Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движени - Страница 73

а) массу нанесенного на воду раствора;

б) массу пальмитиновой кислоты, содержащейся в этом количестве раствора;

в) объем, который займет эта масса пальмитиновой кислоты (850 кг занимают 1 м, следовательно…).]

2) Оцените ширину молекул с помощью следующего рассуждения. Цепная формула изображает молекулу в 19 атомов длиной и только несколько атомов шириной. Трудно догадаться о форме поперечного сечения молекулы; атомы Н должны быть меньше, чем атомы С в цепи. Возможно, что поперечное сечение содержит 3 атома в ширину и один в толщину, либо чередующиеся связи могут колебаться в разные стороны, делая поперечное сечение квадратом, скажем, со сторонами по 3 атома.

В качестве грубого предположения, допустим, что поперечное сечение является квадратом со стороной от 1,5 до 3 атомов. Забывая, что разные атомы имеют разные размеры, мы заключаем, что ширина молекулы должна быть где-то между / и/ ее 19-атомной длины. Глупо было бы пытаться сузить эти пределы (фиг. 132).

Фиг. 132. Схема к рассуждению о форме молекулы пальмитиновой кислоты.

...

Рассчитайте объем молекулы пальмитиновой кислоты, для этого возьмите длину, полученную в п. 1, и считайте поперечное сечение квадратом со стороной, равной / длины. Повторите вычисление с другим пределом — / длины.

3) Принимая плотность равной 850 кг/м, рассчитайте массу одной молекулы на основе каждого предположения (/ и/). (Если 850 кг занимают 1 м, то…)

4) Простые химические измерения (анализ путем сжигания и взвешивания и т. д.) говорят, что масса молекулы пальмитиновой кислоты в 256 раз больше массы атома водорода. (Химические опыты не могут дать действительных значений масс отдельных атомов и молекул, но позволяют легко определить их относительные величины.) На основании полученного вами результата рассчитайте массу одного атома водорода (при каждом предположении — / и/).

5) На основании п. 4 скажите приблизительно, сколько атомов должно быть в 1 кг водорода (около 11 м3 при атмосферном давлении).

6) Сейчас существуют совершенно другие способы определения массы атома водорода (косвенные, но надежные, использующие электрический заряд электрона или некоторые измерения радиоактивности). Они дают:

МАССА АТОМА ВОДОРОДА = 1,66∙10 кг.

Предположите, что правильно это значение, и проделайте вычисление в обратном порядке. Что теперь можно сказать о форме молекулы пальмитиновой кислоты? Были ли допущения / и/ близки к истине?

(Примечание. Проделать детально всю работу в обратном порядке может оказаться утомительным. Можно ограничиться сокращенными выкладками.)

Задача 7. Цепные молекулы

Измерения с помощью бруска и весов, подобные описанным в задаче 6, дают следующие оценки для длины молекул нескольких членов ряда жирных кислот. Длина дается в специальных единицах (часто используемые в атомной физике единицы Ангстрема, равные 10 м).

...

(Примечание. Указанное число групп включает первый атом углерода с тремя атомами водорода.)

Подтверждают ли эти опыты идею о цепных молекулах? Проанализируйте их о помощью графика.

Физическая проверка химической картины

Только плохой преподаватель льстит себя надеждой, что способен объяснить, что такое молекулы масла, с помощью одних разговоров о «цепях связей» или «ворсе бархата» в тонких пленках. Однако если после вычислений, подобных приведенным выше, у вас появилось чувство, что вы что-то понимаете, то вы делаете гениальные успехи в науке. Использованные нами структурные формулы были остроумными догадками, сделанными по косвенным химическим соображениям. Они оставались совершенно непроверенными, пока метод Рэлея не дал в высшей степени удовлетворительное подтверждение существования длинных тонких молекул с одинаковым увеличением длины на каждую группу СН.

Все же рассуждения Рэлея допускали определенный риск; были желательны независимые измерения. В наше время еще более тонким средством измерения размеров молекул стали рентгеновские лучи. Превращая масла в воски путем замораживания, мы можем заставить слои молекул в кристаллах отражать рентгеновские лучи и по отражению рентгеновских лучей можем определить расстояние между слоями (или размер молекул), подобно тому как физики во времена Рэлея могли определить расстояние между жилками на крыльях бабочки по цветам отраженного света.

Некоторое понятие об этих «эффектах дифракционной решетки» будет дано в последующих главах. Рентгеновские измерения с удовлетворительной точностью подтвердили догадку Рэлея и дали дополнительные сведения о размерах и строении молекул.

Если теперь вернуться к вопросам смачивания и водонепроницаемости, то можно оценить количества веществ, требуемые для придания материалу нужных свойств. Вероятно, достаточен слой толщиной в одну молекулу, поэтому потребные количества минимальны. О мономолекулярных слоях уже думают как о реальных, знакомых вещах. Они слишком тонки, чтобы их видеть с помощью обычного света, хотя их можно обнаружить с помощью рентгеновских лучей или дифракции электронов. Однако Блоджетт разработал метод, в котором наносится слой за слоем на стеклянную пластинку, причем осаждаются сразу по два слоя, когда пластинку погружают в воду с плавающим мономолекулярным слоем. Погружение повторяют до тех пор, пока толщина не может быть измерена обычными приборами, которыми измеряют толщину бумаги, и не будут осуществлены, наконец, прямые измерения. (Такие пленки представляют собой ранний способ, нанесения на стекла покрытий, уничтожающих блики, — просветление оптики. Линзы современных фотоаппаратов имеют покрытие, нанесенное другим методом — испарением в вакууме.)