第七章 分子动理论.docx

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1、第七章分子动理论热学这一门科学起源于人类对于热与冷现象的本质的追求……（这）可能是人类最初对自然法则的追求之一。——王竹溪王竹溪（1911-1983），中国物理学家，中国科学院学部委员（现称院士），北京大学教授。暮春时节，金黄的油菜花铺满了原野。微风拂过，飘来阵阵花香。你有没有想过，为什么能够闻到这沁人心脾的香味呢？古希腊学者德谟克利特早就对此做出了解释，他认为这是由于花的原子飘到了人们鼻子里。德谟克利特认为“只有原子和虚空是真实的”。古人的原子论仅限于思辨的范畴，没有尝试做出实验验证。随着科技的发展，特别是显微镜

2、的发明，人们对微观世界的观察越来越深入，原子论的观点也逐渐为人们所接受。到了1982年，科学家制成了扫描隧道显微镜，使人类第一次实际观察到原子的排列。第七章1物体是由大量分子组成的我们在初中已经学过，物体是由大量分子组成的在研究物质的化学性质时，我们认为组成物质的微粒是分子、原子或者离子。但是，在热学中，我们研究的是它们运动的规律，不必区分它们在化学变化中所起的不同作用，因此，本书把它们统称为分子。。一个1μm大小的水珠，尺寸与细菌差不多，其中分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍！我们可以通过什么途径知道分子

3、的大小呢？实验用油膜法估测分子的大小5/51．怎样估算油酸分子的大小？把很小的1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一块油酸薄膜，薄膜是由单层的油酸分子组成的油酸的分子式为C17H33COOH，它的一部分是羧基-COOH，对水有很强的亲合力；另一部分C17H33-对水没有亲合力而要冒出水面。因此油酸分子会一个个地直立在水面上形成单分子油膜。。尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，但在估测其大小的数量级时，可以把它简化为球形，示意图如图7.1-1所示。测出油膜的厚度d，就是油酸分子的直径。图7.1-1水面上单分子油膜的示意图分

4、子并不是球形的，但这里把它们当做球形处理，是一种估算的方法。估算在物理学的学习和研究中都是很有用的。油膜的厚度等于这一小滴油酸的体积与它在水面上摊开的面积之比。因此，要估测油酸分子的直径，就要解决两个问题：一是获得很小的一小滴油酸并测出其体积，二是测量这滴油酸在水面上形成的油膜面积。2．如何获得很小的1滴油酸？怎样测量它的体积？请老师配制一定浓度的油酸酒精溶液，例如可以向1mL油酸中加酒精，直至总量达到500mL。各实验小组用注射器吸取这样的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，记下液滴的总滴数和它们的总体积，

5、这样便知道1滴溶液的体积了。例如，100滴溶液的体积是1mL，1滴体积就是10-2mL。根据上面的数据可以计算出1滴溶液中所含纯油酸的体积。例如，上述例子中1滴溶液含纯油酸2×10-5mL。如果把1滴这样的溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，液面上的油膜便是这滴溶液中的纯油酸形成的。3．如何测量油膜的面积？实验中的油酸薄膜是无色透明的，怎样才能看清它？先往边长30~40cm的浅盘里倒入约2cm深的水，然后将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上。用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散开，形成一块薄

6、膜，薄膜上没有痱子粉，可以清楚地看出它的轮廓，如图7.1-2。5/5图7.1-2水面上形成一块油膜待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下油酸膜的形状。将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个。把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积。这样，根据1滴油酸的体积V和油膜面积S就可以算出油膜厚度d＝，即油酸分子的大小。分子的大小把分子看做小球，这是分子的简化模型。实际上，分子有着复杂的内部结构，并不是小球。我们通常说分子的直

7、径有多大，只是对分子大小的一种粗略描述。知道了分子尺度的数量级，能使我们了解分子是多么微小。油酸分子大小的数量级是10-10m。测定分子大小的方法有许多种。尽管用不同方法测量的结果有差异，但数量级是一致的。测量结果表明，除了一些有机物质的大分子外，多数分子尺寸的数量级为10-10m。分子如此微小，不但用肉眼无法直接看到它们，就是用高倍的光学显微镜也看不到。直至1982年，人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜由于发明了扫描隧道显微镜，德国物理学家宾尼希（G．Binnig）和瑞士物理学家罗雷尔（H．Rohrer）共同

8、获得1986年诺贝尔物理学奖。，才观察到物质表面原子的排列，使人类第一次实际看到单个原子。图7.1-3是我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子，图中每个亮斑都是一个碳原子。5/5图7.1-3用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子照片阿伏加德罗常数我们在化学课中学过，1mol的任何物质都含有相同的粒子数，这个数量用阿伏加德罗常数（Avogadroconsta