ГЛАВА 4. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ КЛАСС О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Решение задач по данной теме должно помогать формированию у учащихся первоначальных понятий о молекулярном строении веществ.
В задачах необходимо рассмотреть прежде всего такие факты, научное объяснение которых неизбежно приводит к представлениям о том, что тела состоят из мельчайших частиц - молекул.
Далее следует решить ряд задач, дающих понятие о размерах молекул, а также их свойствах, движении и взаимодействии. Из-за недостаточной математической подготовки учащихся большинство задач должны быть качественными.
Значительное внимание необходимо уделить также экспериментальным задачам. Несложные экспериментальные задачи учащиеся могут выполнять и в домашних условиях.
Полученные сведения о молекулярном строении веществ затем используют для объяснения различия между твердым, жидким и газообразным состояниями вещества.
1. Существование молекул. Размеры молекул
Первоначальное понятие о молекулах и их размерах полезно уточнить и углубить с помощью задач, в которых даны фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа.
Решение задач, показывающих сложное строение молекул, необязательно. Но в ознакомительном плане, особенно в сильных по успеваемости классах, можно рассмотреть 2-3 задачи, показывающие, что молекулы сложных веществ состоят из более мелких частиц - атомов.
Наряду с качественными можно дать задачи на несложные расчеты абсолютных и относительных размеров молекул.
43. На рисунке 11 показана фотография частицы твердого тела, полученная с помощью электронного микроскопа. Какой
Рис. 11. (см. скан)
вывод можно сделать на основе этой фотографии о строении твердого тела? Пользуясь указанным на фотографии масштабом, определите размер одной частички - молекулы.
Решение. Внимание обращают на то, что все молекулы одинаковы, расположены в твердом теле в определенном порядке и имеюг такую плотную упаковку, что между ними остаются только незначительные промежутки.
Для определения диаметра молекул подсчитывают их число (50) на указанном расстоянии 0,00017 см, и, вычисляя, находят, что диаметр молекулы равен примерно 0,000003 см.
Нужно сказать учащимся, что это гигантская молекула. Молекула воды, например, имеет поперечник примерно в сто раз меньше.
44. Оптический микроскоп позволяет различить объекты размером около 0,00003 см. Можно ли в такой микроскоп увидеть капельку воды, по диаметру которой укладывается сто, тысяча, миллион молекул? Диаметр молекулы воды равен примерно
Следовательно, в оптический микроскоп можно увидеть только такую капельку воды, диаметр которой не менее чем в 1000 раз больше диаметра молекулы воды. Сами же молекулы воды нельзя увидеть в оптический микроскоп.
45. Число молекул в воздуха при нормальном давлении и 0°С составляет . Считая, что диаметр одной молекулы газа равен примерно 0,00000003 см, подсчитайте, какой длины получились бы «бусы», если бы все эти молекулы можно было плотно нанизать на невидимую нить.
Ответ. 8 млн. км.
46 (э). Опустите в воду вверх дном две пробирки и поместите в них оголенные провода, присоединенные к полюсам батарейки Пронаблюдайте за пузырьками газов и исследуйте их состав с помощью тлеющей лучинки. Откуда появились газы?
Решение. По яркому горению лучинки в одной пробирке и вспышке в другой заключают, что в одной пробирке находился кислород, а в другой - водород.
Поясняют, что газы появились при разложении молекулы воды. Следовательно, свойства молекулы при ее делении на более мелкие части не сохраняются. Учащимся можно сообщить, что вода разлагается на кислород и водород также при нагревании водяного пара до очень высокой температуры.
Молярная масса воды:
Если молекулы в жидкости упакованы плотно и каждая из них вписывается в куб объемом V 1 с ребром d , то .
Объем одной молекулы: ,где: V m одного моля, N A - число Авогадро.
Объем одного моля жидкости: , где: М- ее молярная масса, - плотность.
Диаметр молекулы:
Вычисляя, имеем: 
Относительная молекулярная масса алюминия Mr=27. Определить его основные молекулярные характеристики.
1.Молярная масса алюминия: M=Mr . 10 -3 M = 27 . 10 -3
Найти концентрацию молекул, гелия (М=4 . 10 -3 кг/моль) при нормальных условиях (р=10 5 Па, Т=273К), их среднеквадратичную скорость и плотность газа. С какой глубины в водоеме всплывает пузырек воздуха, если при этом его объем увеличивается в 2 раза?Мы не знаем, одинаковой ли остается температура воздуха в пузырьке. Если она одинакова, то процесс всплытия описывается уравнением pV=const . Если изменяется, то уравнением pV/T=const .
Оценим, большую ли ошибку мы допускаем, если пренебрегаем изменением температуры.
Предположим, что мы имеем максимально неблагоприятный результат.Пусть стоит очень жаркая погода и температура воды на поверхности водоема достигает +25 0 С(298 К). На дне температура не может быть ниже +4 0 С (277К), так как этой температуре соответствует максимальная плотность воды. Таким образом, разность температур составляет 21К. По отношению к начальной температуре, эта величина составляет %%.Вряд ли мы встретим такой водоем, перепад температур между поверхностью и дном которого равен названной величине. К тому же, пузырек всплывает достаточно быстро и вряд ли за время всплытия он успеет полностью прогреться. Таким образом, реальная ошибка будет существенно меньшей и мы вполне можем пренебречь изменением температуры воздуха в пузырьке и воспользоваться для описания процесса законом Бойля-Мариотта: p 1 V 1 =p 2 V 2 , где: p 1 - давление воздуха в пузырьке на глубине h (p 1 = p атм. + rgh), p 2 - давление воздуха в пузырьке вблизи поверхности. p 2 = p атм.
 |
(p атм + rgh)V =p атм 2V; ;
|
В перевернутом вверх дном стакане закупорен воздух. В задаче утверждается, что стакан начинает тонуть только на некоторой глубине. По всей видимости, если его отпустить на глубине меньшей некоторой критической глубины, он всплывет (предполагается, что стакан расположен строго вертикально и не опрокидывается).
Уровень, находясь выше которого стакан всплывает, а ниже которого тонет, характеризуется равенством сил, приложенных к стакану с разных сторон.
Силами, действующими на стакан в вертикальном направлении, являются сила тяжести, направленная вниз, и выталкивающая сила, направленная вверх.
Выталкивающая сила связана с плотностью жидкости, в которую помещен стакан, и объемом вытесненной им жидкости.
Сила тяжести, действующая на стакан, прямо пропорциональна его массе.
Из контекста задачи вытекает, что по мере погружения стакана, сила, направленная вверх, уменьшается. Уменьшение выталкивающей силы может происходить только за счет уменьшения объема вытесненной жидкости, так как жидкости практически несжимаемы и плотность воды у поверхности и на некоторой глубине одинакова.
Уменьшение объема вытесненной жидкости может происходить за счет сжатия воздуха в стакане, которое, в свою очередь, может идти за счет увеличения давления. Изменение температуры, по мере погружения стакана, можно не учитывать, если нас не интересует слишком высокая точность результата. Соответствующее обоснование приведено в предыдущем примере.
Связь давления газа и его объема при постоянной температуре выражается законом Бойля-Мариотта.
Давление жидкости действительно увеличивается с глубиной и передается во все стороны, в том числе и вверх, одинаково.
Гидростатическое давление прямо пропорционально плотности жидкости и ее высоте (глубине погружения).
Записав в качестве исходного уравнения уравнение, характеризующее состояние равновесия стакана, последовательно подставив в него найденные в ходе анализа задачи выражения и решив полученное уравнение относительно искомой глубины, приходим к тому, что для получения численного ответа нам необходимо знать значения плотности воды, атмосферного давления, массы стакана, его объема и ускорения свободного падения.
Все проведенные рассуждения можно отобразить следующим образом:
Поскольку в тексте задачи нет никаких данных, зададим их самостоятельно.
Дано:
Плотность воды r=10 3 кг/м 3 .
Атмосферное давление 10 5 Па.
Объем стакана 200 мл = 2 00 . 10 -3 л = 2 . 10 -4 м 3 .
Масса стакана 50 г = 5 . 10 -2 кг.
Ускорение свободного падения g = 10 м/с 2 .
Численное решение:
|
Задача о подъеме воздушного шара так же, как и задача о тонущем стакане, может быть отнесена к классу статических задач.
Шар начнет подниматься так же, как и стакан тонуть, как только нарушится равенство сил, приложенных к этим телам и направленных вверх и вниз. На шар, так же, как и на стакан, действуют сила тяжести, направленная вниз и выталкивающая сила, направленная вверх.
Выталкивающая сила связана с плотностью холодного воздуха, окружающего шар. Эта плотность может быть найдена из уравнения Менделеева-Клапейрона.
Сила тяжести прямо пропорциональна массе шара. Масса шара, в свою очередь, складывается из массы оболочки и массы горячего воздуха, находящегося внутри него. Масса горячего воздуха также может быть найдена из уравнения Менделеева-Клапейрона.
Схематически рассуждения могут быть отображены следующим образом:
Из уравнения можно выразить искомую величину, оценить возможные значения необходимых для получения численного решения задачи величин, подставить эти величины в полученное уравнение и найти ответ в численном виде.
В замкнутом сосуде находится 200 г гелия. Газ совершает сложный процесс. Изменение его параметров отражено на графике зависимости объема от абсолютной температуры.1. Выразите массу газа в СИ.
2. Чему равна относительная молекулярная масса данного газа?
3. Чему равна молярная масса данного газа (в СИ)?
4. Чему равно количество вещества, содержащегося в сосуде?
5. Сколько молекул газа находится в сосуде?
6. Чему равна масса одной молекулы данного газа?
7. Назовите процессы на участках 1-2, 2-3, 3-1.
8. Определите объем газа в точках 1,2, 3, 4 в мл, л, м 3 .
9. Определите температуру газа в точках 1,2, 3, 4 в 0 С, К.
10. Определите давление газа в точках 1, 2, 3, 4 в мм. рт. ст. , атм, Па.
11. Изобразите данный процесс на графике зависимости давления от абсолютной температуры.
12. Изобразите данный процесс на графике зависимости давления от объема.
Указания к решению:
1. См. условие.
2. Относительная молекулярная масса элемента определяется с помощью таблицы Менделеева.
3. M=M r ·10 -3 кг/моль.
7. p =const - изобарический; V =const-изохорический; T =const - изотермический.
8. 1 м 3 = 10 3 л; 1 л = 10 3 мл. 9.T = t + 273. 10. 1 атм. = 10 5 Па = 760 мм.рт. ст.
8-10. Можно воспользоваться уравнением Менделеева-Клапейрона, либо газовыми законами Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.
Ответы к задаче
| m = 0,2 кг | |||||||
| M r = 4 | |||||||
| M = 4 · 10 -3 кг/моль | |||||||
| n = 50 моль | |||||||
| N = 3 · 10 25 | |||||||
| m =6,7 · 10 -27 кг | |||||||
| 1 - 2 - изобарический | |||||||
| 2 - 3 - изохорический | |||||||
| 3 - 1 - изотермический | |||||||
| № | мл | л | м 3 | ||||
| 2 · 10 5 | 0,2 | ||||||
| 7 · 10 5 | 0,7 | ||||||
| 7 · 10 5 | 0,7 | ||||||
| 4 · 10 5 | 0,4 | ||||||
| № | 0 С | К | |||||
| № | мм.рт.ст. | атм | Па | ||||
| 7,6 · 10 3 | 10 6 | ||||||
| 7,6 · 10 3 | 10 6 | ||||||
| 2,28 · 10 3 | 0,3 · 10 6 | ||||||
| 3,8 · 10 3 | 0,5 · 10 6 | ||||||
 |
 |
||||||
И подраздела , в которой в общих чертах рассмотрели современные способы фильтрации, основанные на принципе сита. И намекнули, что мембранные очистители очищают воду с различным качеством, которое зависит от размера "ячеек", которые называются поры, в этих мембранах-ситах. Соответственно, микрофильтрация воды — это первая технология из мембранных систем очистки воды, которую мы рассмотрим.
Микрофильтрация воды — очистка воды на уровне крупных молекул (макромолекул), таких как частицы асбеста, краска, угольная пыль, цисты простейших, бактерии, ржавчина. Тогда как макрофильтрация ( воды) затрагивает песок, крупные частицы ила, крупные частицы ржавчины и т.д.
Можно ориентировочно сказать, что размеры частиц, которые отсеивает макрофильтрация — это частицы крупнее 1 микрометра (если используется специальный одномикронный картридж). Тогда как размер частиц, которые удаляет микрофильтрация — это частицы от 1 микрона до 0,1 микрона .
Вы можете задать вопрос: "Но если удаляются частицы до 0,1 микрона, то разве частицы размером в 100 микрон не смогут быть задержаны с помощью микрофильтрации? Зачем писать "от 1 микрона до 0,1 микрона" — это же противоречие?"
На самом деле особого противоречия нет. Действительно, микрофильтрация воды удалит как бактерий, так и огромные куски песка. Но цель микрофильтрации — это не удаление крупных кусков песка. Цель микрофильтрации — как "удалить частицы в указанном диапазоне размеров". Тогда как бо льшие частицы просто забьют очиститель и приведут к дополнительным затратам.
Итак, переходим к характеристике микрофильтрации воды.
Поскольку при микрофильтрации удаляются частицы размерами 0,1-1 микрон, то можно сказать, что микрофильтрация — это мембранная технология очистки воды, которая происходит на мембранах-ситах с диаметром ячеек-пор 0,1-1 микрон. То есть, на таких мембранах удаляются все вещества, которые больше 0,5-1 мкм:
То, насколько полно они удаляются, зависит от диаметра пор и действительного размера, скажем, бактерий. Так, если бактерия длинная, но тонкая, то она с лёгкостью пролезет через поры микрофильтрационной мембраны. А более толстая сферическая бактерия останется на поверхности "сита".
Чаще всего микрофильтрация применяется в пищевой промышленности (для обезжиривания молока, концентрирования соков) и в медицине (для первичной подготовки лекарственного сырья). Также микрофильтрация используется в промышленной очистке питьевой воды — преимущественно в западных странах (например, в Париже). Хотя ходят слухи, что одна из водоочистных станций в Москве также использует технологию микрофильтрации. Возможно, это правда 🙂
Но также существуют и бытовые фильтры на основе микрофильтрации.
Наиболее распространённый пример — трековые микрофильтрационные мембраны . Трековые от слова "трек", то есть след, и это название связано с тем, как мембраны данного типа изготавливаются. Процедура очень проста:
- Полимерная плёнка бомбардируется частицами, которые за счёт своей собственной большой энергии прожигают в плёнке следы — углубления примерно одинакового размера, поскольку частицы, которыми бомбардируется поверхность, имеют одинаковый размер.
- Затем эта полимерная плёнка протравливается в растворе, например, кислоты, чтобы следы от ударов частиц стали сквозными.
- Ну а потом простая процедура сушки и фиксации полимерной плёнки на подложке — и всё, трековая микрофильтрационная мембрана готова!
В результате эти мембраны отличаются фиксированным диаметром пор и незначительной пористостью по сравнению с другими мембранными системами очистки воды. И вывод: на данных мембранах будут удаляться частицы только под определённый размер.
Также существует более навороченый вариант микрофильтрационных бытовых мембран — микрофильтрационные мембраны с напылением из активированного угля . То есть, в перечисленные выше шаги входит ещё один шаг — нанесение тонкого слоя из . На этих мембранах удаляются не только бактерии и механические примеси, но и
- запах,
- органические вещества,
- и т.д.
Нужно учитывать, что для микрофильтрационных мембран есть опасность . Так, бактерии, которые не прошли через мембрану, начинают жить на этой мембране и выдавать продукты своей жизнедеятельности в очищенную воду. То есть, возникает вторичное отравление воды . Для того, чтобы избежать этого, необходимо следовать инструкциям производителя по регулярной дезинфекции мембран.
Вторая опасность — это то, что бактерии начнут самостоятельно есть эти мембраны . И сделают в них огромные дырки, которые будут пропускать те вещества, которые мембрана должна задерживать. Чтобы этого не происходило, следует приобретать фильтры на основе устойчивого к бактериям вещества (например, керамические микрофильтрационные мембраны) или же быть готовым к частым заменам микрофильтрационных мембран.
Частая замена микрофильтрационных мембран подстёгивается так же тем, что они не оборудованы механизмом промывок . И поры мембраны попросту забиваются грязью. Мембраны выходят из строя.
В принципе, про микрофильтрацию всё. Микрофильтрация — достаточно качественный способ очистки воды. Однако,
Действительное назначение микрофильтрации — не подготовка воды для питья (в связи с опасностью бактериального загрязнения), а предварительная подготовка воды перед следующими стадиями.
Этап микрофильтрации снимает с последующих стадий водоочистки большую часть нагрузки.
По материалам Как выбрать фильтр для воды : http://voda.blox.ua/2008/07/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-22.html
«Физика - 10 класс»
Какие физические объекты (системы) изучает молекулярная физика?
Как различить механические и тепловые явления?
В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения:
1) вещество состоит из частиц;
2) эти частицы беспорядочно движутся;
3) частицы взаимодействуют друг с другом.
Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов.
Свойства и поведение всех без исключения тел определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц: молекул, атомов или ещё более малых образований - элементарных частиц.
Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в существовании молекул надо определить их размеры. Проще всего это сделать, наблюдая расплывание капельки масла, например оливкового, по поверхности воды. Масло никогда не займёт всю поверхность, если мы возьмём достаточно широкий сосуд (рис. 8.1). Нельзя заставить капельку объёмом 1 мм 2 расплыться так, чтобы она заняла площадь поверхности более 0,6 м 2 . Предположим, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу - «мономолекулярный слой». Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла.
Объём V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т. е. V = Sd. Следовательно, линейный размер молекулы оливкового масла равен:
Современные приборы позволяют увидеть и даже измерить отдельные атомы и молекулы. На рисунке 8.2 показана микрофотография поверхности кремниевой пластины, где бугорки - это отдельные атомы кремния. Подобные изображения впервые научились получать в 1981 г. с помощью сложных туннельных микроскопов.
Размеры молекул, в том числе и оливкового масла, больше размеров атомов. Диаметр любого атома примерно равен 10 -8 см. Эти размеры так малы, что их трудно себе представить. В таких случаях прибегают к помощи сравнений.
Вот одно из них. Если пальцы сжать в кулак и увеличить его до размеров земного шара, то атом при том же увеличении станет размером с кулак.
Число молекул.
При очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Подсчитаем примерное число молекул в капле воды массой 1 г и, следовательно, объёмом 1 см 3 .
Диаметр молекулы воды равен примерно 3 10 -8 см. Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объём (3 10 -8 см) 3 , можно найти число молекул в капле, разделив объём капли (1 см 3) на объём, приходящийся на одну молекулу:
Масса молекул.
Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Мы вычислили что в 1 г воды содержится 3,7 10 22 молекул. Следовательно, масса одной молекулы воды (Н 2 0) равна:
Массу такого же порядка имеют молекулы других веществ, исключая огромные молекулы органических веществ; например, белки имеют массу, в сотни тысяч раз большую, чем масса отдельных атомов. Но всё равно их массы в макроскопических масштабах (граммах и килограммах) чрезвычайно малы.
Относительная молекулярная масса.
Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчётах не абсолютные значения масс, а относительные.
По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с массы атома углерода (так называемая углеродная шкала атомных масс).
Относительной молекулярной (или атомной) массой М r вещества называют отношение массы m 0 молекулы (или атома) данного вещества к массы атома углерода:
Относительные атомные массы всех химических элементов точ- но измерены. Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы вещества, можно вычислить относительную молекулярную массу вещества. Например, относительная молекулярная масса углекислого газа СO 2 приближённо равна 44, так как относительная атомная масса углерода практически равна 12, а кислорода примерно 16: 12 + 2 16 = 44.
Сравнение атомов и молекул с массы атома углерода было принято в 1961 г. Главная причина такого выбора состоит в том, что углерод входит в огромное число различных химических соединений. Множитель введён для того, чтобы относительные массы атомов были близки к целым числам.
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).
