entre les molécules, outre les forces attractives, des forces répulsives agissent également, de sorte que les molécules ne peuvent s'approcher les unes des autres qu'à une certaine distance. d(Fig. 1).

La distance d'approche maximale entre les centres de deux molécules est appelée diamètre efficace molécules d(les molécules sont supposées avoir une forme sphérique).

Actuellement, il existe de nombreuses méthodes pour déterminer la taille des molécules. Le plus simple, bien que pas le plus précis, est le suivant. Dans les solides et les liquides, les molécules sont situées très proches les unes des autres, presque les unes à côté des autres. On peut donc supposer que le volume V occupé par un corps d'une certaine masse m, approximativement égal à la somme des volumes de toutes ses molécules.

Alors le volume d'une molécule sera \(V_(0) =\frac(V)(N),\) où V- volume du corps, \(N=\frac(m)(M) \cdot N_(A)\) - nombre de molécules dans le corps. Ainsi,

\(V_(0) =\frac(V\cdot M)(m\cdot N_(A)).\)

Puisque \(\frac(m)(V) =\rho,\) où ρ est la densité de la substance, alors

\(V_(0) =\frac(M)(\rho \cdot N_(A)).\) (6.5)

En supposant qu'une molécule est une petite boule dont le diamètre est d = 2r, Où r- rayon, nous avons

\(V_(0) = \frac(4)(3) \pi \cdot r^(3) = \frac(\pi \cdot d^(3))(6).\)

Remplacer la valeur ici V 0 (6,5), on obtient

\(\frac(\pi \cdot d^(3))(6) = \frac(M)(\rho \cdot N_(A)).\)

\(d = \sqrt[(3)](\frac(6M)(\pi \cdot \rho \cdot N_(A))).\)

Oui, pour l'eau

\(d = \sqrt[(3)](\frac(6\cdot 18\cdot 10^(-3))(3.14 \cdot 10^(3) \cdot 6.02 \cdot 10^(23 ))) = 3,8 \cdot 10^(-10)\) m.

Les tailles des molécules de différentes substances ne sont pas les mêmes, mais elles sont toutes de l'ordre de 10 à 10 m, c'est-à-dire très petit.

Littérature

Aksenovich L. A. Physique à lycée: Théorie. Tâches. Tests : Manuel. allocation pour les établissements dispensant un enseignement général. environnement, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino ; Éd. KS Farino. - Mn. : Adukatsiya i viakhavanne, 2004. - P. 125-126.

Quand deux atomes ou plus se réunissent liaisons chimiques les unes avec les autres, des molécules apparaissent. Peu importe que ces atomes soient identiques ou complètement différents les uns des autres, tant par leur forme que par leur taille. Voyons quelle est la taille des molécules et de quoi elle dépend.

Que sont les molécules ?

Depuis des milliers d’années, les scientifiques réfléchissent au mystère de la vie et à ce qui se passe exactement lorsqu’elle commence. Selon les cultures les plus anciennes, la vie et tout ce qui existe dans ce monde est constitué des éléments fondamentaux de la nature : la terre, l’air, le vent, l’eau et le feu. Cependant, au fil du temps, de nombreux philosophes ont commencé à avancer l’idée que toutes choses sont constituées de choses minuscules et indivisibles qui ne peuvent être ni créées ni détruites.

Cependant, ce n’est qu’après l’avènement de la théorie atomique et de la chimie moderne que les scientifiques ont commencé à postuler que les particules, prises ensemble, donnaient naissance aux éléments de base de toute chose. C'est ainsi qu'est apparu le terme qui, dans le contexte de la théorie moderne des particules, désigne les plus petites unités de masse.

Selon sa définition classique, une molécule est la plus petite particule d'une substance qui contribue à maintenir ses propriétés chimiques et physiques. Il se compose de deux ou plusieurs atomes, ou groupes d’atomes identiques ou différents, maintenus ensemble par des forces chimiques.

Quelle est la taille des molécules ? En 5e année, l'histoire naturelle (matière scolaire) ne donne que idée générale sur les tailles et les formes ; cette question est étudiée plus en détail dans les cours de chimie au lycée.

Exemples de molécules

Les molécules peuvent être simples ou complexes. Voici quelques exemples:

H 2 O (eau);
N 2 (azote);
O 3 (ozone);
CaO (oxyde de calcium);
C 6 H 12 O 6 (glucose).

Les molécules constituées de deux éléments ou plus sont appelées composés. Ainsi, l'eau, l'oxyde de calcium et le glucose sont des composés. Tous les composés ne sont pas des molécules, mais toutes les molécules sont des composés. Quelle peut être leur taille ? Quelle est la taille de la molécule ? C’est un fait connu que presque tout ce qui nous entoure est constitué d’atomes (sauf la lumière et le son). Leur poids total sera la masse de la molécule.

Masse moléculaire

Lorsqu’ils parlent de la taille des molécules, la plupart des scientifiques partent du poids moléculaire. C'est le poids total de tous les atomes qu'il contient :

L'eau, composée de deux atomes d'hydrogène (ayant chacun une unité de masse atomique) et d'un atome d'oxygène (16 unités de masse atomique), a un poids moléculaire de 18 (plus précisément de 18,01528).
Le glucose a un poids moléculaire de 180.
L'ADN, qui est très long, peut avoir un poids moléculaire d'environ 1 010 (le poids approximatif d'un chromosome humain).

Mesure en nanomètres

En plus de la masse, nous pouvons également mesurer la taille des molécules en nanomètres. Une unité d’eau mesure environ 0,27 Nm de diamètre. L'ADN atteint 2 nm de diamètre et peut s'étendre jusqu'à plusieurs mètres de longueur. Il est difficile d’imaginer comment de telles dimensions peuvent tenir dans une seule cellule. Le rapport longueur/épaisseur de l’ADN est étonnant. C'est 1/100 000 000, ce qui équivaut à un cheveu humain de la longueur d'un terrain de football.

Formes et tailles

Quelle est la taille des molécules ? Ils sont différentes formes et tailles. L'eau et le dioxyde de carbone sont parmi les plus petits, les protéines sont parmi les plus importantes. Les molécules sont des éléments constitués d’atomes liés les uns aux autres. Compréhension apparence les molécules font traditionnellement partie de la chimie. Outre leur comportement chimique incompréhensiblement étrange, l’une des caractéristiques importantes des molécules est leur taille.

Où peut-il être spécial ? connaissances utiles quelle est la taille des molécules ? La réponse à cette question et à bien d’autres est utile dans le domaine de la nanotechnologie, car le concept de nanorobots et de matériaux intelligents traite nécessairement des effets de la taille et de la forme des molécules.

Quelle est la taille des molécules ?

En 5e, l'histoire naturelle sur ce sujet ne donne que informations générales que toutes les molécules sont composées d’atomes en mouvement aléatoire constant. Au lycée, on peut déjà voir dans les manuels de chimie des formules développées qui ressemblent à la forme réelle des molécules. Cependant, il est impossible de mesurer leur longueur à l'aide d'une règle ordinaire, et pour ce faire, il faut savoir que les molécules sont des objets tridimensionnels. Leur image sur papier est une projection sur un plan bidimensionnel. La longueur d'une molécule est modifiée par les relations entre les longueurs de ses angles. Il y en a trois principaux :

L'angle d'un tétraèdre est de 109° lorsque toutes les liaisons de cet atome à tous les autres atomes sont simples (un seul tiret).
L'angle d'un hexagone est de 120° lorsqu'un atome a une double liaison avec un autre atome.
L'angle de la ligne est de 180° lorsqu'un atome a soit deux doubles liaisons, soit une triple liaison avec un autre atome.

Les angles réels diffèrent souvent de ces angles car un certain nombre d'effets différents doivent être pris en compte, notamment les interactions électrostatiques.

Comment imaginer la taille des molécules : exemples

Quelle est la taille des molécules ? En 5e année, les réponses à cette question, comme nous l'avons déjà dit, sont caractère général. Les élèves savent que la taille de ces composés est très petite. Par exemple, si vous transformez une molécule de sable contenue dans un seul grain de sable en un grain de sable entier, alors sous la masse résultante, vous pourriez cacher une maison de cinq étages. Quelle est la taille des molécules ? La réponse courte, qui est également plus scientifique, est la suivante.

La masse moléculaire est assimilée au rapport de la masse de la substance entière au nombre de molécules dans la substance ou au rapport de la masse molaire à la constante d'Avogadro. L'unité de mesure est le kilogramme. En moyenne, le poids moléculaire est de 10 -23 -10 -26 kg. Prenons l'eau par exemple. Son poids moléculaire sera de 3 x 10 -26 kg.

Comment la taille moléculaire affecte-t-elle les forces d’attraction ?

La force électromagnétique est responsable de l’attraction entre les molécules, qui se manifeste par l’attraction de charges opposées et la répulsion de charges similaires. La force électrostatique qui existe entre des charges opposées domine les interactions entre atomes et entre molécules. La force gravitationnelle est si faible dans ce cas qu’elle peut être négligée.

Dans ce cas, la taille de la molécule affecte la force d'attraction à travers le nuage électronique de distorsions aléatoires qui surviennent lors de la distribution des électrons de la molécule. Dans le cas de particules apolaires, qui ne présentent que de faibles interactions de Van der Waals ou forces de dispersion, la taille des molécules a un effet direct sur la taille du nuage électronique entourant ladite molécule. Plus il est grand, plus le champ chargé qui l’entoure est grand.

Un nuage électronique plus grand signifie que davantage d’interactions électroniques peuvent se produire entre molécules voisines. En conséquence, une partie de la molécule développe une charge partielle positive temporaire, tandis que l’autre développe une charge partielle négative. Lorsque cela se produit, une molécule peut polariser le nuage électronique de sa voisine. L’attraction se produit parce que le côté positif partiel d’une molécule est attiré vers le côté positif partiel. côté négatif un autre.

Conclusion

Alors, quelle est la taille des molécules ? En histoire naturelle, comme nous l'avons découvert, on ne peut trouver qu'une idée figurative de la masse et de la taille de ces plus petites particules. Mais nous savons qu’il existe des composés simples et complexes. Et la deuxième catégorie comprend un concept tel que macromolécule. Il s’agit d’une très grande unité, telle qu’une protéine, généralement créée par polymérisation de sous-unités plus petites (monomères). Ils sont généralement constitués de milliers d’atomes ou plus.

Kikoin A.K. Un moyen simple de déterminer la taille des molécules // Quantum. - 1983. - N° 9. - P.29-30.

Par accord particulier avec la rédaction et la rédaction de la revue "Kvant"

En physique moléculaire, les principaux « acteurs » sont les molécules, ces particules incroyablement petites qui composent chaque substance du monde. Il est clair que pour étudier de nombreux phénomènes, il est important de savoir de quelles molécules il s’agit. En particulier, quelles sont leurs tailles.

Lorsque les gens parlent de molécules, elles sont généralement considérées comme de petites boules élastiques et dures. Connaître la taille des molécules signifie donc connaître leur rayon.

Malgré la petite taille des molécules, les physiciens ont pu développer de nombreuses façons de les déterminer. Physique 9 parle de deux d’entre eux. On profite de la propriété de certains (très peu) liquides de se répandre sous forme d'un film d'une molécule d'épaisseur. Dans un autre, la taille des particules est déterminée à l'aide d'un appareil complexe : un projecteur d'ions.

Il existe cependant une méthode très simple, bien que non la plus précise, pour calculer les rayons des molécules (ou atomes) : elle repose sur le fait que les molécules d'une substance, lorsqu'elle est à l'état solide ou liquide, peuvent être considérés comme étroitement adjacents les uns aux autres. Dans ce cas, pour une estimation approximative, on peut supposer que le volume V un peu de masse m d'une substance est simplement égale à la somme des volumes des molécules qu'elle contient. Ensuite, nous obtenons le volume d'une molécule en divisant le volume V par nombre de molécules N.

Nombre de molécules dans un corps pesant m est égal, comme on le sait, à \(~N_a \frac(m)(M)\), où M- masse molaire de la substance N A est le numéro d'Avogadro. D'où le volume V 0 d'une molécule est déterminé à partir de l'égalité

\(~V_0 = \frac(V)(N) = \frac(V M)(m N_A)\) .

Cette expression inclut le rapport entre le volume d'une substance et sa masse. La relation inverse \(~\frac(m)(V) = \rho\) est la densité de la substance, donc

\(~V_0 = \frac(M)(\rho N_A)\) .

La densité de presque toutes les substances peut être trouvée dans des tableaux accessibles à tous. La masse molaire est facile à déterminer si vous la connaissez formule chimique substances.

\(~\frac(4)(3) \pi r^3 = \frac(M)(\rho N_A)\) .

d'où on obtient l'expression du rayon de la molécule :

\(~r = \sqrt (\frac(3M)(4 \pi \rho N_A)) = \sqrt (\frac(3)(4 \pi N_A)) \sqrt (\frac(M)(\rho) )\) .

La première de ces deux racines est une valeur constante égale à ≈ 7,4 10 -9 mol 1/3, donc la formule pour r fait semblant

\(~r \approx 7.4 \cdot 10^(-9) \sqrt (\frac(M)(\rho)) (m)\) .

Par exemple, le rayon d'une molécule d'eau calculé à l'aide de cette formule est égal à r B ≈ 1,9 · 10 -10 m.

La méthode décrite pour déterminer les rayons des molécules ne peut pas être précise simplement parce que les billes ne peuvent pas être placées de manière à ce qu'il n'y ait aucun espace entre elles, même si elles sont en contact les unes avec les autres. De plus, avec un tel « emballage » de molécules-boules, les mouvements moléculaires seraient impossibles. Néanmoins, les calculs de tailles de molécules à l'aide de la formule donnée ci-dessus donnent des résultats qui coïncident presque avec les résultats d'autres méthodes, incomparablement plus précises.

Le diamètre d'une molécule d'eau est d'environ 0 0000000 Zcm.
Le diamètre d'une molécule d'eau, calculé à l'aide du nombre d'Avo-gadro, est égal à trois angströms. Une telle certitude est objectivement inhérente à la molécule de toute substance. Cela signifie que la structure agit comme un arrangement spatial de particules dans une molécule.
Le diamètre d'une molécule d'eau est de 0,29 nm (2,9 A), ce qui est comparable à la taille des pores et des défauts de la plupart des matériaux non métalliques. Cela détermine sa capacité de pénétration assez élevée, en particulier dans les matériaux silicatés poreux et les composites.
Le diamètre d'une molécule d'eau n'est que de 2,5,10 à 10 m et la vapeur d'eau passe à travers les plus petits pores. Les matériaux denses et non poreux ne laissent pas passer la vapeur d’eau et ne sont pas hygroscopiques. Il s'agit notamment de la vitrocéramique, du verre faiblement alcalin, de la céramique étanche au vide, des plastiques époxy et des polymères apolaires.
Fibre de verre avec liant époxy polyester après 9 heures d'ébullition dans l'eau distillée.| La structure de la fibre de verre chimiquement résistante à base de résine PN-16 après exposition pendant 1000 heures I dans de l'eau bouillante (7500 x. Si le diamètre d'une molécule d'eau est de 0,276 nm, alors le diamètre de l'atmosphère ionique, qui détermine la taille effective de ions dans une solution de NaCl à 0,6%, est d'environ 1 nm. Une augmentation de la concentration de la solution électrolytique entraîne une augmentation de l'épaisseur de l'atmosphère ionique.
Leur diamètre aux endroits d'expansion dépasse le diamètre des molécules d'eau. La fonte des glaces s'accompagne de la rupture des liaisons entre certaines molécules et de leur rupture dans les canaux de la structure glacée. Une augmentation de la température s'accompagne d'une nouvelle destruction de la structure.
À la surface de cette dernière, se forme une fine pellicule deux à trois fois supérieure au diamètre des molécules d’eau. Lorsque cela se produit, cela libère de la chaleur de mouillage.
Lorsque l'épaisseur de la couche d'humidité adsorbée est égale à 10 à 30 fois le diamètre des molécules d'eau, selon B.V. Deryagin, une couche de solvatation se forme pratiquement sans génération de chaleur. Cette couche, comme le souligne F.E. Kolyasev, présente également des anomalies caractéristiques physico-chimiques par rapport au liquide en volume.
Cela s'explique par le fait que les matériaux ont une structure poreuse et que la taille des pores dépasse le diamètre des molécules d'eau. De plus, des capillaires se forment le long des bornes des éléments à l’interface entre des matériaux ayant des coefficients de dilatation linéaire différents.
L'eau physiquement liée est retenue à la surface des particules minérales par des forces d'adhésion moléculaire et se présente sous la forme de films minces pouvant atteindre plusieurs centaines de fois le diamètre d'une molécule d'eau.
L'épaisseur du film d'eau à la surface varie de 0 5 à 3 0 à 10 6 cm. Si l'on tient compte du fait que le diamètre d'une molécule d'eau est égal à 3A, alors en moyenne une couche d'eau égale à 100 molécules se forment à la surface. Pour créer une couche hydrofuge à la surface de la céramique, il est nécessaire de maintenir la couche d'eau résultante à humidité relative 60 à 90 % en 4 heures.
De l'eau dans les rochers. Les eaux liées sont retenues à la surface des particules minérales de la roche par les forces de cohésion moléculaire, formant une couche dont l'épaisseur peut atteindre plusieurs centaines de diamètres d'une molécule d'eau. La partie externe, la plus grande, de cette couche est représentée par de l’eau faiblement liée (lyosorbée).

Comme le montre le tableau, le rapport R - r, m, e, la distance entre les deux sphères du complexe hydraté au diamètre de la molécule d'eau 2ra, est dans de nombreux cas égal à l'unité, ou R - r - 2ra; en d’autres termes, dans de tels complexes, les molécules d’eau entourent l’ion central et sont disposées autour d’une coquille d’une molécule d’épaisseur, en une seule couche.
L'épaisseur du film d'eau à la surface varie de 0,5 à 3,0 à 10 et à 6 cm. Si l'on tient compte du fait que le diamètre d'une molécule d'eau est égal à 3A, alors, en moyenne, une couche d'eau égale à 100 molécules se forme à la surface. Pour créer une couche hydrofuge sur la surface de la céramique, il est nécessaire de maintenir la couche d'eau résultante à une humidité relative de 60 à 90 % pendant 4 heures.
De plus, la fonction inverse de yg seule ne peut pas être utilisée pour extrapoler à yg oo en raison de l'influence du terme déterminé par le rayon ou le diamètre de la molécule d'eau. Un calcul plus complet de l'enthalpie d'hydratation comme celui proposé par Buckingham, qui prend en compte les termes associés aux interactions ion-dipôle, dipôle-dipôle et dipôle-quadrupolaire et l'influence des moments dipolaires induits, conduit à un exposant encore plus complexe de l'enthalpie réciproque. fonction du rayon ionique. Halliwell et Nyburg ont également effectué un calcul un peu plus élégant basé sur la prise en compte de la possibilité de nombres de coordination de 6 ou 4 dans la coque d'hydratation principale et des modèles de sphère dure et de sphère molle pour le contact ion-solvant.
L'absorption d'humidité de systèmes hétérogènes tels que les plastiques en fibre de verre peut être considérée comme les deux faces d'un même processus - la pénétration d'un milieu mobile avec un petit diamètre de molécules (le diamètre des molécules d'eau est de 2,7 A) dans la matière organique en raison de la existence de trous moléculaires, ainsi que de micropores à l'interface des fibres - résine et autres défauts structurels. Si les pores, fissures et capillaires microscopiques et submicroscopiques dépendent principalement de raisons technologiques et sont de nature aléatoire, alors les trous intermoléculaires sont toujours inhérents Matières organiques. Par conséquent, pour les polymères de grands diamètres moléculaires, la perméabilité à la vapeur d’eau est essentiellement inévitable. Pour les polymères à structure cristalline, les hydrocarbures saturés cristallins et les polymères rigides faiblement polaires, la quantité d'humidité absorbée sera négligeable.
Pour les ions polyatomiques (par exemple pour MnO), le rayon ionique est supposé égal au rayon cristallographique, et pour les ions monoatomiques, le diamètre de la molécule d'eau est ajouté au rayon cristallographique.
L'épaisseur du film d'eau liée à la capacité d'humidité moléculaire maximale est d'au moins 0,005 à 0,01 microns, ce qui correspond à environ 20 à 40 diamètres de molécules d'eau.
Helmholtz en 1853. Il croyait que la double couche électrique est constituée de deux couches de charges de signes opposés, situées l'une de l'autre à une distance de l'ordre du diamètre d'une molécule d'eau : une couche de charges sur le métal et une couche de les ions qui y sont attirés. Dans le même temps, on a supposé que les charges dans ces deux couches étaient uniformément réparties sur la surface, de sorte qu'une analogie complète pouvait être établie entre la double couche et un condensateur plat ordinaire.
Si l'on suppose que le diamètre de l'ion hydronium est égal au diamètre de la molécule d'eau, alors la distance entre deux ions neptunium sera égale à 10 3 A en utilisant les valeurs données dans les travaux de Cohen, Sullivan, Amis et Hindman pour le rayon des ions neptunium et le diamètre de la molécule d'eau.
Le premier modèle le plus simple de double couche électrique a été proposé par Helmholtz en 1853. Selon Helmholtz, la double couche à l'interface électrode métallique-solution est constituée de deux couches de charges situées à une distance de l'ordre du diamètre d'une molécule d'eau. . Une couche de charges se trouve sur le métal, l’autre est dans la solution et est constituée d’ions de charges opposées attirés par l’électrode. Précisons d'emblée que l'hypothèse d'une charge étalée n'est valable que pour le revêtement métallique. Pour le placage ionique, plus la solution est concentrée et plus la densité de charge sur le placage est élevée, mieux c'est.
Ainsi, la théorie de Born est bien sûr une bonne première approximation, sauf que les rayons effectifs des ions sont considérés comme des valeurs qui, comme l'indiquent Ealy et Evans, dépassent les rayons du cristal de la moitié du diamètre des molécules d'eau. ou atome d'oxygène. Une amélioration par rapport à la théorie électrostatique simple pourrait consister à considérer une structure d’eau semblable à du quartz au lieu d’un diélectrique homogène. Dans ce cas, il est nécessaire d'introduire des termes énergétiques supplémentaires qui prennent en compte l'interaction de l'ion avec les dipôles solvants et la répulsion intermoléculaire, qui augmente avec un changement d'orientation des dipôles solvants à proximité de l'ion.
Il a été montré dans [82, 83] que la principale contribution à l'énergie libre du système polypeptide-solvant est apportée par les interactions avec les molécules de solvant proches. En gros, si d est le diamètre d'une molécule d'eau, alors aux distances entre la paire d'atomes considérée rd / o (/ o est la somme de leurs rayons de van der Waals), les molécules d'eau sont déplacées et la contribution au libre l'énergie devient égale à zéro. En revanche, si l'on rapproche un atome d'un autre, alors il déplacera un certain nombre de molécules de solvant, proportionnel au volume de cet atome U, mais si la distance devient inférieure à d r0, alors la quantité de solvant déplacée n'augmentera pratiquement pas. Ce type de raisonnement a conduit Gibson et Sherag à rechercher des expressions analytiques pour l'énergie d'hydratation.
En partant de l'hypothèse que les particules de la phase solide sont recouvertes d'une couche monomoléculaire d'eau, la quantité d'eau liée à l'adsorption est déterminée. L'épaisseur de la couche monomoléculaire doit être égale au diamètre de la molécule d'eau (h 2 76 10 - 8 cm), puisque chaque atome d'oxygène est entouré de manière tétraédrique par quatre autres atomes d'oxygène à une distance de 2 76 A.
Pour les métaux d'un diamètre atomique de 2,76 A, la surtension de l'hydrogène est la plus faible et celle de l'oxygène est la plus grande. La valeur de 2,76 A coïncide avec le diamètre d'une molécule d'eau. Le remplissage le plus dense de la surface de l'électrode avec des dipôles d'eau augmente le gradient de potentiel dans la couche proche de l'électrode.
La couche moléculaire de l’eau est la plus étroitement liée à la phase solide du sol. L'épaisseur de la couche d'adsorption polymoléculaire peut atteindre plusieurs centaines de diamètres de molécules d'eau. À mesure que l’on s’éloigne de la phase solide, la liaison eau devient moins forte. Les premières rangées de molécules forment de l’eau étroitement liée ou hygroscopique. Plus le sol est dispersé, plus l’eau sera absorbée. L'eau hygroscopique atteint une densité de 1,4 g/cm3, ne contient pas de substances dissoutes et n'est pas capable de conduire électricité et se déplacent dans le sol. La quantité d'eau que le sol ou le sol peut retenir à une température et une humidité de l'air données détermine la teneur en humidité hygroscopique du sol.

Les données sur la dépendance de l'intensité de diffusion [des rayons X dans l'eau sur l'angle entre le rayonnement diffusé et le faisceau de rayons incident ont permis de montrer que dans l'environnement immédiat de chaque molécule d'eau dans le liquide il y a en moyenne 4 4 - 4 8 molécules d'eau, ce qui est généralement cohérent avec ce qui a déjà été énoncé par l'idée de Bernal et Fowler sur la structure tétraédrique de l'eau à des distances très proches, bien que quelque peu déformée par rapport à la structure cristalline de la glace. Cette structure existe encore à une distance d'environ 1,6 diamètre d'une molécule d'eau de la molécule considérée comme centrale, mais déjà à une distance de 0,8 nm l'ordre de la structure liquide disparaît pratiquement. La force des liaisons hydrogène dans l'eau liquide est inférieure à celle d'un cristal de glace, et ces liaisons peuvent se plier et s'étirer de manière assez significative sans se rompre lorsqu'une molécule tourne par rapport à une autre participant à la liaison hydrogène.
Les données sur la dépendance de l'intensité de diffusion des rayons X dans l'eau sur l'angle entre le rayonnement diffusé et le faisceau de rayons incident ont permis de montrer que dans l'environnement immédiat de chaque molécule d'eau dans le liquide il y en a en moyenne 4 4 - 4 8 molécules d'eau, ce qui est globalement cohérent avec ce qui était déjà énoncé par l'idée de Bernal et Fowler sur la structure tétraédrique de l'eau à des distances très proches, bien que quelque peu déformée par rapport à la structure cristalline de la glace. Cette structure existe encore à une distance d'environ 1,6 diamètre d'une molécule d'eau de la molécule considérée comme centrale, mais déjà à une distance de 0,8 nm l'ordre de la structure liquide disparaît pratiquement. La force des liaisons hydrogène dans l'eau liquide est inférieure à celle d'un cristal de glace, et ces liaisons peuvent se plier et s'étirer de manière assez significative sans se rompre lorsqu'une molécule tourne par rapport à une autre participant à la liaison hydrogène.
L'équation de Born (IV.25), qui ne prend pas en compte l'interaction donneur-accepteur de l'ion avec le solvant, donne un résultat inexact lors du calcul de l'énergie totale d'hydratation, mais elle est tout à fait adaptée pour calculer l'énergie d'hydratation secondaire . Pour calculer le DO, il faut substituer le rayon du complexe hydraté dans l'équation (IV.25), qui est la somme du rayon de l'ion et du diamètre de la molécule d'eau, Nay.
L’épaisseur de la couche d’eau hygroscopique n’a pas été strictement établie. La plupart des chercheurs considèrent que cette couche est polymoléculaire, donc, selon B.V. Deryagin, son épaisseur est de 23 à 27 diamètres de molécules d'eau.
UN; lorsqu'elle augmente ou diminue, la surtension augmente naturellement. Dans ses travaux ultérieurs, Khomutov a attiré l'attention sur le fait que la distance interatomique à laquelle la surtension est minime est proche du diamètre de la molécule d'eau et a proposé une méthode modèle pour calculer le coefficient b dans la formule de Havel.
Isotherme de tétra adsorption - MI9PVOD9b D'une énergie proche du méthylbenzène sulfonate de sodium kJ/mol. La valeur des solutions aqueuses à la température de ces dernières dépasse une diminution de 25 degrés C sur l'aérosol. tion d’énergie libre molaire. La longueur du radical hydrocarboné de cet ion est de 18 1 A, le diamètre du groupe polaire dans une solution aqueuse en C9 KKMH est de 8 88 A et le diamètre de la molécule d'eau est de 3 1 A.
La structure de la double couche électrique à l'interface métal-solution a été décrite pour la première fois par le scientifique russe R. A. Kolli en 1878. Selon ses idées, la double couche est similaire à un condensateur plat dont les plaques sont situées à une distance de le diamètre d'une molécule d'eau. Le revêtement extérieur est formé d’une couche d’ions adsorbés. Ils ont montré que le mouvement thermique entraîne la désorption de certains ions de la surface métallique (Fig. 49) 1, qui forment une couche diffuse (dispersée). Ce dernier est comprimé jusqu'à une certaine épaisseur par le champ électrique du métal chargé. Son épaisseur diminue avec l'augmentation de la charge métallique et de la concentration en ions dans la solution et augmente avec l'augmentation de la température. L'épaisseur de la couche d'adsorption est égale au rayon de l'ion hydraté. La couche diffuse est absente si le métal ne porte pas de charge électrique excessive, ainsi que dans les solutions concentrées d'électrolytes.
Propriétés physiques les fibres hydrophiles telles que la laine, les cheveux, le nylon, la rayonne dépendent fortement de la quantité d'eau adsorbée. Ces changements dans les propriétés des fibres sont dus à la forte polarisabilité de l'eau (et, par conséquent, aux valeurs élevées du moment dipolaire induit), à la capacité de la molécule d'eau à former des liaisons hydrogène relativement fortes et à sa taille relativement petite. - le diamètre de la molécule d'eau est d'environ 2 7 A.
Corps en plastique. De plus, l'eau est une substance chimiquement active qui favorise la formation de solutions de sels, d'acides, d'alcalis et de solutions colloïdales. Le diamètre des molécules d'eau étant de 3 A, l'humidité est capable de pénétrer à travers les micropores et les microfissures des matériaux et films de protection.
Graphique de la fonction de distribution. Succès science moderne dans ce domaine, il est possible d'affirmer que les tailles et les masses des molécules individuelles sont fermement établies. Si l'on imagine classiquement des molécules sous forme de billes, alors leur diamètre sera dans la plupart des cas de plusieurs angströms. Par exemple, le diamètre d'une molécule d'eau (H2O) est de 2 6 - 10 - 10 m 2 6 A.
Les forces les plus importantes qui déterminent l’énergie d’adsorption du ciment sont les forces électrostatiques d’interaction entre les ions de la surface des particules et les dipôles d’eau. Ces forces ont un petit rayon d’action, ne dépassant pas plusieurs angströms. À des distances de la surface des particules supérieures au diamètre des molécules d'eau, les forces d'interaction sont complétées par des forces de van der Waals de polarisation ou de dispersion provoquées par des dipôles instantanés résultant du mouvement des électrons dans la molécule.
Si les forces d'interaction des molécules d'eau avec un matériau sont supérieures aux forces d'interaction des molécules d'eau entre elles, alors l'eau mouillera bien un tel matériau. S'il existe des défauts structurels à la surface du matériau comparables au diamètre d'une molécule d'eau (0,29 nm), alors les molécules d'eau peuvent pénétrer dans le volume du matériau et, s'il existe une porosité (défauts) de celui-ci taille dans le volume du matériau, ils diffuseront selon le mécanisme de diffusion activée, similaire aux gaz de diffusion Les verres silicatés sont capables d'absorber totalement librement la vapeur d'eau, car la taille de leurs défauts varie de 0,7 à 1,7 nm.

L'équation de Born (IV.25), qui ne prend pas en compte l'interaction donneur-accepteur de l'ion avec le solvant, donne un résultat inexact lors du calcul de l'énergie totale d'hydratation, mais elle est tout à fait adaptée pour calculer l'énergie d'hydratation secondaire . Pour calculer le DO, il faut substituer le rayon du complexe hydraté dans l'équation (IV.25), qui est la somme du rayon de l'ion et du diamètre de la molécule d'eau.
Schéma de la disposition relative des plans correspondant aux discontinuités de la constante diélectrique (r 0 et r Aj), de l'adsorption des ions (r r0 et de l'approximation la plus proche des ions non adsorbés (r h. En conséquence, les centres de tous les ions adsorbés doivent se trouvent dans le même plan (souvent appelé plan de Helmholtz interne) à une distance z0 de la surface de l'électrode. D'autre part, les ions qui ne peuvent pas être adsorbés ou qui n'ont pas encore été adsorbés sont fermement retenus par au moins une coquille de molécules d'eau. La distance de leur approche la plus proche de la surface, désignée par hQ, doit être approximativement égale à la somme du rayon ionique et du diamètre des molécules d'eau.
Kobozev (1947), ainsi que Bockris (1951), ont établi la relation entre le travail d'extraction des électrons et la surtension de l'hydrogène. Khomutov (1950), comparant l'ampleur de la surtension d'hydrogène avec distance minimale entre les atomes dans les métaux, a constaté que la surtension la plus faible est observée sur les métaux avec une distance interatomique ; environ 2 7 A ; lorsqu'elle augmente ou diminue, la surtension augmente naturellement. Dans ses travaux ultérieurs, Khomutov a attiré l'attention sur le fait que la distance interatomique à laquelle la surtension est minime est proche du diamètre de la molécule d'eau et a proposé une méthode modèle pour calculer le coefficient b dans la formule de Tafel.
Khomutov (1950), comparant l'ampleur de la surtension de l'hydrogène avec la distance minimale entre les atomes dans les métaux, a constaté que la surtension la plus faible est observée sur les métaux avec une distance interatomique proche de 2,7 A ; lorsqu'elle augmente ou diminue, la surtension augmente naturellement. Dans ses travaux ultérieurs, il a attiré l'attention sur le fait que la distance interatomique à laquelle la surtension est minimale est proche du diamètre de la molécule d'eau et a proposé une méthode modèle pour calculer le coefficient b dans la formule de Tafel.
L'expression finale de la fonction /(t) n'est pas donnée en raison de sa forme lourde. En demandant différentes significations ij, à l'aide des équations (23.14) et (23.15), il est possible de déterminer les valeurs correspondantes de C et φ0 et, ainsi, de construire une courbe C, φ0. Dans le calcul, il a été supposé que KG était de 20 μF/cm2, KT 38 μF/cm, et l'épaisseur moyenne de la couche dense d a été prise égale au diamètre d'une molécule d'eau.
L'expression finale de la fonction /(tyi) n'est pas donnée en raison de sa forme lourde. En spécifiant différentes valeurs de r, à l'aide des équations (23.14) et (23.15), on peut déterminer les valeurs correspondantes de C et φ0 et ainsi construire une courbe C, φ0. Dans le calcul, il a été supposé que Ki0 2Q F/m2, / Cr0 38 f/m2, et l'épaisseur moyenne de la couche dense d a été prise égale au diamètre de la molécule d'eau.

Il est clair que nous ne pourrons pas mesurer directement une si petite particule de matière. Nous réaliserons une expérience à partir de laquelle, grâce à des calculs simples, nous pourrons déterminer la taille des molécules. Vous avez bien sûr vu de fines pellicules colorées formées par des produits pétroliers (huiles lubrifiantes, gasoil, etc.) à la surface de l’eau. La couleur des films minces est due au chevauchement des rayons lumineux réfléchis par les surfaces supérieure et inférieure du film, un phénomène appelé interférence lumineuse. Pour la même raison, les bulles de savon scintillent de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.
Vous étudierez le phénomène d'interférence dans les cours de physique. Et maintenant, nous nous intéressons à l'épaisseur du film - vous êtes-vous déjà demandé quelle est sa finesse ? Déterminer l'épaisseur du film est très simple : il faut diviser son volume par la surface. Même les anciens marins ont remarqué que si de l'huile végétale est versée à la surface de l'eau, elle se répandra sur une très grande surface (à cette époque, une opinion plutôt étrange s'est élevée selon laquelle on pouvait ainsi « calmer » la mer pendant une tempête). La première personne à mesurer la surface d'une tache d'huile sur l'eau fut probablement l'éminent scientifique et diplomate américain Benjamin Franklin (1706-1790), dont l'image apparaît sur le billet de cent dollars. Son invention la plus célèbre est le paratonnerre (ou plutôt le paratonnerre). En 1774, Franklin se rend en Europe pour résoudre un autre conflit entre l'Angleterre et les États-Unis. Pendant son temps libre après les négociations, il a expérimenté des films d'huile à la surface de l'eau. À sa grande surprise, une cuillère huile végétale réparti sur toute la surface d'un petit étang. Si vous versez de l'huile non végétale dans l'eau, mais de l'huile de machine non visqueuse, la tache ne sera pas si grande : une goutte produit un cercle d'un diamètre d'environ 20 cm. La surface d'un tel film est environ 300 cm3, le volume d'une goutte est d'environ 0,03 cm3. Par conséquent, l'épaisseur du film est de 0,03 cm1 / 300 cm3 = 0,0001 cm = 0,001 mm - 1 micron. Un millième de millimètre est une très petite valeur ; tous les microscopes ne peuvent pas voir une particule de cette taille.
Mais avons-nous la garantie que les molécules d’huile de machine se répartissent sur l’eau en une seule couche ? Après tout, ce n'est que dans ce cas que l'épaisseur du film correspondra à la taille des molécules. Nous n'avons pas une telle garantie, et voici pourquoi. Les molécules qui composent l'huile moteur sont dites hydrophobes (traduit du grec « hydrophobe » - « peur de l'eau »). Ils « adhèrent » assez bien les uns aux autres, mais avec beaucoup de réticence aux molécules d'eau. Si une substance similaire à l'huile de machine est versée sur la surface de l'eau, elle forme dessus un film assez épais (selon les normes moléculaires), composé de centaines, voire de milliers de couches moléculaires. Outre le fait que de tels calculs sont intéressants en eux-mêmes, ils revêtent une grande importance pratique. Par exemple, il est encore aujourd’hui impossible d’éviter les accidents impliquant d’énormes pétroliers transportant du pétrole à des milliers de kilomètres du lieu de production. À la suite d'un tel accident, grande quantité le pétrole, qui aura un effet néfaste sur les organismes vivants. L'huile est plus visqueuse que l'huile moteur, son film à la surface de l'eau peut donc être un peu plus épais. Ainsi, lors d'un des accidents, 120 000 tonnes de pétrole se sont déversées, couvrant une superficie de 500 km3. Comme le montre un simple calcul, l'épaisseur moyenne d'un tel film est de 200 microns. L'épaisseur du film dépend à la fois du type de pétrole et de la température de l'eau : dans les mers froides, où le pétrole devient plus épais, le film est plus épais, dans les mers chaudes, où le pétrole devient moins visqueux, le film est plus fin. Mais dans tous les cas, l’accident d’un gros pétrolier, lorsque des dizaines de milliers de tonnes de pétrole tombent à la mer, est une catastrophe. Après tout, si tout le pétrole déversé se répand en une fine couche, une tache d’une superficie énorme se formera et il est extrêmement difficile d’éliminer un tel film.
Est-il possible de répartir une substance sur l'eau de manière à ce qu'une seule couche de molécules se forme (un tel film est appelé monomoléculaire) ? Il s'avère que cela est possible, mais au lieu de l'huile de machine ou du pétrole, vous devez prendre une autre substance. Les molécules d’une telle substance doivent avoir un groupe d’atomes dit hydrophile (c’est-à-dire « aimant l’eau ») à une extrémité et un groupe hydrophobe à l’autre extrémité. Que se passe-t-il si une substance constituée de telles molécules est placée à la surface de l’eau ? La partie hydrophile des molécules, essayant de se dissoudre dans l'eau, va entraîner la molécule dans l'eau, tandis que la partie hydrophobe, qui a « peur » de l'eau, évitera obstinément tout contact avec l'eau. À la suite d’un tel « malentendu » mutuel, les molécules (si elles sont légèrement « pressées » sur le côté à l’aide d’une planche) s’aligneront à la surface de l’eau, comme le montre la Fig. 3.1 : leurs extrémités hydrophiles sont enfoncées dans l'eau, et leurs extrémités hydrophobes dépassent.
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Riz. 3.1. C'est ainsi que les molécules de tensioactifs sont orientées à la frontière eau-air, formant une « palissade de Langmuir » - du nom du chimiste et physicien américain Irving Langmuir (1881-1957), qui en 1916 a créé la théorie de la structure de telles couches sur la surface des liquides
Les substances qui se comportent de cette manière sont appelées tensioactifs. Il s'agit, par exemple, du savon et d'autres détergents ; l'acide oléique, qui fait partie de l'huile de tournesol ; l'alcool palmitique, qui fait partie de huile de palme et l'huile de baleine. La propagation de ces substances à la surface de l’eau produit des films beaucoup plus minces que l’huile de machine. Ce phénomène est connu depuis longtemps, des expériences similaires ont été réalisées dès le XVIIIe siècle. Mais ce n'est qu'à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, grâce aux expériences menées par le physicien anglais John William Rayleigh (1842-1919), le physicien allemand Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) et plusieurs autres D'autres scientifiques ont montré que l'épaisseur du film peut atteindre des tailles si petites, comparables aux tailles de molécules individuelles.
Dans l'une de ces expériences, le chimiste anglais Neil Kensington Adam. La plupart des molécules et des ions des substances qui nous sont familières ont des tailles de l'ordre de 1 nm. Ainsi, le diamètre des molécules d'hydrogène est d'environ 0,2 nm, l'iode - 0,5 nm, l'alcool éthylique - 0,4 nm ; le rayon des ions aluminium est de 0,06 nm, sodium - 0,10 nm, chlorure - 0,13 nm, chlore - 0,18 nm, iode - 0,22 nm. Mais parmi les molécules, il y a aussi des géants dont la taille, selon les normes moléculaires, est véritablement astronomique. Ainsi, dans les noyaux des cellules d'animaux et de plantes supérieurs, se trouvent des molécules d'hérédité - les acides désoxyribonucléiques (ADN). Leur longueur peut dépasser 2 000 000 nm, soit 2 mm !
Pour conclure cette section, une petite histoire sur la méthode ingénieuse (mais pas la plus précise) utilisée en 1908 par le scientifique français Jean Perrin pour « peser » les molécules. Comme vous le savez, la densité de l’air diminue avec l’altitude. Aussi dans début XIX siècle, le scientifique français Pierre Laplace a développé une formule qui permet de calculer la pression à différentes altitudes. Selon cette formule, la pression atmosphérique diminue de moitié tous les 6 km d'élévation. Cette valeur dépend bien entendu de la force de gravité, ainsi que de la masse des molécules d'air. Si l'air n'était pas constitué d'azote et d'oxygène, mais de molécules d'hydrogène très légères (elles sont 16 fois plus légères que les molécules d'oxygène), alors la chute pression atmosphérique deux fois plus élevée aurait été observée à une altitude non pas de 6 km, mais environ 16 fois plus, soit environ 100 km. A l’inverse, si les molécules étaient très lourdes, l’atmosphère serait « pressée » contre la surface de la Terre et la pression chuterait rapidement avec l’altitude.
Raisonner de cette façon. Au lieu de molécules, Perrin a décidé d'utiliser de minuscules boules de colorant gumgut en suspension dans l'eau. Il a essayé de préparer une suspension (émulsion) avec des billes de même taille - environ 1 micron de diamètre. Puis il plaça une goutte d'émulsion sous un microscope et, déplaçant verticalement la vis du microscope, compta le nombre de boules de gomme à différentes hauteurs. Il s’est avéré que la formule de Laplace est tout à fait applicable aux émulsions : pour chaque augmentation de 6 µm, le nombre de billes dans le champ de vision diminue de moitié. Puisque 6 km sont exactement un milliard de fois plus grands que 6 microns, Perrin a conclu que les molécules d'oxygène et d'azote sont autant de fois plus légères que les boules de gomme (et leur masse peut déjà être déterminée expérimentalement).