Молекулярно-кинетическая теория основывается на положении, что все вещества состоят из мельчайших неделимых частиц — молекул. Важнейшим вопросом при этом является вопрос о размерах и массе одной молекулы. Кратко познакомимся с этой темой.
Первыми косвенными доказательствами существования молекул являются распространение запахов веществ и явление постепенного смешивания жидкостей.
Более серьезным доказательством молекул является закон постоянных отношений Д. Дальтона, согласно которому отношение масс веществ, участвующих в химических реакциях, всегда имеет постоянные целые пропорции. Это возможно лишь только если допустить, что молекулы всех веществ состоят из определенного целого числа атомов.
Наконец, еще одним доказательством небесконечности делимости веществ является конечное растекание масла по поверхности воды. Если бы вещество делилось неограниченно, капля масла бы всегда растекалась на всю возможную поверхность. А реально такому растеканию есть предел.
Размеры молекул
Из последнего опыта можно оценить средний размер молекулы масла. Исходя из того, что масло перестает растекаться тогда, когда его слой имеет толщину в одну молекулу, и зная объем капли, по площади растекания можно оценить толщину слоя, а значит, и размер молекулы.
Расчеты дают величины порядка $1…3×10^{-9}м$.
Более точно размер молекул был определен в опыте Ж. Перрена, использующем параметры броуновского движения в 1908 г. Одновременно в этом опыте была определено значение важной физической константы — постоянной Авогадро, то есть количества молекул, содержащихся в одном моле вещества.
Наконец, с изобретением электронного микроскопа стало возможным оценить размеры молекул разных веществ непосредственно. Электронный микроскоп обладает увеличением до $10^8$ раз, поэтому он может различить молекулы и даже отдельные атомы. Например, размер молекулы воды оказался равен примерно $3×10^{-10}$м, и она имеет структуру равнобедренного треугольника с углом в вершине (атоме кислорода) 105⁰.
Наименьшие размеры имеют одноатомные молекулы инертных газов. Например, размер молекулы (фактически, одного атома) гелия составляет около $3×10^{-11}$м. Наибольшие размеры имеют молекулы биополимеров: белков и ДНК. Например, молекула ДНК человека представляет собой «клубок», свернутый в несколько «уровней упаковки» и состоящий из спиралевидной нити толщиной $2×10^{-9}$м и длиной несколько сантиметров.
Масса молекул
После того, как в опыте Ж. Перрена было получено значение числа Авогадро (оно равно $6.02×10^{23}$), стало возможным использовать его для определения массы молекулы любого вещества. Она равна отношению молярной массы к числу Авогадро. Например, зная, что молярная масса воды равна $1.8×10^{-2}$ кг, можно вычислить, что масса молекулы воды составляет $3×10^{-26}$ кг.
Молярная масса определялась, исходя из веса веществ химических реакций, с учетом закона постоянных отношений Д. Дальтона.
Что мы узнали?
Размеры молекул начинаются от долей нанометров. Наименьшие размеры у простых молекул, наибольшие — у биополимеров. Впервые достаточно точные цифры были получены в опыте Ж. Перрена в 1908 г. Одновременно было определено значение постоянной Авогадро. По этим же данным стало возможным оценить и массы молекул.
