Тепловое расширение с точки зрения мкт

С точки зрения молекулярно-кинетической теории тепловое расширение конденсированных сред может быть обусловлено только изменением среднего расстояния между структурными микрочастицами (молекулами, атомами, ионами). В свою очередь среднее расстояние между структурными микрочастицами определяется особенностями их взаимодействия и характером хаотического колебательного движения.

Взаимодействие между структурными микрочастицами конденсированной среды всегда имеет две составляющие: притяжение и отталкивание. Разноименные заряды притягиваются (электроны электронной оболочки одной микрочастицы притягиваются к ядру другой и наоборот), а одноименные – отталкиваются (взаимодействие электронных оболочек друг с другом и ядер друг с другом). Итоговое описание взаимодействия двух микрочастиц может быть представлено:

,

Где: r — расстояние между микрочастицами;

А, В, и m — некоторые константы, характерные для типа связи данной конденсированной среды.

а = nА; в = mВ. Первое слагаемое в выражениях (1) и (2) соответствует проявлению сил притяжения, стремящихся уменьшить “r”между частицами ( и противонаправлены); второе – силам отталкивания, сонаправленным с “r”.

Показатели степени “m” и “n” всегда положительные, больше единицы и m > n.

Для ковалентного типа связи атомов в молекуле m = 8, n = 6; (например, в молекулах N₂, H₂, O₂) для полярного взаимодействия m = 6¸8, n = 1 (например, в молекулах NaCl, LiF).

Взаимодействие структурных микрочастиц (молекул, атомов, ионов) в конденсированных средах осуществляется, реализуя такие виды связи:

3) дипольное взаимодействие молекул с собственными дипольными моментами (например, у молекул воды – Н₂О), взаимодействие молекул с диполями, появляющимися при движении валентных электронов электронной оболочки. Это взаимодействие еще называют молекулярным или ван-дер-ваальсовским (например: между молекулами “сухого льда” – СО₂в жидком итвердом азоте, кислороде, водороде);

4) металлический тип связи между положительными ионами жидкости или твердого тела, осуществляемый свободными электронами (рис.1).

Так проявляется эффект притяжения;

5) водородный тип связи, характерный для водородосодержащих молекул.

В реальных конденсированных средах, как правило, реализуется смешанный тип связи, при котором реализуется несколько механизмов взаимодействия структурных микрочастиц. Для описания такого взаимодействия обычно пользуются приближением Леннарта-Джонса с показателями: n = 6, m =8.

Графически эти функциональные зависимости можно достаточно просто представить, если начало системы отсчета связать с центром одной из взаимодействующих молекул (в дальнейшем эта молекула обозначена цифрой 1).

Воспользуемся графической и аналитической зависимостями Е_вз(r) для объяснения теплового расширения конденсированных сред. С этой целью введем дополнительную систему координат, связанную с минимумом потенциальной энергии взаимодействия (рис.3). Учтем при этом и то важное обстоятельство, что частицы среды в основном осуществляют колебательное хаотическое движение.

В выбранной системе отсчета Е_кхд(r ’ ) изоэнергетические состояния колеблющейся частицы будут изображаться линиями параллельными осям координат r ’ и r. В классическом приближении по теореме Л. Больцмана средняя энергия на одну степень свободы колебательного хаотического движения:

.

При Е₁ пределы колебания будут от r_1;min до r_1;max ( Причем смещение вправо от всегда будет несколько больше (колебания асимметричны в асимметричной “потенциальной яме”). Большему амплитудному смещению на удавление микрочастиц будет соответствовать и большее время пребывания частицы в этих состояниях, чем в состояниях на сближение.

Среднее расстояние между колеблющимися микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) будет определяться интегралом:

t — время; Т_t — период колебаний. Очевидно, что при асимметричных колебаниях . Чем выше температура, тем больше энергия колебательного движения (Е₂>Е₁), возрастает и фактор асимметрии. Следовательно, с ростом температуры увеличивается , что и обуславливает тепловое расширение конденсированных сред. На рисунке эта зависимость изображена пунктирной линией.

*!! В дополнение к изложенному объяснению следует понять и такие важные обстоятельства:

1) При низких температурах (ТÞ0 К) асимметрия “потенциальной ямы” незначительна. А это значит, что при ТÞ0 К коэффициенты теплового расширения уменьшаются и в пределе становится равным 0. (Такой вывод находится в полном соответствии с IIIначалом термодинамики, описывающим свойства систем вблизи абсолютного нуля температур);

2) При колебаниях структурных микрочастиц, когда амплитудное смещение вправо становится больше, чем “r” соответствующее минимуму F_вз(r) (r»1,14 d) асимметрия колебаний резко начинает возрастать. В реальной практике это может соответствовать фазовому переходу “твердое тело-жидкость” (плавлению). У жидкостей коэффициент объемного расширения значительно больше и он растает с температурой.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

( МКТ это молекулярно-кинетическая теория)

Согласно МКТ, тепло — это сумма кинетических энергий движущихся атомов или молекул.

Если это так, то, что в таком случае тепловое излучение? Не будет открытием утверждение, что свет и тепловое излучение имеют одну и ту же природу (электромагнитную). Пример: разогрев металла до достаточно высокой температуры приводит к его свечению. По мере разогрева свечение плавно изменяет свой цвет от темно-красного, для недостаточно сильно нагретого тела, до ослепительно белого при высокой температуре. Ни для кого не секрет, что свет излучает электронная оболочка атома. Было бы логично предположить, что и тепловое излучение также порождается электронной оболочкой атома.

Попробуем проверить справедливость МКТ на примере. Из справочных данных – удельная теплоемкость ртути меньше удельной теплоемкости воды в 30 раз, а масса атома ртути больше, чем масса молекулы воды приблизительно в 10 раз. Но в 1 Кг ртути и атомов в 10 раз меньше, чем молекул в 1 Кг воды. Если следовать логике МКТ ( E = mv 2 /2), то теплоемкости обеих жидкостей должны быть примерно равны. Но ведь это не так! Попробуем, проанализировать сей парадокс. Возражения, что ртуть электропроводна, или что-то в этом роде не принимаются, так как в принципе должны приводить к увеличению теплоемкости ртути (затруднять колебания атомов, а не наоборот). Если предположить, что за накопление тепловой энергии ответственна электронная оболочка атома, то этот парадокс легко объясним. В 1Кг воды атомов приблизительно в 30 раз больше, чем в 1Кг ртути (молекула воды состоит из 3 атомов). Отсюда и такая разница в теплоемкости.

Мне могут возразить, что некорректно сравнивать ртуть и воду. Сравним пару металлов: литий и цезий (весьма близких по физическим и химическим свойствам). Результат сравнения тот же. Удельная теплоемкость лития в 15 раз больше удельной теплоемкости цезия, хотя масса атома лития почти в 20 раз меньше массы атома цезия. От людей, давно и серьезно занимающихся термодинамикой, приходится слышать возражения, что мол “Физики твердого тела” еще толком не существует и поэтому некорректно проверять справедливость МКТ на жидкостях и твердых телах, и что с газами все в порядке. Ну, что же, проверим МКТ и с этой стороны. Возьмем для сравнения один моль водорода и один моль азота. Теплоемкости одинаковых объемов обоих газов одинаковы, хотя масса азота в 14 раз больше. Этот парадокс пытаются объяснить различием средних скоростей молекул разной массы, но что это за механизм селективного действия, придающий различную скорость молекулам? Вразумительного ответа не получено.

Дальнейший анализ справочных данных теплоемкости (было проанализировано 102 химических элемента) лишь подтвердил вывод о том, что масса атома не влияет на количество тепловой энергии, запасенной телом, а зависит только от количества атомов, составляющих это тело.

Теплоемкость всех инертных газов от гелия до радона одинакова и составляет 20,79/Дж•Моль• K .

Теплоемкость таких веществ как графит, алмаз, бор оказалась значительно ниже ожидаемой (20-25 Дж/моль• K .

Так теплоемкость бора составляет 11,319 Дж/моль• K , графита 8,54 Дж/моль• K , алмаза 6,117 Дж/моль• K . В чем причина? В доступных мне справочных данных, теплоемкость этих веществ дана как одноатомных, но при обращении к другим источникам выяснилось, что молекула бора состоит из двух атомов. По аналогии можно предположить, что в таком случае молекула графита состоит из трех атомов C _3, а алмаза четырех C ₄ . Но ведь кристаллическая решетка у алмаза тетраэдр, то есть строение кристалла, это отражение внутреннего строения молекулы! Ртуть во многих справочных данных приводится как двухатомная, хотя теплоемкость показывает, что она одноатомна. Поиск в серьезных источниках полностью подтвердил данные теплоемкости, то есть ртуть одноатомна.

Получается, что теплоемкость наряду с рентгеноструктурным анализом, ЯМР и прочими тонкими штучками может стать неплохим инструментом для изучения структуры вещества.

На основании выше приведенных рассуждений и анализе справочных данных теплоемкости можно сделать вывод: теплоемкость атома есть величина постоянная, не зависящая от массы атома, агрегатного состояния и количества электронов в электронной оболочке, достаточно сравнить мольные теплоемкости ртути и золота (при атомной массе различающейся незначительно и различных агрегатных состояниях ,теплоемкости практически одинаковы), лития и урана (количество электронов различается более чем в 30 раз), (радона в трех агрегатных состояниях) и равная приблизительно 4•10 -23 Дж/ K . Подчеркиваю, именно атома, что с точки зрения современной науки — чушь полная. Анализ теплоемкости сложных веществ показывает что теплоемкость оных не зависит от массы молекулы, а также от агрегатного состояния (газ — твердое тело), для жидкостей отмечено резкое, в 2-3 раза увеличение теплоемкости по сравнению с газом и твердым телом, данную аномалию можно объяснить затратами энергии на колебательное движение ядер атомов внутри молекулы (“степени свободы”). Для твердых тел этот механизм не работает в силу того, что в твердом теле отсутствует движение атомов, а в газах из-за значительных расстояний между молекулами, при которых не работают «гравитационные» силы между молекулами. Теплоемкость атома зависит только от температуры. Теплоемкость вещества также зависит от межатомных расстояний “деформации электронной оболочки“, с ростом межатомных расстояний возрастает и теплоемкость, но зависимость эта довольно сложная, и я не смог ее сформулировать (правильнее было бы сравнивать расстояния не между центрами атомов, а “зазоры” между оболочками, но поскольку мне неизвестны истинные размеры атомов, то получилась такая картинка). Хотя на прилагаемом графике хорошо видно, что такая зависимость есть. Для расчета удельной теплоемкости удобнее пользоваться следующей формулой — 24930/A.M. , где 24930 — средняя теплоемкость моля одноатомного вещества, умноженная на 1000 для перехода к общепринятым единицам теплоемкости Дж/(Кг• K ), а A.M. — атомная масса элемента. Расчеты, проведенные по данной методике, показали довольно точное соответствие справочных и полученных результатов, погрешность для большинства одноатомных веществ составила менее 10 процентов.

Примечание: Данную закономерность подметили еще в 1819 году. Она получила название “Эмпирическое правило Дюлонга и Пти”. Согласно этому правилу теплоемкость твердых тел при постоянном объеме не зависит от температуры и равна 6 кал/(моль• K ) или 25,12дж/(моль• K ).

Закон справедлив для большинства химических элементов и простых веществ при комнатной температуре, при низких температурах – несправедлив.

Считаю, необходимым отдельно остановиться на механизме “броуновского” движения.

Как в практически несжимаемой среде, коей является жидкость, возможно свободное движение молекул? Ведь движение есть и никуда от этого не уйти Дело в том, что это движение вызвано тепловыми колебаниями электронных оболочек молекул и носит характер проскока молекулы между соседними молекулами, вся кинетическая энергия, которую молекула получила в результате воздействия возбужденных оболочек молекул, при торможении расходуется на раскачку оболочек, то есть, происходит “рекуперация”. Таким образом, получается, что само по себе “броуновское” движение не есть тепловая энергия, а является всего лишь своеобразным индикатором тепловой накачки электронных оболочек атомов или молекул. В твердых телах хаотическое движение молекул невозможно из-за прочных связей между ними. Расширение тел при нагревании объясняется увеличением сил отталкивания и вызываемое этим увеличение расстояний между молекулами.

Отнюдь не случайно теплоемкость одного моля простого твердого или жидкого вещества равна трем газовым постоянным 3 R или 3•8,31дж./(моль• K )=24,93 дж/(моль• K ). Электронная оболочка атома, испытывая по всем трем координатам воздействие со стороны соседних атомов, ограничена в своих колебаниях в отличие от газов, которые в силу гораздо более значительных расстояний между молекулами, таких ограничений не испытывают.

ВОПРОС: Если теплоемкость не зависит от массы атома, то при чем кинетическая энергия.

ВОПРОС: Как МКТ объясняет преобразование теплового излучения в поступательное движение атомов или молекул и наоборот?

ВОПРОС: Как МКТ объясняет, что теплоемкость вещества зависит от температуры.

ОТВЕТ: и снова НИКАК.

ВОПРОС: Как объяснить существование газов, если МКТ неверна.

ОТВЕТ: Создатели МКТ исходили из того, что между молекулами газа не существует никаких сил, и они взаимодействуют по законам классической механики. Но куда исчезли эти силы, никто объяснить не может, а ведь они должны быть! (твердые и жидкие тела практически несжимаемы из-за сил отталкивания между атомами). Если предположить, что между молекулами газа существуют силы отталкивания, и они увеличиваются с ростом температуры, то этим легко объясняется, сей вопрос. На первый взгляд подобное предположение кажется притянутым за уши.

Рассмотрим этот вопрос подробнее: Не стоит оспаривать, что практически все газы, за редким исключением, могут быть сжижены. А что такое жидкость? Все мы хорошо знаем, что жидкость практически несжимаема, и что две капли жидкости слипаются в одну. Значит между молекулами жидкости наряду с силами притяжения присутствуют и силы отталкивания (между молекулами существует зазор в 1-2 Ангстрема), через который, в принципе, должна проходить целая молекула, что и наблюдается (диффузия молекул газа через металлические стенки вакуумной камеры). И к тому же они взаимно уравновешены. Другого объяснения несжимаемости, кроме наличия сил отталкивания, трудно придумать. Что происходит с молекулами жидкости с ростом температуры? Силы отталкивания между ними начинают превалировать над силами притяжения, и чем выше температура, тем больше преобладание сил отталкивания над силами притяжения — жидкость превращается в пар или, что то же самое, в газ.

Позволю себе встречный вопрос, как МКТ объясняет, например, что литий, бериллий, бор, углерод не являются газами, а криптон ксенон и радон — газы?

ВОПРОС: Как объяснить парадокс, связанный с тем, что газы с меньшими молекулярными массами обладают такой же теплоемкостью, как и газы с большими массами. Например, один моль водорода обладает такой же теплоемкостью, как и один моль азота, хотя масса первого в 14 раз меньше?

Попытка объяснить этот парадокс различием средних скоростей молекул с различающимися массами, порождает встречный вопрос, что это за механизм селективного действия, который заставляет различные по массе молекулы двигаться с различными скоростями? И ещё один вопрос, о каком упругом ударе может быть речь, если между молекулами существуют силы отталкивания? Ведь нагрев газа в обычных условиях происходит при взаимодействии с нагретыми телами, и масса молекулы никакого влияния на скорость не должна оказывать, так как “приведенная масса” из-за прочных связей в твердом теле всегда заведомо больше, чем масса любой молекулы газа.

ОТВЕТ: на этот вопрос МКТ ответа не дает! Ответ прост — в одном моле любого газа при стандартном давлении число молекул одинаково и равно числу Авогадро.

ВОПРОС: Как объяснить образование окисной пленки на поверхности металлов, если между молекулами существуют силы отталкивания?

ОТВЕТ: Еще один парадокс! Дело, скорее всего, в том, что химические реакции возможны только при участии в качестве одного из реагентов хотя бы частично ионизированных молекул. Яркий пример – образование цветной окисной пленки при резании металла. Цвет — это отпечаток кристаллической структуры газа, c воего рода дифракционная решетка, образованная на поверхности металла молекулами окислов, расположенными через равные промежутки.

1 тепло — это колебания (возмущение) электронной оболочки атома (наиболее подходящий аналог — батут только не плоский, а трехмерный), а не сумма кинетических энергий атомов или молекул, как гласит МКТ. Атом представляет собой законченную и самодостаточную колебательную систему, способную запасать и излучать тепловую энергию.(Доказательством того, что атом является колебательной системой является так называемое “резонансное излучение”).

2 Возмущение электронной оболочки атома может быть достигнуто различными способами:

а) воздействием на нее теплового, пример — солнечная радиация, или электромагнитного излучения, пример — СВЧ печь.

б) взаимодействием атомов между собой (соударение?), пример — нагрев обшивки самолета при больших скоростях полета. Вероятнее всего, здесь имеет место подход на близкое расстояние молекулы газа к атому обшивки и вызванное этим возмущение электронной оболочки этого атома, да и самой молекулы газа. Отсюда становится понятным и сам механизм разогрева обшивки: при подходе на близкое расстояние происходит синхронизация колебаний оболочек молекулы газа и атома обшивки, то есть вся кинетическая энергия молекулы газа расходуется на раскачку электронных оболочек (переходит в тепловую энергию). Если рассматривать этот вопрос с точки зрения МКТ, то возникает сомнение в возможности разогрева обшивки посредством соударения молекул газа с обшивкой. Поскольку колебания атомов обшивки имеют периодический характер, то вероятность, что каждый последующий удар молекулы газа будет приводить к раскачке атома обшивки, такая же как и то, что столкновение будет приводить к торможению. Правильнее будет так : любая работа против сил отталкивания между атомами или молекулами приводит к раскачке электронных оболочек атомов или молекул ( E = A = F • S ).

Но и возмущенная оболочка может вызвать перемещение атома или молекулы, что и наблюдал небезызвестный сэр Броун в 1827 году. Скорее всего, здесь имел место удар о наблюдаемую частицу молекулы жидкости, которая получила поступательное движение в результате воздействия возбужденных оболочек соседних молекул.

Создатели МКТ перепутали причину и следствие.

Известные явления теплопередачи и теплового переноса, а также тепловые эффекты химических реакций, могут быть также легко объяснены взаимодействием электронных оболочек атомов. Если эти выводы верны, то МКТ должна называться как-то иначе.

Тепловое движение молекул газа существует, но далеко не вся тепловая энергия есть это движение.

Газ практически невозможно нагреть излучением, так как молекулы газа прозрачны для света и теплового излучения, пример: температура воздуха в верхних слоях атмосферы несмотря на мощную солнечную радиацию достигает весьма низких значений, нагрев газа происходит в основном только при взаимодействии с твердыми телами, при этом часть энергии возбужденной оболочки атома твердого тела преобразуется в поступательное движение молекулы газа.

ПОПЫТКА ПОНЯТЬ СУТЬ ВЕЩЕЙ

Анализ межатомных расстояний , здесь имеются в виду расстояния между центрами атомов (молекул), для химических элемент ов (имеются в виду твердые тела и жидкости) показал, что диапазон изменения этих расстояний от 2 до 5 Ангстрем для всех элементов, независимо от номера элемента.

Экстремально высокие значения соответствуют щелочным металлам. Так, например, для калия это значение равно 4,22 Ангстрем, а для цезия 4,87 Ангстрем. Для алмаза (углерода) это значение 1,79 Ангстрем, и оно самое низкое для всех элементов. Расчитать эти расстояния, зная плотность и атомную массу элемента, не составляет большого труда. Учитывая высокую пластичность и низкую прочность щелочных металлов, нетрудно сделать вывод, что многие физические свойства химических элементов определяются межатомными расстояниями. Но как, в таком случае, объяснить высокие механические свойства химических соединений таких, например, как корунд (рубин) и прочих?

При анализе межмолекулярных расстояний для сложных веществ был обнаружен парадокс, – эти расстояния оказались очень близкими с межатомными для простых веществ. Для корунда ( Al ₂ O ₃ ) это расстояние составило 3,15 Ангстрем, и в то же время межатомные расстояния для алюминия — 2,55 Ангстрем. Для справки :размер атома составляет около 1 ангстрема ( 10 e -10 метра). Напрашивается вывод, что современное представление о строении молекулы не вполне соответствует действительности.

Более правдоподобна модель, в которой ядра атомов, составляющих молекулу, находятся внутри общего электронного облака, (то есть молекула по своему строению походит на атом, но только с более сложной архитектурой). Расчеты теплоемкости сложных веществ показали, что простое суммирование теплоемкостей атомов, составляющих молекулу, дает погрешность, лежащую в диапазоне от 0 до 100 процентов, то есть C _табл. C _расч. C _табл.

Отсюда нетрудно предположить, что коэффициент должен лежать в пределах между 1 и 2. Эта погрешность, возможно, обусловлена смещением уровня Ферми, по сравнению с атомом с таким же зарядом, как и суммарный заряд молекулы (ограничением области колебаний электронной оболочки молекулы, приводящим к уменьшению теплоёмкости).

Разумеется, вышесказанное не относится к органическим молекулам, имеющим другой механизм связей, основанный, вероятно, на локальных неоднородностях плотности электронной оболочки. Так называемые “водородные связи” менее прочны, чем связи в неорганических молекулах, о чем убедительно свидельствует разрушение белковых молекул при довольно невысоких температурных значениях (около 60 градусов Цельсия). Правда, и здесь существуют отклонения, так например молекула горячо любимого в народе C ₂ H ₅ OH по своим размерам приближается к размерам атома.

Дальнейший анализ межатомных расстояний, а также то, что твердые тела и жидкости практически несжимаемы, приводит, на первый взгляд к парадоксальному выводу: соударений атомов не должно происходить в силу того, что силы отталкивания между атомами нарастают гораздо быстрее, чем силы притяжения. Что же это за силы? Силы притяжения обусловлены силами, возникающими между ядрами атомов, «гравитационными», а силы отталкивания порождаются электронными оболочками атомов. Силы эти проявляют себя на очень малых расстояниях, порядка нескольких Ангстрем (к такому проявлению, несомненно, следует отнести явления смачиваемости и несмачиваемости, конденсации, трения и пр.). Поскольку эти силы, вероятно, имеют различную степенную зависимость от расстояния (к примеру, квадратичную для «гравитационных» и кубическую или возможно большую для сил отталкивания, так как на расстояниях сопоставимыми с размерами молекул, они взаимодействуют между собой отнюдь не как материальные точки, а как сферы), то нетрудно представить механизм образования кристаллических решеток в твердых телах.

К тому же нелишне понять, что жидкость является всего лишь переходной фазой между твердым телом и газом, а агрегатное состояние вещества есть функция температуры, или иначе межатомного или межмолекулярного расстояния (правильнее — агрегатное состояние определяется соотношением сил отталкивания и притяжения). То есть жидкость — это такое состояние вещества, в котором силы притяжения и силы отталкивания между молекулами уравновешены в некотором диапазоне расстояний (потенциальная яма?). Поскольку силы отталкивания — это силы взаимодействия электронных оболочек, то они напрямую связаны с температурой. Рост температуры вызывает рост сил отталкивания и, как следствие, изменение межмолекулярных расстояний, в свою очередь, определяющих агрегатное состояние вещества.

Но как объяснить явления теплопередачи, если отсутствуют столкновения между атомами (молекулами)?

Скорее всего, механизмом теплопередачи между телами, наряду с тепловым излучением, является хорошо и давно известная электромагнитная индукция.

ВОПРОС: Как объяснить протекание химических реакций, если отсутствуют столкновения между молекулами, например горение природного газа?

ОТВЕТ: Непременным условием начала процесса горения является появление ионизированных молекул газа, а чем вызвана ионизация, высокой температурой или электрическим полем — всё равно, пример: газ на кухне можно зажечь и спичкой и пьезоэлектрической зажигалкой. Ион — это лишенная электронной оболочки или части электронов молекула, а она без электронной оболочки не будет обладать силами отталкивания от других молекул, обладающих такой оболочкой, а наоборот будет к ним притягиваться из-за действия кулоновских сил, вплоть до проникновения внутрь электронной оболочки другой молекулы, чем вызовет высвобождение энергии химической связи и ионизацию последней с образованием нескольких новых ионов, то-есть разовьется цепная реакция горения.

С точки зрения МКТ, всегда найдется молекула газа, обладающая достаточным запасом кинетической энергии, чтобы вызвать начало химической реакции горения, но этого не происходит, так как таких молекул попросту нет. В качестве наглядного примера можно привести реакцию синтеза соляной кислоты: H ₂ + Cl ₂ + hv =2 HCl . Данная реакция может развиться только на свету, то есть при поглощении кванта света, вероятнее всего молекулой хлора, что приведет к полной или частичной ионизации последней и взрывному развитию реакции с выделением тепловой энергии. Сколько бы мы не нагревали эту смесь, реакция не начнется до тех пор, покуда температура не достигнет высоких значений, при которых будет возможна хотя бы частичная ионизация любой из молекул. Другими словами: химические реакции возможны только при существовании ионизированных молекул, так как молекулы в обычном состоянии не могут сблизиться для реагирования из-за сил отталкивания между ними.

1 Анализ теплоемкости различных простых и сложных веществ однозначно приводит к выводу, что масса атома (молекулы) никакого влияния на теплоемкость не оказывает.

2 Теплового движения атомов не существует, а есть лишь тепловые колебания электронной оболочки атома (молекулы). Это утверждение справедливо лишь для твердых тел. Что касается жидкостей, то в них движение есть, но носит оно характер проскока молекулы между соседними молекулами, вызванного несинхронизированными колебаниями электронных оболочек молекул. Для газов тепловое движение есть, но никаких сверхзвуковых скоростей, конечно же, нет и быть не может, и это тепловое движение есть лишь некоторая часть тепловой энергии газа.

3 Своей незавершенностью “Физика твердого тела” обязана, в первую очередь, живучести МКТ.

4 Химические реакции возможны только при участии ионов хотя бы одного из реагентов, поскольку силы отталкивания между молекулами не позволяют им сблизиться на достаточное для реагирования расстояние.

5 Механизм действия катализаторов, возможно, основан на частичной ионизации одного из реагентов, не требующей затрат энергии, вызываемой особыми свойствами катализатора, например, электропроводностью.

6 Между атомами и молекулами существуют силы притяжения и отталкивания, проявляющиеся на очень малых расстояниях, порядка единиц Ангстрем. Наличие этих сил убедительно доказывается неизменяемостью формы и несжимаемостью твердых тел.

Проверка справедливости МКТ сводится, в сущности, к решению тривиальной задачи по расчету упругого удара. Защитники МКТ утверждают, что газ в обычных условиях может быть нагрет только при взаимодействии молекул газа с нагретыми стенками сосуда, в котором он находится. С этим трудно не согласиться, но утверждение, что различные по массе молекулы газа будут при этом иметь различные скорости, кажется весьма спорным. Приведу пример: сосуд изготовлен из металла, атомы которого, заведомо (на порядок) имеют большую атомную массу, чем молекула газа. Согласно МКТ, скорость молекул водорода (имеется в виду средняя скорость) должна превышать скорость молекул азота почти в четыре раза, но так ли это? Для справки: размеры атомов и молекул очень близки и приблизительно равны 10 -10 метра , а скорости молекул газа, как считает МКТ — 1700 м/с для водорода и 450 м/ c для азота при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 градусов Цельсия. Для упрощения задачи примем коэффициент восстановления близким к 1, то есть будем считать удар практически упругим.

Вопрос : будут ли скорости молекул, например, азота с атомной массой 28, сильно отличаться от скорости молекул водорода с атомной массой 2 при их взаимодействии со стенками сосуда, состоящего из атомов с атомной массой 200? Инициатором удара будем считать атомы стенок сосуда. Температура, то есть амплитуда и скорость колебаний атомов стенок сосуда, в обоих случаях одинакова.

P . S . По поводу “фундаментального” опыта по определению скорости молекул газа, проведенного в 1920 году: Измерив скорости паров висмута в вакуумной печи, был сделан вывод, что и молекулы газа при 0 градусов Цельсия обладают теми же скоростями, что и пары висмута, испарявшиеся отнюдь не при 0 градусов Цельсия, а как минимум при 700-900 градусов. Судить о корректности этого опыта оставляю на усмотрение читателя. С моей точки зрения, это примерно то же самое, что, выстрелив из пушки по воробьям, утверждать, что и воробьи летают с той же скоростью, что и пушечное ядро, лишь потому, что после выстрела они пролетели такое же расстояние.

В рамках существующей теории невозможно объяснение такого феномена как шаровая молния.

Хотя это явление легко объясняется с точки зрения изложенной теории. Шаровая молния возникает в результате мощного воздействия электрического разряда, вызывающего полную ионизацию молекул . Шаровая молния представляет собой гигантскую макромолекулу, состоящую из ядер атомов лишенных электронных оболочек и способную существовать до тех пор, пока у нее отсутствуют в необходимом количестве для образования самостоятельных молекул электроны (плотную по сравнению с обычным веществом упаковку, обладающую не кинетической, а потенциальной знергией).

Появление в достаточном количестве свободных электронов, приводит к практически мгновенному образованию полноценных молекул и их разлетанию, сопровождающемуся эффектом взрыва.

Если исходить из вышеописанного строения молекулы (ядра атомов, составляющих молекулу, находятся внутри общей электронной оболочки, в то же время, не сливаясь в одно общее ядро), то возникают вполне резонные сомнения в справедливости донорно-акцепторных, ионных, ковалентных связей, и тому можно найти массу примеров: непонятно, какова валентность химических элементов в таких соединениях, как K ₂ O ₂ , KO ₂ , KO _3, NaN ₃ или CuS , Cu ₂ S , N ₂ S , Fe ₃ O ₄ , KrF ₂ , XeO ₃ , XeO ₄ , B ₂ H ₆ , B ₄ H ₁₀ , B ₅ H ₉ . И таких примеров множество.

Дальнейший анализ химических соединений выявил не один, а как минимум два механизма химических связей: первый механизм основан на заполнении “потенциальных” ям или “зон устойчивости” , (наиболее выгодного с энергетической точки зрения заряда атома или молекулы), центры этих ям четко показывают инертные газы и платиноподобные металлы, вот эти ямы: 2 (гелий) 10 (неон) 18 (аргон) 28 (никель) 36 (криптон) 46 (палладий) 54 (ксенон) 78 (платина) 86 (радон), но вполне вероятно есть еще и более дальние. Справедливость этих рассуждений подтверждается справочными данными энергии ионизации химических элементов. Максимумы энергии ионизации атомов точно соответствуют упомянутым потенциальным ямам.

Числа обозначающие потенциальные ямы, являются суммарным зарядом атома или молекулы (заряд “корпускулы”). Примеры: H ₂ для “гелиевой” ямы , CH _4, NH _3, H ₂ O , HF для “неоновой“, H ₂ O ₂ , H ₂ S , HCl для “аргоновой”, CuSO ₄ , ZnPO ₄ , Fe ₂ O ₃ для “платиновой” и так далее, и второй, основанный на равном распределении заряда между атомами , кратный 10 или 18 на каждый из атомов, составляющих молекулу. Пример: Al ₂ O ₃ SiO ₂ N ₂ S Mg ₃ N ₂ Sc ₂ S ₃ Ca ₃ P ₂ MgO SiC BP AlN KH LiCl BeS NaF CaCl ₂ TiCl ₄ CaS Cl ₂ O ₇ AlF ₃ N ₂ S и т.д. и т.п. Данный механизм прослеживается, хотя и не так ярко выражено и для 2 ( LiBH ₄ , LiH ) 4 ( Li ₃ N , LiOH ) 6 ( CrOH ₆ , H ₂ ( PHO ₃ )) 8 BeF ₄ , Fe ( CN )₆, HPO ₃ , HPO ₄ , H ₂ P ₂ O ₇ и 36 ( CsCl , BaS , KI ). Приведенный список далеко не полный.

Для молекул, состоящих из двух атомов при таком механизме в общем виде выполняется условие x + y =4 или 8, 12,16, 20, 36, из трех x +2 y =6, 12, 24, 30, 54 или 108, из пяти 2 x +3 y =10, 20,30, 40, 50, 90 или 180 где x и y — номера химических элементов согласно таблице Менделеева.

При построении молекул более предпочтительным оказывается второй механизм, пример: если бы был более приоритетным первый механизм, то существовало бы такое соединение как MgO _2, точно попадающеее в потенциальную яму 28, но есть только MgO , для которого срабатывает второй механизм. Приоритетность механизмов определяется тем, насколько та или иная конструкция оказывается более выгодна с точки зрения энергетики.

Упомянутый механизм оказывается работоспособным и для другого числа атомов в молекуле, например AlF ₃ Cl ₂ O ₇ P ₃ N ₅ Al ₂ ( SO ₄ )₃.

Разумеется, правильнее было бы говорить о закономерности, с помощью которой можно попытаться раскрыть механизм химической связи .

Одим из основных доказательств правильности теории валентности стали фториды и оксиды элементов третьего периода: NaF MgF ₂ AlF ₃ SiF ₄ PF ₅ SF ₆ ClF ₇ Na ₂ O MgO SiO ₂ P ₂ O ₅ SO ₃ Cl ₂ O ₇ . Но если попытаться посмотреть на данные соединения с другой стороны, то нетрудно заметить что для всех этих соединений выполняется условие кратности 10, которое прослеживается и для нитридов того же периода: Mg ₃ N ₂ AlN Si ₃ N ₄ P ₃ N ₅ N ₂ S . Отсутствие в данном ряду хлорида азота Cl ₃ N ₇ можно объяснить тем, что данная конструкция из 10 атомов является неустойчивой (из почти тысячи проанализированных соединений не встретилось ни одного с соотношением 3 к 7), но есть такое соединение как Cl₃N , с суммарным зарядом равным 58 (очень близким к ксеноновой яме). Для NaN ₃ выполняется условие 4 • 8, объяснение существования такого “чуда” как NaN _3, а не Na ₃ N , с точки зрения валентности, весьма затруднительно. В самом общем виде второй механизм можно записать как ax + by + cz +… dv =( a + b + c +… d ) • 2 или 4,6,8 ,10,18,36 ,где x , y , z , v номера химических элементов в периодической системе в диапазоне от 1 до 102 , а a , b , c , d простые целые числа от 1 до возможно 10 или более. В качестве примера таких соединений можно привести Al₂(SO₄)₃ CaCO₃ KHSO₃ Mg(ClO₄)₂ Na3[AlF6] Na₅P₃O₁₀ и т. д. и т. п.

Связи между атомами в молекуле осуществляется межъядерным взаимодействием.

Роль электронов сводится к компенсации заряда молекулы.

Интересно, каким образом электроны, определяющие силы отталкивания между атомами, образуют связи, создавая при этом оболочки особо изощренных форм? Не говоря уже о SP -гибридизации.

Механизм кратного распределения заряда является лишь частным случаем более общего механизма, при котором на долю каждого из атомов составляющих молекул приходится такой заряд, чтобы обеспечить при минимальных затратах энергии попадание в потенциальную яму каждого из атомов в молекуле. Пример: LiCl, в данном соединении на долю лития приходится заряд равный 2, а на долю хлора 18, что обеспечивает минимальную энергию этой конструкции.

Поскольку любая материальная частица обладает волновыми свойствами, то и взаимодействие между ними можно попытаться описать как взаимодействие волновых функций.

В качестве иллюстрации возможного механизма “потенциальных ям”, можно привести график функции y = sinx + sin 2 x + sin 3 x + sin 4 x + sin 5 x + sin 6 x ,который хорошо согласуется с волновыми свойствами материи.

Но существуют и другие механизмы связей. В качестве примера приведу NH₄NCS , NaNH₂ (в этих соединениях атомы водорода “замаскированы” )

1 Природа, создавая химическое соединение, пытается создать конструкцию обладающую минимумом потенциальной энергии, построить ее возможно двумя способами:

первый: собрать в молекуле атомы так, чтобы суммарный заряд молекулы возможно ближе оказался к заряду так называемой “потенциальной ямы” и второй: создать конструкцию, где каждый из атомов составляющих молекулу обладал бы минимумом потенциальной энергии.

2 Своим столь долгим существованием МКТ обязана во-первых, постулату Нильса Бора сказавшему, что электронная оболочка атома не может излучать, ибо в противном случае электрон должен упасть на ядро со всеми вытекающими отсюда последствиями и во-вторых, при рассмотрении межмолекулярных и межатомных сил не рассматривается гравитационное взаимодействие между ними, так как если учитывать в расчетах гравитационную постоянную расчитанную и проверенную на макротелах, то этими силами можно пренебречь. Оба эти положения никогда и никем не были подтверждены экспериментально и поэтому могут рассматриваться как догма.

Вопрос: Если бы Отцы-основатели МКТ, подозревали о существовании межмолекулярных сил, (ведь они рассматривали атомы и молекулы как упруго взаимодействующие шарики), то вряд ли МКТ смогла существовать в ее нынешнем виде. Это уже позже были открыты силы Ван-дер-Ваальса, безо всякого объяснения механизма их порождающего (вернее это взаимодействие объясняется электромагнитными силами, но как один и тот же механизм одновременно вызывает силы притяжения и силы отталкивания, стыдливо умалчивается). Да и какой может быть диполь у одноатомной молекулы, к примеру, у радона или ртути? Было также введено понятие “виртуального” удара для описания соударений атомов. Описание механизма теплового излучения дословно звучит так:

”Тепловое излучение порождается внутренней энергией вещества” “Физический энциклопедический словарь” Москва “Советская энциклопедия” 1984г.

Введены понятия “энтропии” и “энтальпии”, имеющие философский, а отнюдь не физический смысл.

Отсуствует четкое и однозначное определение температуры, различают температуру кинетическую, яркостную и т.д., и т.п.

Налицо полное наукообразие.

Ошибкой создателей МКТ с самого начала, было предположение о том, что атомы и молекулы взаимодействуют между собой как упругие шарики, сейчас стало очевидным, что это не совсем верно!

Подводя промежуточные итоги проделанной за год работы, не могу отделаться от мысли, которую до сих пор не решался произнести вслух, что строение атома, накрепко вбитое в голову еще со школьной скамьи, не дает ответа на вопросы всплывшие в результате дилетантских попыток понять природу теплоты. Так, например: межатомные расстояния для простых веществ, расчитанные исходя из атомной массы и плотности, абсолютно достоверно показывают что у атома нет четко выраженных электронных уровней, если бы они были, то при переходе от периода к периоду, то есть увеличении числа электронных уровней межатомные расстояния должны были бы скачком увеличиваться, но этого не наблюдается. Например: для алюминия межатомные расстояния составляют 2,55062E-10 метра, для скандия 2,91304 E -10, а для иттрия 3,20796E-10 метра, что легко объясняется увеличением общего числа электронов в оболочке атома ( ee разбуханием), а не увеличением числа электронных уровней. Более наглядно сравнение межатомных расстояний двух соседей по периодической системе — никеля и меди, находящихся в разных периодах. Для Ni межатомные расстояния 2,22064E-10 метра, а для Cu 2,27856E-10. И в то же время для близкого соседа никеля — железа, находящегося в том же периоде 2,26566E-10. К такому же выводу приводит и анализ атомной теплоемкости, (теплоемкость атома не зависит от числа электронных уровней). Энергия ионизации атомов также не свидельствует в пользу существования электронных уровней (с каждым новым уровнем энергия ионизации должна была бы скачком уменьшаться) (экранирование). Как было показано выше и химическая связь не показывает наличия электронных уровней.

Таким образом, я не нахожу ни одного материального подтверждения существования электронных уровней, в том виде, как они представлены в учебной литературе.

В своих попытках ответить на вопросы, которые давно не давали покоя, я опирался только на твердо проверенные факты, справочные данные и жизненный опыт, не позволяя себя философствовать, и в то же время мне приходилось иногда фантазировать, подыскивая аналогии из обыденной жизни, дабы зримее представить поведение атомов в микромире, в то же время, сознавая, что эти аналогии весьма условны, так например, представляя себе электронную оболочку атома, я сравнивал ее со струной музыкального инструмента. Ведь количество энергии, которую может запасти струна, не зависит от ее толщины, а зависит только от силы ее натягивающей. Вот почему тееплоемкость атома величина постоянная. Непонятно, что это за неизлучающие орбиты, введенные в обиход Бором. Правильнее было бы считать неизлучающей любую круговую орбиту по которой движется электрон. Но такая орбита может существовать лишь при температуре равной 0 K . В нормальных условиях при температурах отличных от 0 K орбита, по которой движется электрон, становится эллиптической, и чем выше температура, тем более вытянутой становится орбита. Тепловое излучение, порождается когда электрон двигаясь по эллиптической орбите, сбрасывает избыток энергии, пытаясь вернутся на круговую орбиту. Этот механизм вполне удовлетворительно объясняет преобразование механической энергии в тепловую и наоборот. Электрон движущийся с постоянным ускорением не излучает! И только когда он испытывает переменное ускорение, порождается ЭМ излучение с частотой пропорциональной степени этого переменного ускорения. Пример: В электронно-лучевой трубке электроны вырвавшиеся из катода, под влиянием высокого анодного напряжения движутся с ускорением, но никакого излучения при этом не наблюдается. В данном случае излучение возникает только при ударе электрона о поверхность экрана, вызывая свечение люминофора и рентгеновское излучение, если скорость электрона при ударе достаточно высока.

Исходя из сказанного, температура атома или молекулы это величина возмущения (деформации) электронной оболочки атома или молекулы (величина на которую орбита отличается от круговой для данного атома или молекулы). Но поскольку между атомами и мролекулами в любой системе постоянно происходит обмен энергией (электро-магнитная индукция), выравнивающий температуры отдельных атомов, то говорить о температуре отдельного атома можно только на конкретном, весьма коротком отрезке времени.

МКТ, как впрочем, и квантовая физика оказались бессильны объяснить столь значительную разницу в удельной теплоемкости пары металлов литий-цезий, не в пользу цезия, обладающего значительно большей массой и количеством электронов , Это бессилие проистекает от изначально спорных и по-видимому неверных положений.

1 согласно МКТ атомы и молекулы взаимодействуют между собой как абсолютно упругие шарики. Квантовая физика исходит из того, что электрон движущийся с ускорением должен излучать ЭМ энергию, тогда как излучение порождает электрон, движущийся с переменным ускорением.

Но как в таком случае объяснить световое излучение, ведь отрицание существования фотона абсурдно. Весьма вероятно, что злектрон дввигаясь по сильно вытянутой орбите, из-за внешних на него воздействий, при попытке пересечь уровень Ферми (запретную границу) и порождает фотон.

Обе эти теории (квантовая и молекулярно-кинетическая) тесно переплетаясь, друг с другом, взаимно поддерживают себя на протяжении долгих лет, не давая науке выйти из тупика, в который они же её и завели.

Читатель, который справедливо упрекнет меня в дилетанстве, пусть сам попробует ответить на вопросы затронутые в сем “опусе”.

1 Почему удельная теплоемкость лития много больше удельной теплоемкости цезия?

2 Почему на больших высотах (10000 метров), даже днем, когда ярко светит солнце, температура возлуха опускается ниже –40 o C ? (прошу не путать давление и температуру, это как говорят в Одессе, две большие разницы)

Как объяснить тепловое расширение тел?

И еще один вопрос: может ли считаться фундаментальной постоянной “постоянная Авогадро”? Приведу простой пример: масса одного моля атомарного водорода составляет 1,0079 грамма, поскольку атом водорода состоит из одного протона и электрона, массой которого ввиду ее незначительности можно пренебречь, то, разделив массу моля водорода на массу протона, мы и получим искомое число 6 • 10 23 атомов.

Утверждение что в одном моле любого вещества 6 • 10 23 атомов или молекул равносильно утверждению, что в одном литре 1000 миллилитров.

Ежели оные вопросы покажутся слишком сложными, попробуйте ответить на простой вопрос:

Почему капля воды на стекле перевернутом вниз не падает на землю?

Этот вопрос и привел меня к столь парадоксальным выводам.

Ответив на эти вопросы не составит большого труда представить механизм теплового излучения.

Анализируя сложившуюся ситуацию, прихожу к выводу, что эта ситуация вытекает из слепой веры во всесилие математики, которая в данном конкретном случае (МКТ и квантовая физика), сыграла злую шутку с людьми стоявшими у их истоков, оказавшись на поверку философским догматом, не выдерживающим критики даже дилетанта подошедшего к этой проблеме с другой стороны (не математики, а логики). Уверенность в правоте опирается на экспериментальные данные, каковыми являются данные справочников, и то что в этой работе придерживался принципа, что все познается в сравнении и смотреть нужно в корень, не позволяя себе что-либо постулировать.

Еще одним аргументом в пользу приведенных рассуждений может служить сравнение коэффициентов теплового расширения “ТКР” алюминия и свинца. Было бы неплохо сравнить данные лития и цезия, но к сожалению информации по цезию мне найти не удалось. Для алюминия ТКР составляет 7,14•10 -5 для свинца 8,76•10 -5 ,что является совершенно необъяснимым с точки зрения МКТ. ТКР свинца оказался больше ТКР алюминия на 20 процентов, хотя масса атома алюминия почти в 8 раз меньше (при одной и той же температуре частота колебаний атомов одинакова, тогда почему амплитуда колебаний атомов с большей массой больше?) Ведь мольные геплоемкости у них практически одинаковы для Al 24,174Дж/Моль• K , а для Pb 26,729Дж/Моль• K ).Сравнение ТКР лития и натрия дает похожий результат – ТКР натрия в 1,5 раза больше чем у лития, а масса атома натрия в 3 раза больше массы атома лития.

1 “Краткий химический справочник” авторы В.А.Рабинович и З. Я. Хавин

Издательство “ХИМИЯ” Ленинградское отделение 1977 г.

2 “Химические свойства неорганических веществ”

авторы Р. А. Лидин В. А. Молочко Л. Л. Андреева

Международная академическая издательская компания “Наука” Москва 1997 г.

3 “Курс общей физики (механика и молекулярная физика)” том 1 автор И.В. Савельев

Москва “Наука” Главная редакция физико-математической литературы 1982 г.

4 “Справочник по элементарной математике, механике и физике”

Государственное издательство БССР

Редакция научно-технической литературы Минск 1955г.

5 “Молекулярная физика” авторы Е. М. Гершензон Н. Н. Малов А. Н. Мансуров

6 “Физическая химия” авторы А. .Д. Зимон и Н. Ф. Лещенко

7 “Популярная библиотека химических элементов” первая и вторая книги

Издательство “Наука “ Москва 1983г.

8 “Физический энциклопедический словарь”

Москва “Советская энциклопедия” 1984г.

9 “Химическая связь и строение молекул”авторы Я. К .Сыркин и М. Е. Дяткина

“Госхимиздат” Москва-Ленинград 1946г.

10 “Строение неорганических веществ (структурная неорганическая химия)” автор А. Ф. Уэллс Пер. с англ. Издательство иностранной литературы Москва 1948г.

11 Краткий курс теоретической физики ”Квантовая механика” книга 2. Авторы Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Издательство “Наука” глвная редакция физико-математической литературы. Москва 1972 г.

График зависимости расстояний между центрами атомов от порядкового номера элемента.