Objem jednej molekuly. Základné ustanovenia IKT

Veľkosť molekuly je relatívna hodnota. Takto sa hodnotí. Medzi molekulami spolu s príťažlivými silami pôsobia aj odpudivé sily, takže molekuly sa k sebe môžu priblížiť len na určitú vzdialenosť d(obr. 1).

Vzdialenosť maximálneho priblíženia medzi centrami dvoch molekúl sa nazýva efektívny priemer molekuly d(predpokladá sa, že molekuly majú guľovitý tvar).

V súčasnosti existuje veľa metód na určenie veľkosti molekúl. Najjednoduchšie, aj keď nie najpresnejšie, je nasledovné. V pevných látkach a kvapalinách sú molekuly umiestnené veľmi blízko seba, takmer tesne vedľa seba. Preto môžeme predpokladať, že objem V obsadené telesom nejakej hmotnosti m, približne rovný súčtu objemov všetkých jeho molekúl.

Potom objem jednej molekuly bude \(V_(0) =\frac(V)(N),\) kde V- objem telesa, \(N=\frac(m)(M) \cdot N_(A)\) - počet molekúl v tele. teda

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

Pretože \(\frac(m)(V) =\rho,\) kde ρ je hustota látky, potom

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

Za predpokladu, že molekula je malá gulička, ktorej priemer je d = 2r, Kde r- polomer, máme

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

Nahradením hodnoty tu V 0 (6,5), dostaneme

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

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

Áno, na vodu

\(d = \sqrt[(3)](\frac(6\cdot 18\cdot 10^(-3))(3,14 \cdot 10^(3) \cdot 6,02 \cdot 10^(23))) = 3,8 \cdot 10^(-10)\) m.

Veľkosti molekúl rôznych látok nie sú rovnaké, ale všetky sú rádovo 10 -10 m, t.j. veľmi malé.

Literatúra

Aksenovič L. A. Fyzika v stredná škola: Teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné vzdelávanie. prostredie, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 125-126.

Keď sa spoja dva alebo viac atómov chemické väzby navzájom vznikajú molekuly. Nezáleží na tom, či sú tieto atómy rovnaké alebo sú navzájom úplne odlišné, a to ako tvarom, tak aj veľkosťou. Zistíme, aká je veľkosť molekúl a na čom závisí.

Čo sú molekuly?

Po tisíce rokov sa vedci zamýšľali nad záhadou života, nad tým, čo presne sa stane, keď začne. Podľa najstarších kultúr sa život a všetko na tomto svete skladá zo základných prvkov prírody – zeme, vzduchu, vetra, vody a ohňa. Postupom času však mnohí filozofi začali presadzovať myšlienku, že všetky veci sa skladajú z malých, nedeliteľných vecí, ktoré nemožno vytvoriť ani zničiť.

Vedci však až po nástupe atómovej teórie a modernej chémie začali predpokladať, že častice, poskladané spolu, dali vzniknúť základným stavebným kameňom všetkých vecí. Takto sa objavil termín, ktorý v kontexte modernej časticovej teórie označuje najmenšie jednotky hmotnosti.

Podľa klasickej definície je molekula najmenšia častica látky, ktorá pomáha udržiavať jej chemické a fyzikálne vlastnosti. Pozostáva z dvoch alebo viacerých atómov alebo skupín rovnakých alebo rôznych atómov, ktoré držia pohromade chemické sily.

Aká je veľkosť molekúl? V 5. ročníku prírodopis (školský predmet) dáva len Všeobecná myšlienka o veľkostiach a tvaroch, táto problematika sa podrobnejšie študuje na hodinách chémie na strednej škole.

Príklady molekúl

Molekuly môžu byť jednoduché alebo zložité. Tu je niekoľko príkladov:

• H20 (voda);
• N2 (dusík);
• O3 (ozón);
• CaO (oxid vápenatý);
• C6H1206 (glukóza).

Molekuly pozostávajúce z dvoch alebo viacerých prvkov sa nazývajú zlúčeniny. Voda, oxid vápenatý a glukóza sú teda zlúčeniny. Nie všetky zlúčeniny sú molekuly, ale všetky molekuly sú zlúčeniny. Aké veľké môžu byť? Aká je veľkosť molekuly? Je známe, že takmer všetko okolo nás pozostáva z atómov (okrem svetla a zvuku). Ich celková hmotnosť bude hmotnosť molekuly.

Molekulová hmotnosť

Keď hovoríme o veľkosti molekúl, väčšina vedcov vychádza z molekulovej hmotnosti. Toto je celková hmotnosť všetkých atómov, ktoré sú v ňom zahrnuté:

• Voda, pozostávajúca z dvoch atómov vodíka (každý má jednu atómovú hmotnostnú jednotku) a jedného atómu kyslíka (16 atómových hmotnostných jednotiek), má molekulovú hmotnosť 18 (presnejšie 18,01528).
• Glukóza má molekulovú hmotnosť 180.
• DNA, ktorá je veľmi dlhá, môže mať molekulovú hmotnosť približne 1010 (približná hmotnosť jedného ľudského chromozómu).

Meranie v nanometroch

Okrem hmotnosti vieme merať aj to, aké veľké sú molekuly v nanometroch. Jednotka vody má priemer približne 0,27 Nm. DNA dosahuje priemer 2 nm a môže sa tiahnuť až niekoľko metrov na dĺžku. Je ťažké si predstaviť, ako sa takéto rozmery zmestia do jednej bunky. Pomer dĺžky k hrúbke DNA je úžasný. Je to 1/100 000 000, čo je dĺžka ľudského vlasu ako futbalové ihrisko.

Tvary a veľkosti

Aká je veľkosť molekúl? Oni sú rôzne formy a veľkosti. Voda a oxid uhličitý patria k najmenším, bielkoviny k najväčším. Molekuly sú prvky zložené z atómov, ktoré sú navzájom spojené. Porozumenie vzhľad Molekuly sú tradične súčasťou chémie. Okrem ich nepochopiteľne zvláštneho chemického správania je jednou z dôležitých vlastností molekúl ich veľkosť.

Kde to môže byť špeciálne? užitočné poznatky aké veľké sú molekuly? Odpoveď na túto a mnohé ďalšie otázky pomáha v oblasti nanotechnológií, keďže koncept nanorobotov a inteligentných materiálov sa nevyhnutne zaoberá účinkami veľkostí a tvarov molekúl.

Aká je veľkosť molekúl?

V 5. ročníku prírodopis na túto tému dáva len všeobecné informácieže všetky molekuly sú zložené z atómov, ktoré sú v neustálom náhodnom pohybe. Na strednej škole už môžete v učebniciach chémie vidieť štruktúrne vzorce, ktoré pripomínajú skutočný tvar molekúl. Nie je však možné zmerať ich dĺžku pomocou bežného pravítka, a aby ste to dosiahli, musíte vedieť, že molekuly sú trojrozmerné objekty. Ich obraz na papieri je projekciou do dvojrozmernej roviny. Dĺžka molekuly sa mení vzťahmi medzi dĺžkami jej uhlov. Existujú tri hlavné:

• Uhol štvorstenu je 109°, keď sú všetky väzby tohto atómu na všetky ostatné atómy jednoduché (iba jedna pomlčka).
• Uhol šesťuholníka je 120°, keď jeden atóm má jednu dvojitú väzbu s iným atómom.
• Uhol čiary je 180°, keď má atóm buď dve dvojité väzby alebo jednu trojitú väzbu s iným atómom.

Skutočné uhly sa často líšia od týchto uhlov, pretože je potrebné vziať do úvahy množstvo rôznych účinkov vrátane elektrostatických interakcií.

Ako si predstaviť veľkosť molekúl: príklady

Aká je veľkosť molekúl? V 5. ročníku sú odpovede na túto otázku, ako sme už povedali všeobecný charakter. Študenti vedia, že veľkosť týchto zlúčenín je veľmi malá. Napríklad, ak zmeníte molekulu piesku v jednom jedinom zrnku piesku na celé zrnko piesku, potom pod výslednou hmotou môžete ukryť dom s piatimi poschodiami. Aká je veľkosť molekúl? Krátka odpoveď, ktorá je tiež vedeckejšia, je nasledovná.

Molekulová hmotnosť sa rovná pomeru hmotnosti celej látky k počtu molekúl v látke alebo pomeru molárnej hmotnosti k Avogadrovej konštante. Mernou jednotkou je kilogram. V priemere je molekulová hmotnosť 10 -23 -10 -26 kg. Vezmime si napríklad vodu. Jeho molekulová hmotnosť bude 3 x 10 -26 kg.

Ako ovplyvňuje veľkosť molekuly príťažlivé sily?

Za príťažlivosť medzi molekulami je zodpovedná elektromagnetická sila, ktorá sa prejavuje priťahovaním opačných nábojov a odpudzovaním podobných nábojov. Elektrostatická sila, ktorá existuje medzi opačnými nábojmi, dominuje interakciám medzi atómami a medzi molekulami. Gravitačná sila je v tomto prípade taká malá, že ju možno zanedbať.

V tomto prípade veľkosť molekuly ovplyvňuje silu príťažlivosti cez elektrónový oblak náhodných skreslení, ktoré vznikajú pri distribúcii elektrónov molekuly. V prípade nepolárnych častíc, ktoré vykazujú len slabé van der Waalsove interakcie alebo disperzné sily, má veľkosť molekúl priamy vplyv na veľkosť elektrónového oblaku obklopujúceho uvedenú molekulu. Čím je väčší, tým väčšie je nabité pole, ktoré ho obklopuje.

Väčší elektrónový oblak znamená, že medzi susednými molekulami môže nastať viac elektronických interakcií. Výsledkom je, že jedna časť molekuly vyvinie dočasný kladný čiastočný náboj, zatiaľ čo druhá časť vyvinie negatívny čiastočný náboj. Keď sa to stane, molekula môže polarizovať elektrónový oblak svojho suseda. K príťažlivosti dochádza, pretože čiastočná kladná strana jednej molekuly je priťahovaná k čiastočnej negatívna stránkaďalší.

Záver

Aké veľké sú teda molekuly? V prírodnej histórii, ako sme zistili, možno nájsť iba obraznú predstavu o hmotnosti a veľkosti týchto najmenších častíc. Ale vieme, že existujú jednoduché a zložité zlúčeniny. A druhá kategória zahŕňa taký koncept ako makromolekula. Je to veľmi veľká jednotka, napríklad proteín, ktorá sa zvyčajne vytvára polymerizáciou menších podjednotiek (monomérov). Zvyčajne sa skladajú z tisícok atómov alebo viac.

Kikoin A.K. Jednoduchý spôsob, ako určiť veľkosť molekúl // Quantum. - 1983. - Číslo 9. - S.29-30.

Po osobitnej dohode s redakčnou radou a redakciou časopisu "Kvant"

V molekulárnej fyzike sú hlavnými „aktérmi“ molekuly, nepredstaviteľne malé častice, ktoré tvoria každú látku na svete. Je jasné, že na štúdium mnohých javov je dôležité vedieť, o aké molekuly ide. Najmä aké sú ich veľkosti.

Keď ľudia hovoria o molekulách, zvyčajne si ich predstavia ako malé, elastické, tvrdé guľôčky. Preto poznať veľkosť molekúl znamená poznať ich polomer.

Napriek malej veľkosti molekúl boli fyzici schopní vyvinúť mnoho spôsobov, ako ich určiť. Fyzika 9 hovorí o dvoch z nich. Využije sa vlastnosť niektorých (veľmi málo) kvapalín šíriť sa vo forme filmu s hrúbkou jednej molekuly. V inom sa veľkosť častíc určuje pomocou zložitého zariadenia - iónového projektora.

Existuje však veľmi jednoduchý, aj keď nie najpresnejší spôsob výpočtu polomerov molekúl (alebo atómov), ktorý je založený na skutočnosti, že molekuly látky, keď je v pevnom alebo kvapalnom stave možno považovať za tesne vedľa seba. V tomto prípade pre hrubý odhad môžeme predpokladať, že objem V nejakú omšu m látky sa jednoducho rovná súčtu objemov molekúl, ktoré obsahuje. Potom získame objem jednej molekuly delením objemu V na počet molekúl N.

Počet molekúl v tele vážení m rovná sa, ako je známe, \(~N_a \frac(m)(M)\), kde M- molárna hmotnosť látky N A je Avogadrove číslo. Preto ten objem V 0 jednej molekuly sa určí z rovnosti

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

Tento výraz zahŕňa pomer objemu látky k jej hmotnosti. Inverzný vzťah \(~\frac(m)(V) = \rho\) je hustota látky, takže

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

Hustotu takmer akejkoľvek látky možno nájsť v tabuľkách prístupných každému. Molová hmotnosť sa dá ľahko určiť, ak viete chemický vzorec látok.

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

z ktorého získame výraz pre polomer molekuly:

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

Prvý z týchto dvoch koreňov je konštantná hodnota rovnajúca sa ≈ 7,4 10 -9 mol 1/3, takže vzorec pre r predstiera

\(~r \približne 7,4 \cdot 10^(-9) \sqrt (\frac(M)(\rho)) (m)\) .

Napríklad polomer molekuly vody vypočítaný pomocou tohto vzorca sa rovná r B ≈ 1,9 · 10 -10 m.

Opísaný spôsob určovania polomerov molekúl nemôže byť presný len preto, že guľôčky nemožno umiestniť tak, aby medzi nimi neboli žiadne medzery, aj keď sú vo vzájomnom kontakte. Navyše, pri takomto „zbalení“ molekúl-gulí by boli molekulárne pohyby nemožné. Napriek tomu výpočty veľkostí molekúl pomocou vyššie uvedeného vzorca poskytujú výsledky, ktoré sa takmer zhodujú s výsledkami iných metód, ktoré sú neporovnateľne presnejšie.

Priemer molekuly vody je približne 0 0000 000 Zcm.
Priemer molekuly vody, vypočítaný pomocou Avo-gadro čísla, sa rovná trom angstromom. Takáto istota je objektívne vlastná molekule akejkoľvek látky. To znamená, že štruktúra pôsobí ako priestorové usporiadanie častíc v molekule.
Priemer molekuly vody je 0 29 nm (2 9 A), čo je porovnateľné s veľkosťou pórov a defektov väčšiny nekovových materiálov. To určuje jeho pomerne vysokú penetračnú schopnosť, najmä do poréznych silikátových materiálov a kompozitov.
Priemer molekuly vody je len 2 5 10 - 10 m a vodná para prechádza najmenšími pórmi. Husté, neporézne materiály neprepúšťajú vodnú paru a sú nehygroskopické. Patria sem sklokeramika, nízkoalkalické sklo, vákuotesná keramika, epoxidové plasty a nepolárne polyméry.
Sklolaminát s epoxidovým polyesterovým spojivom po 9 hodinách varu v destilovanej vode.| Štruktúra chemicky odolného sklolaminátu na báze živice PN-16 po expozícii 1000 hodín I vo vriacej vode (7500 x. Ak je priemer molekuly vody 0,276 nm, potom priemer iónovej atmosféry, ktorý určuje efektívnu veľkosť iónov v roztoku 0,6 % NaCl , je približne 1 nm Zvýšenie koncentrácie roztoku elektrolytu spôsobuje zväčšenie hrúbky iónovej atmosféry.
Ich priemer v miestach expanzie presahuje priemer molekúl vody. Topenie ľadu je sprevádzané porušením väzieb medzi niektorými molekulami a ich prepadnutím do kanálikov štruktúry ľadu. Zvýšenie teploty je sprevádzané ďalšou deštrukciou konštrukcie.
Na ich povrchu sa vytvorí tenký film s dvojnásobným až trojnásobkom priemeru molekúl vody. Keď k nemu dôjde, uvoľňuje teplo zmáčania.
Keď sa hrúbka vrstvy adsorbovanej vlhkosti rovná 10 - 30-násobku priemeru molekúl vody, podľa B. V. Deryagina sa vytvorí solvatačná vrstva prakticky bez vývinu tepla. Táto vrstva, ako poukazuje F.E. Kolyasev, má tiež anomáliu fyzikálno-chemické vlastnosti v porovnaní s objemom kvapaliny.
Vysvetľuje to skutočnosť, že materiály majú poréznu štruktúru a veľkosť pórov presahuje priemer molekúl vody. Okrem toho sa pozdĺž koncoviek prvkov na rozhraní medzi materiálmi vytvárajú kapiláry s rôznymi koeficientmi lineárnej rozťažnosti.
Fyzikálne viazaná voda je držaná na povrchu minerálnych častíc molekulárnymi adhéznymi silami a má formu tenkých vrstiev až do niekoľko stonásobku priemeru molekuly vody.
Hrúbka vodného filmu na povrchu sa pohybuje od 0 5 - 3 0 - 10 6 cm.Ak vezmeme do úvahy, že priemer molekuly vody je rovný 3A, ​​potom sa v priemere vrstva vody rovná Na povrchu sa vytvorí 100 molekúl. Pre vytvorenie vodoodpudivej vrstvy na povrchu keramiky je potrebné udržiavať výslednú vrstvu vody pri relatívna vlhkosť 60 - 90 % do 4 hodín.
Voda v skalách. Viazané vody sú držané na povrchu minerálnych častíc horniny molekulárnymi kohéznymi silami a vytvárajú vrstvu, ktorej hrúbka môže dosiahnuť niekoľko stoviek priemerov molekuly vody. Vonkajšiu, väčšiu časť tejto vrstvy predstavuje voľne viazaná (lyosorbovaná) voda.

Ako je zrejmé z tabuľky, pomer R - r, m, e, vzdialenosť medzi dvoma sférami hydrátového komplexu k priemeru molekuly vody 2ra, sa v mnohých prípadoch rovná jednotke alebo R - r - 2ra; inými slovami, v takýchto komplexoch molekuly vody obklopujú centrálny ión a sú usporiadané okolo obalu s hrúbkou jednej molekuly v jednej vrstve.
Hrúbka vodného filmu na povrchu sa pohybuje od 0 5 - 3 0 - 10 - 6 cm.Ak vezmeme do úvahy, že priemer molekuly vody je rovný 3A, ​​potom v priemere vrstva vody na povrchu sa vytvorí rovných 100 molekúl. Pre vytvorenie vodoodpudivej vrstvy na povrchu keramiky je potrebné výslednú vrstvu vody udržiavať pri relatívnej vlhkosti 60 - 90% po dobu 4 hodín.
Okrem toho, inverzná funkcia yg samotná nemôže byť použitá na extrapoláciu na yg oo kvôli vplyvu termínu určeného polomerom alebo priemerom molekuly vody. Úplnejší výpočet hydratačnej entalpie, aký navrhol Buckingham, ktorý berie do úvahy pojmy spojené s interakciami ión-dipól, dipól-dipól a dipól-kvadrupól a vplyv indukovaných dipólových momentov, vedie k ešte zložitejšiemu exponentu recipročného funkcia iónového polomeru. Halliwell a Nyburg tiež vykonali o niečo elegantnejší výpočet založený na zohľadnení možnosti koordinačných čísel 6 alebo 4 v hlavnom hydratačnom obale a modeloch tvrdých guľôčok a mäkkých guľôčok pre kontakt ión-rozpúšťadlo.
Absorpciu vlhkosti takých heterogénnych systémov, ako sú sklolaminátové plasty, možno považovať za dve strany toho istého procesu - prienik mobilného média s malým priemerom molekúl (priemer molekúl vody je 2 7 A) do organického materiálu v dôsledku existencia molekulárnych otvorov v ňom, ako aj mikropórov na rozhraní vlákna - živica a iných štruktúrnych defektov. Ak mikroskopické a submikroskopické póry, trhliny a kapiláry závisia hlavne od technologických dôvodov a sú náhodného charakteru, potom sú intermolekulárne diery vždy vlastné. organické materiály. Preto je pre polyméry s veľkými priemermi molekúl priepustnosť pre vodnú paru v podstate nevyhnutná. Pre polyméry s kryštalickou štruktúrou, kryštalické nasýtené uhľovodíky a tuhé nízkopolárne polyméry bude množstvo absorbovanej vlhkosti zanedbateľné.
Pre polyatomické ióny (napríklad pre MnO) sa predpokladá, že iónový polomer sa rovná kryštalografickému polomeru a pre monoatomické ióny sa priemer molekuly vody pripočíta ku kryštalografickému polomeru.
Hrúbka filmu viazanej vody pri maximálnej kapacite molekulovej vlhkosti je najmenej 0 005 - 0 01 mikrónov, čo zodpovedá približne 20 - 40 priemerom molekúl vody.
Helmholtz v roku 1853. Veril, že elektrická dvojvrstva pozostáva z dvoch vrstiev nábojov opačných znamienok, umiestnených od seba vo vzdialenosti rádovo priemeru molekuly vody: vrstva nábojov na kove a vrstva k nemu priťahované ióny. Zároveň sa predpokladalo, že náboje v oboch týchto vrstvách sú rovnomerne rozložené po povrchu, takže medzi dvojitou vrstvou a obyčajným plochým kondenzátorom možno načrtnúť úplnú analógiu.
Ak predpokladáme, že priemer hydróniového iónu sa rovná priemeru molekuly vody, potom sa vzdialenosť medzi dvoma neptúniovými iónmi bude rovnať 10 3 A s použitím hodnôt uvedených v práci Cohena, Sullivana, Amisa a Hindman pre polomer iónov neptúnia a priemer molekuly vody.
Prvý najjednoduchší model elektrickej dvojvrstvy navrhol Helmholtz v roku 1853. Podľa Helmholtza dvojitá vrstva na rozhraní kovová elektróda-roztok pozostáva z dvoch vrstiev nábojov umiestnených vo vzdialenosti rádovo priemeru molekuly vody. . Jedna vrstva nábojov je na kove, druhá je v roztoku a pozostáva z opačne nabitých iónov priťahovaných k elektróde. Hneď je potrebné poznamenať, že predpoklad rozmazanej nálože platí len pre kovové obloženie. Pri iónovom pokovovaní platí, že čím je roztok koncentrovanejší a čím väčšia je hustota náboja na pokovovaní, tým je lepší.
Bornova teória je teda dobrou prvou aproximáciou, samozrejme, okrem toho, že efektívne polomery iónov sa považujú za hodnoty, ktoré, ako uviedli Ealy a Evans, presahujú polomery v kryštáli o polovicu priemeru molekúl vody. alebo atóm kyslíka. Zlepšením jednoduchej elektrostatickej teórie by mohlo byť uvažovanie o štruktúre vody podobnej kremeňu namiesto homogénneho dielektrika. V tomto prípade je potrebné zaviesť ďalšie energetické členy, ktoré zohľadňujú interakciu iónu s dipólmi rozpúšťadla a intermolekulárne odpudzovanie, ktoré sa zvyšuje so zmenou orientácie dipólov rozpúšťadla v blízkosti iónu.
V [82, 83] bolo ukázané, že hlavný príspevok k voľnej energii systému polypeptid-rozpúšťadlo tvoria interakcie s blízkymi molekulami rozpúšťadla. Zhruba povedané, ak d je priemer molekuly vody, potom vo vzdialenostiach medzi uvažovaným párom atómov rd/o (/o je súčet ich van der Waalsových polomerov) sa molekuly vody vytlačia a príspevok k voľnému energia sa rovná nule. Na druhej strane, ak priblížime jeden atóm k druhému, potom vytlačí určitý počet molekúl rozpúšťadla, úmerný objemu tohto atómu U, ale ak sa vzdialenosť zmenší ako d r0, potom množstvo vytlačeného rozpúšťadla sa prakticky nezvýši. Tento druh uvažovania viedol Gibsona a Sheraga k hľadaniu analytických výrazov pre energiu hydratácie.
Na základe predpokladu, že častice tuhej fázy sú pokryté monomolekulárnou vrstvou vody, sa určí množstvo adsorpčne viazanej vody. Hrúbka monomolekulárnej vrstvy sa musí rovnať priemeru molekuly vody (h 2 76 10 - 8 cm), pretože každý atóm kyslíka je štvorstenne obklopený štyrmi ďalšími atómami kyslíka vo vzdialenosti 2 76 A.
Pre kovy s atómovým priemerom 2 76 A je prepätie vodíka najmenšie a prepätie kyslíka najväčšie. Hodnota 2 76 A sa zhoduje s priemerom molekuly vody. Najhustejšie vyplnenie povrchu elektródy vodnými dipólmi zvyšuje potenciálový gradient vo vrstve blízkej elektróde.
Molekulárna vrstva vody je najpevnejšie viazaná na pevnú fázu pôdy. Hrúbka polymolekulovej adsorpčnej vrstvy môže dosiahnuť niekoľko stoviek priemerov molekúl vody. Ako sa vzďaľujete od pevnej fázy, vodná väzba sa stáva menej silnou. Prvé rady molekúl tvoria pevne viazanú alebo hygroskopickú vodu. Čím je pôda rozptýlenejšia, tým viac vody bude sorbované. Hygroskopická voda dosahuje hustotu 1 4 g/cm3, neobsahuje rozpustené látky a nie je schopná vodivosti elektriny a pohybovať sa v pôde. Množstvo vody, ktoré môže pôda alebo pôda zadržať pri danej teplote a vlhkosti vzduchu, určuje hygroskopickú vlhkosť pôdy.

Údaje o závislosti intenzity rozptylu [röntgenových lúčov vo vode od uhla medzi rozptýleným žiarením a dopadajúcim zväzkom lúčov umožnili ukázať, že v bezprostrednom prostredí každej molekuly vody v kvapaline sú v priemere 4 4 - 4 8 molekúl vody, čo je vo všeobecnosti v súlade s tým, čo už uviedla myšlienka Bernala a Fowlera o štvorstennej štruktúre vody vo veľmi blízkych vzdialenostiach, aj keď trochu skreslená v porovnaní s kryštalickou štruktúrou ľadu. Táto štruktúra stále existuje vo vzdialenosti približne 1 6 priemeru molekuly vody od molekuly, ktorá je považovaná za centrálnu, ale už vo vzdialenosti 0 8 nm usporiadanie kvapalnej štruktúry prakticky zaniká. Sila vodíkových väzieb v kvapalnej vode je menšia ako v ľadovom kryštáli a tieto väzby sa môžu ohýbať a naťahovať pomerne výrazne bez toho, aby sa zlomili, keď sa jedna molekula otáča vzhľadom na druhú, ktorá sa podieľa na vodíkovej väzbe.
Údaje o závislosti intenzity rozptylu röntgenového žiarenia vo vode od uhla medzi rozptýleným žiarením a dopadajúcim zväzkom lúčov umožnili ukázať, že v bezprostrednom prostredí každej molekuly vody v kvapaline sú v priemere 4 4 - 4 8 molekúl vody, čo je vo všeobecnosti v súlade s tým, čo už uviedla myšlienka Bernala a Fowlera o štvorstennej štruktúre vody vo veľmi blízkych vzdialenostiach, aj keď trochu skreslená v porovnaní s kryštalickou štruktúrou ľadu. Táto štruktúra stále existuje vo vzdialenosti približne 1 6 priemeru molekuly vody od molekuly, ktorá je považovaná za centrálnu, ale už vo vzdialenosti 0 8 nm usporiadanie kvapalnej štruktúry prakticky zaniká. Sila vodíkových väzieb v kvapalnej vode je menšia ako v ľadovom kryštáli a tieto väzby sa môžu ohýbať a naťahovať pomerne výrazne bez toho, aby sa zlomili, keď sa jedna molekula otáča vzhľadom na druhú, ktorá sa podieľa na vodíkovej väzbe.
Bornova rovnica (IV.25), ktorá nezohľadňuje interakciu donor-akceptor iónu s rozpúšťadlom, dáva pri výpočte celkovej hydratačnej energie nepresný výsledok, ale je celkom vhodná na výpočet energie sekundárnej hydratácie. . Na výpočet DO by sme mali nahradiť polomer hydrátového komplexu do rovnice (IV.25), ktorá je súčtom polomeru iónu a priemeru molekuly vody, Nay.
Hrúbka hygroskopickej vodnej vrstvy nebola presne stanovená. Väčšina výskumníkov považuje túto vrstvu za polymolekulárnu, takže podľa B. V. Deryagina je jej hrúbka 23 - 27 priemerov molekúl vody.
A; pri jeho zvyšovaní alebo znižovaní sa prepätie prirodzene zvyšuje. Chomutov vo svojich ďalších prácach upozornil na skutočnosť, že medziatómová vzdialenosť, pri ktorej je prepätie minimálne, je blízka priemeru molekuly vody a navrhol modelovú metódu na výpočet koeficientu b v Havlovom vzorci.
Tetra adsorpčná izoterma - MI9PVOD9b S energiou blízkou metylbenzénsulfonátu sodného kJ/mol. Hodnota z vodných roztokov pri teplote druhej presahuje pokles o 25 stupňov C na aerosíli. molárnej voľnej energie. Dĺžka uhľovodíkového radikálu tohto iónu je 18 1 A, priemer polárnej skupiny vo vodnom roztoku pri C9 KKMH je 8 88 A a priemer molekuly vody je 3 1 A.
Štruktúru dvojitej elektrickej vrstvy na rozhraní kov-roztok prvýkrát opísal ruský vedec R. A. Kolli v roku 1878. Podľa jeho predstáv je dvojitá vrstva podobná plochému kondenzátoru, ktorého dosky sú umiestnené vo vzdialenosti priemer molekuly vody. Vonkajšia výstelka je tvorená vrstvou adsorbovaných iónov. Ukázali, že tepelný pohyb vedie k desorpcii niektorých iónov z povrchu kovu (obr. 49) 1, ktoré tvoria difúznu (rozptýlenú) vrstvu. Ten je stlačený na určitú hrúbku elektrickým poľom nabitého kovu. Jeho hrúbka klesá so zvyšujúcim sa nábojom kovu a koncentráciou iónov v roztoku a zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou. Hrúbka adsorpčnej vrstvy sa rovná polomeru hydratovaného iónu. Difúzna vrstva chýba, ak kov nenesie nadbytočný elektrický náboj, ako aj v koncentrovaných roztokoch elektrolytov.
Fyzikálne vlastnosti hydrofilné vlákna, ako je vlna, vlasy, nylon, umelý hodváb, sú vysoko závislé od množstva adsorbovanej vody. Tieto zmeny vlastností vlákien sú spôsobené vysokou polarizovateľnosťou vody (a teda veľkými hodnotami indukovaného dipólového momentu), schopnosťou molekuly vody vytvárať relatívne silné vodíkové väzby a jej relatívne malou veľkosťou. - priemer molekuly vody je približne 2 7 A.
Plastové telo. Voda je navyše chemicky aktívna látka, ktorá podporuje tvorbu roztokov solí, kyselín, zásad a koloidných roztokov. Keďže priemer molekúl vody je 3 A, vlhkosť je schopná preniknúť cez mikropóry a mikrotrhlinky v ochranných materiáloch a filmoch.
Graf distribučnej funkcie. Úspech moderná veda v tejto oblasti je možné tvrdiť, že tak veľkosti, ako aj hmotnosti jednotlivých molekúl sú pevne stanovené. Ak si konvenčne predstavíme molekuly vo forme guľôčok, potom ich priemery budú vo väčšine prípadov niekoľko angstromov. Napríklad priemer molekuly vody (H2O) je 2 6 - 10 - 10 m 2 6 A.
Najdôležitejšie zo síl, ktoré určujú adsorpčnú energiu cementu, sú elektrostatické sily interakcie medzi iónmi povrchu častíc a vodnými dipólmi. Tieto sily majú malý akčný rádius, ktorý nepresahuje niekoľko angstromov. Vo vzdialenostiach od povrchu častíc väčších ako je priemer molekúl vody sú interakčné sily doplnené o polarizačné alebo disperzné van der Waalsove sily spôsobené okamžitými dipólmi vznikajúcimi v dôsledku pohybu elektrónov v molekule.
Ak sú sily vzájomného pôsobenia molekúl vody s materiálom väčšie ako sily vzájomného pôsobenia molekúl vody medzi sebou, potom voda takýto materiál dobre zmáča. Ak sú na povrchu materiálu štrukturálne defekty, ktoré sú porovnateľné s priemerom molekuly vody (0 29 nm), potom molekuly vody môžu prenikať do objemu materiálu a ak je tam pórovitosť (defekty) toho istého veľkosť v objeme materiálu, budú difundovať podľa mechanizmu aktivovanej difúzie podobne ako difúzne plyny Silikátové sklá sú schopné úplne voľne absorbovať vodnú paru, pretože veľkosť defektov v nich sa pohybuje od 0 7 do 1 7 nm.

Bornova rovnica (IV.25), ktorá nezohľadňuje interakciu donor-akceptor iónu s rozpúšťadlom, dáva pri výpočte celkovej hydratačnej energie nepresný výsledok, ale je celkom vhodná na výpočet energie sekundárnej hydratácie. . Na výpočet DO by sme mali nahradiť polomer hydrátového komplexu do rovnice (IV.25), ktorá je súčtom polomeru iónu a priemeru molekuly vody.
Schéma relatívneho usporiadania rovín zodpovedajúcich diskontinuitám v dielektrickej konštante (r 0 a r Aj), adsorpcii iónov (r r0 a najbližšej aproximácii neadsorbovaných iónov (r h. V dôsledku toho musia stredy všetkých adsorbovaných iónov ležia v rovnakej rovine (často nazývanej vnútorná Helmholtzova rovina) vo vzdialenosti z0 od povrchu elektródy.Na druhej strane ióny, ktoré sa neadsorbujú alebo ešte neboli adsorbované, sú pevne držané aspoň jedným obalom molekúl vody. Vzdialenosť ich najbližšieho priblíženia k povrchu, ktorá je označená hQ, by sa mala približne rovnať súčtu iónového polomeru a priemeru molekúl vody.
Kobozev (1947), ako aj Bockris (1951) stanovili vzťah medzi funkciou práce elektrónov a vodíkovým prepätím. Khomutov (1950), porovnávajúci veľkosť vodíkového prepätia s minimálna vzdialenosť medzi atómami v kovoch zistil, že najnižšie prepätie je pozorované na kovoch s medziatómovou vzdialenosťou; približne 27 A; pri jeho zvyšovaní alebo znižovaní sa prepätie prirodzene zvyšuje. Khomutov vo svojich ďalších prácach upozornil na skutočnosť, že medziatómová vzdialenosť, pri ktorej je prepätie minimálne, je blízka priemeru molekuly vody a navrhol modelovú metódu na výpočet koeficientu b v Tafelovom vzorci.
Khomutov (1950), porovnávajúc veľkosť vodíkového prepätia s minimálnou vzdialenosťou medzi atómami v kovoch, zistil, že najnižšie prepätie je pozorované na kovoch s medziatómovou vzdialenosťou blízkou 2 7 A; pri jeho zvyšovaní alebo znižovaní sa prepätie prirodzene zvyšuje. Vo svojich ďalších prácach upozornil na skutočnosť, že medziatómová vzdialenosť, pri ktorej je prepätie minimálne, je blízka priemeru molekuly vody a navrhol modelovú metódu výpočtu koeficientu b v Tafelovom vzorci.
Konečný výraz pre funkciu /(t) nie je daný kvôli jej ťažkopádnemu tvaru. Spýtaním sa rôzne významy ij, pomocou rovníc (23.14) a (23.15) je možné určiť zodpovedajúce hodnoty C a φ0 a tak zostrojiť krivku C, φ0. Pri výpočte sa predpokladalo, že KG je 20 μF/cm2, KT 38 μF/cm a priemerná hrúbka hustej vrstvy d sa rovná priemeru molekuly vody.
Konečný výraz pre funkciu /(tyi) nie je daný kvôli jej ťažkopádnemu tvaru. Zadaním rôznych hodnôt r pomocou rovníc (23.14) a (23.15) je možné určiť zodpovedajúce hodnoty C a φ0 a tak zostrojiť krivku C, φ0. Pri výpočte sa predpokladalo, že Ki0 2Q F / m2, / Cr0 38 f / m2 a priemerná hrúbka hustej vrstvy d sa rovná priemeru molekuly vody.

Je jasné, že takú malú časticu hmoty nebudeme môcť priamo zmerať. Urobíme experiment, z ktorého pomocou jednoduchých výpočtov určíme veľkosť molekúl. Na hladine vody ste, samozrejme, videli tenké farebné filmy tvorené ropnými produktmi (mazacie oleje, motorová nafta atď.). K farbeniu tenkých vrstiev dochádza v dôsledku prekrývania svetelných lúčov odrazených od horného a spodného povrchu filmu, čo je jav nazývaný interferencia svetla. Z rovnakého dôvodu sa mydlové bubliny trblietajú všetkými farbami dúhy.
Na hodinách fyziky budete študovať fenomén interferencie. A teraz nás zaujíma hrúbka fólie – napadlo vás niekedy, aká je tenká? Určenie hrúbky fólie je veľmi jednoduché: musíte rozdeliť jej objem podľa plochy povrchu. Dokonca aj starí námorníci si všimli, že ak sa rastlinný olej naleje na hladinu vody, rozšíri sa na veľmi veľkom mieste (v tom čase vznikol dosť zvláštny názor, že takto možno „upokojiť“ more počas búrky). Pravdepodobne prvým človekom, ktorý zmeral plochu olejovej škvrny na vode, bol vynikajúci americký vedec a diplomat Benjamin Franklin (1706-1790), ktorého obraz sa objavil na stodolárovej bankovke. Jeho najznámejším vynálezom je bleskozvod (alebo skôr bleskozvod). V roku 1774 Franklin odcestoval do Európy, aby vyriešil ďalší konflikt medzi Anglickom a Spojenými štátmi. Vo voľnom čase z rokovaní experimentoval s olejovými filmami na hladine vody. Na jeho prekvapenie jedna lyžica zeleninový olej rozložené po celej hladine malého jazierka. Ak do vody nalejete nerastlinný olej, ale neviskózny strojový olej, škvrna z neho nebude taká veľká: jedna kvapka vytvorí kruh s priemerom asi 20 cm. Plocha takejto fólie je približne 300 cm3, objem jednej kvapky je asi 0,03 cm3. Preto je hrúbka fólie 0,03 cm1 / 300 cm3 = 0,0001 cm = 0,001 mm - 1 mikrón. Tisíctina milimetra je veľmi malá hodnota, nie každý mikroskop dokáže vidieť časticu tejto veľkosti.
Máme však záruku, že sa molekuly strojového oleja rozložia po vode v jednej vrstve? Koniec koncov, iba v tomto prípade bude hrúbka filmu zodpovedať veľkosti molekúl. Takúto záruku nemáme a tu je dôvod. Molekuly, ktoré tvoria motorový olej, sa nazývajú hydrofóbne (v preklade z gréčtiny „hydrofóbne“ - „bojí sa vody“). „Priľnú“ k sebe celkom dobre, ale veľmi neochotne s molekulami vody. Ak sa látka podobná strojovému oleju naleje na povrch vody, vytvorí na nej pomerne silný (podľa molekulárnych štandardov) film pozostávajúci zo stoviek a dokonca tisícok molekulárnych vrstiev. Okrem toho, že takéto výpočty sú zaujímavé samy o sebe, majú veľký praktický význam. Dodnes sa napríklad nedá vyhnúť nehodám obrovských tankerov prevážajúcich ropu tisíce kilometrov od miesta jej produkcie. V dôsledku takejto nehody veľké množstvo olej, ktorý bude mať škodlivý vplyv na živé organizmy. Olej je viskóznejší ako motorový olej, takže jeho film na vodnej hladine môže byť o niečo hrubší. Pri jednej z nehôd tak vytieklo 120 000 ton ropy na ploche 500 km3. Ako ukazuje jednoduchý výpočet, priemerná hrúbka takejto fólie je 200 mikrónov. Hrúbka filmu závisí od typu oleja aj od teploty vody: v studených moriach, kde sa ropa stáva hrubšou, je film hrubší, v teplých moriach, kde sa olej stáva menej viskóznym, je film tenší. No v každom prípade nehoda veľkého tankera, keď do mora spadnú desaťtisíce ton ropy, je katastrofa. Koniec koncov, ak sa všetok rozliaty olej rozšíri v tenkej vrstve, vytvorí sa škvrna s obrovskou plochou a je mimoriadne ťažké odstrániť takýto film.
Je možné vyrobiť látku rozprestretú po vode tak, aby sa vytvorila iba jedna vrstva molekúl (takýto film sa nazýva monomolekulárny)? Ukazuje sa, že je to možné, ale namiesto strojového oleja alebo ropy musíte vziať inú látku. Molekuly takejto látky musia mať na jednom konci takzvanú hydrofilnú (t. j. „vodu milujúcu“) skupinu atómov a na druhom konci hydrofóbnu skupinu. Čo sa stane, ak sa látka pozostávajúca z takýchto molekúl umiestni na hladinu vody? Hydrofilná časť molekúl, ktorá sa snaží rozpustiť vo vode, vtiahne molekulu do vody, zatiaľ čo hydrofóbna časť, ktorá sa vody „bojí“, sa bude tvrdohlavo vyhýbať kontaktu s vodou. V dôsledku takéhoto vzájomného „nedorozumenia“ sa molekuly (ak sú mierne „stlačené“ zo strany pomocou dosky) zoradia na hladinu vody, ako je znázornené na obr. 3.1: ich hydrofilné konce sú zapustené do vody a ich hydrofóbne konce vyčnievajú.
\6666666666ы/
Ryža. 3.1. Takto sú molekuly povrchovo aktívnych látok orientované na hranici vody a vzduchu a tvoria „Langmuirovu palisádu“ – pomenovanú po americkom chemikovi a fyzikovi Irvingovi Langmuirovi (1881-1957), ktorý v roku 1916 vytvoril teóriu štruktúry takýchto vrstiev na povrch kvapalín
Látky, ktoré sa správajú týmto spôsobom, sa nazývajú povrchovo aktívne látky. Patria sem napríklad mydlo a iné čistiace prostriedky; kyselina olejová, ktorá je súčasťou slnečnicového oleja; palmitový alkohol, ktorý je súčasťou palmový olej a veľrybí olej. Šírenie takýchto látok po povrchu vody vytvára oveľa tenšie filmy ako strojový olej. Tento jav je známy už dlho, podobné experimenty sa robili už v 18. storočí. Ale až koncom 19. - začiatkom 20. storočia, v dôsledku experimentov, ktoré uskutočnil anglický fyzik John William Rayleigh (1842-1919), nemecký fyzik Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) a množstvo iným vedcom sa ukázalo, že hrúbka filmu môže dosiahnuť také malé veľkosti, ktoré sú porovnateľné s veľkosťami jednotlivých molekúl.
V jednom z týchto experimentov anglický chemik Neil Kensington Adam Väčšina molekúl a iónov nám známych látok má veľkosť rádovo 1 nm. Priemer molekúl vodíka je teda približne 0,2 nm, jód - 0,5 nm, etylalkohol - 0,4 nm; polomer hliníkových iónov je 0,06 nm, sodík - 0,10 nm, chlorid - 0,13 nm, chlór - 0,18 nm, jód - 0,22 nm. Ale medzi molekulami sú aj obri, ktorých veľkosti sú podľa molekulárnych štandardov skutočne astronomické. V jadrách buniek vyšších živočíchov a rastlín sa teda nachádzajú molekuly dedičnosti - deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Ich dĺžka môže presiahnuť 2 000 000 nm, teda 2 mm!
Na záver tejto časti krátky príbeh o dômyselnej (hoci nie najpresnejšej) metóde, ktorú v roku 1908 použil francúzsky vedec Jean Perrin na „váženie“ molekúl. Ako viete, hustota vzduchu klesá s výškou. Tiež v začiatkom XIX storočia vyvinul francúzsky vedec Pierre Laplace vzorec, ktorý umožňuje vypočítať tlak v rôznych nadmorských výškach. Podľa tohto vzorca klesá atmosférický tlak o polovicu na každých 6 km stúpania. Táto hodnota samozrejme závisí od gravitačnej sily, ako aj od hmotnosti molekúl vzduchu. Ak by sa vzduch neskladal z dusíka a kyslíka, ale z veľmi ľahkých molekúl vodíka (sú 16-krát ľahšie ako molekuly kyslíka), potom pád atmosferický tlak dvakrát vyššia by bola pozorovaná vo výške nie 6 km, ale približne 16-krát viac, t. j. asi 100 km. Naopak, ak by boli molekuly veľmi ťažké, atmosféra by bola „pritlačená“ k povrchu Zeme a tlak by s výškou rýchlo klesal.
Zdôvodnenie týmto spôsobom. Namiesto molekúl sa Perrin rozhodol použiť drobné guľôčky farbiva gummigut suspendované vo vode. Pokúsil sa pripraviť suspenziu (emulziu) s guľôčkami rovnakej veľkosti - asi 1 mikrón v priemere. Potom umiestnil kvapku emulzie pod mikroskop a zvislým pohybom skrutky mikroskopu spočítal počet guľôčok ďasien v rôznych výškach. Ukázalo sa, že Laplaceov vzorec je celkom použiteľný pre emulzie: na každých 6 µm nárastu sa počet guličiek v zornom poli znížil o polovicu. Keďže 6 km je presne miliarda krát väčšia ako 6 mikrónov, Perrin dospel k záveru, že molekuly kyslíka a dusíka sú rovnako mnohokrát ľahšie ako gumové guľôčky (a ich hmotnosť sa už dá určiť experimentálne).