Có thể cân một phân tử?

69

CÓ THỂ CÂN ĐƯỢC KHÔNG
PHÂN TỬ
N. A. RODINA

Trong bài viết này chúng tôi muốn giới thiệu với các bạn một trong những cách xác định khối lượng phân tử.

Được biết, bầu khí quyển Trái đất bao gồm các loại khí khác nhau - nitơ, oxy, hydro, carbon dioxide và các loại khác. Độ cao của khí quyển cao; Người ta đã xác định rằng nó kéo dài tới 2000 km tính từ bề mặt Trái đất, nhưng phần lớn khí nằm bên dưới. Tầng dưới của khí quyển, chỉ cao 16 km, chứa 0,9 khối lượng của nó.

Tại sao các phân tử lại “lắng đọng”? Nguyên nhân là do chúng chịu tác dụng của một lực hấp dẫn hướng về Trái đất. Nhưng tại sao sau đó nó lại “rơi” xuống Trái đất và không tạo thành một lớp mỏng trên bề mặt? Điều này xảy ra do sự chuyển động ngẫu nhiên liên tục của các phân tử không khí. Nhờ sự chuyển động này, các phân tử sẽ bị phân chia khắp toàn bộ không gian của thế giới nếu không có lực hấp dẫn kéo chúng xuống.

Điều này có nghĩa là độ cao của khí quyển, mật độ trung bình của nó và sự phân bố của các phân tử dọc theo độ cao phụ thuộc vào khối lượng của các phân tử khí tạo nên khí quyển - xét cho cùng, khối lượng của phân tử càng lớn thì lực hấp dẫn tác dụng lên nó càng lớn. Ví dụ, nếu bầu khí quyển chỉ bao gồm oxy, thì ở độ cao 5 km, mật độ của nó sẽ bằng một nửa bề mặt Trái đất và nếu nó chỉ bao gồm hydro, thì điều này sẽ xảy ra ở độ cao 80 km.

Tất nhiên, sự phân bố của các phân tử cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, vì nhiệt độ có liên quan đến tốc độ chuyển động của các phân tử. Bạn nghĩ những con số trên sẽ thay đổi như thế nào nếu Trái Đất bắt đầu chuyển động theo quỹ đạo gần Mặt Trời hơn (ví dụ “đổi chỗ” với Sao Kim)? Điều gì sẽ xảy ra nếu Trái đất di chuyển ra xa Mặt trời (“đổi chỗ” với Sao Hỏa)?

Nhưng câu chuyện của chúng ta về bầu khí quyển có liên quan gì đến việc xác định khối lượng của các phân tử? Thực tế là nhà khoa học người Pháp Jean Perrin đã tạo ra một thứ tương tự như bầu khí quyển của trái đất, trong đó vai trò của các phân tử được đóng bởi các hạt, mặc dù cực kỳ nhỏ nhưng vẫn có thể nhìn thấy chúng trong kính hiển vi và xác định kích thước cũng như khối lượng của chúng.

Để làm được điều này, nhựa được trộn với nước để tạo thành một hỗn hợp chứa các giọt nhựa siêu nhỏ riêng lẻ. Hỗn hợp này được gọi là nhũ tương (ví dụ, kem trong sữa, cho đến khi lắng xuống sẽ tạo thành nhũ tương).

Ngay cả trước khi thí nghiệm này được thực hiện, các nhà khoa học đã cho rằng những giọt nhựa trong nước sẽ hoạt động giống như các phân tử trong khí quyển. Các thử nghiệm mà Perrin bắt đầu vào năm 1908 đã xác nhận giả định này.

Các giọt nhựa có hình dạng quả bóng, đường kính của chúng được thay đổi và hóa ra (trong một loạt thí nghiệm) bằng 0,00005 cm (tức là 5·10⁻⁵ cm). Như bạn có thể thấy, đường kính của chúng rất nhỏ nhưng vẫn lớn hơn nhiều so với đường kính của các phân tử (hãy nhớ rằng đường kính có thể

70

Hình 1.

các phân tử có độ lớn cỡ $10^{-8}$ cm).

Độ chính xác và tận tâm mà những thí nghiệm này được thực hiện là rất đáng chú ý. Các giọt có kích thước khác nhau có thể được tách ra khỏi nhau nhiều lần để thu được nhũ tương đồng nhất. Một số loạt phép đo đã được thực hiện, sử dụng cả những giọt “lớn” - với đường kính 5 phần thập phân của milimet và những giọt nhỏ - với đường kính 14 phần nghìn milimét.

Kích thước giọt được xác định theo nhiều cách khác nhau. Một trong số đó - nó được gọi là phương pháp hàng - có thể được hiểu từ bức ảnh hiển thị (Hình 1). Nó cho thấy những giọt nhũ tương đã đọng lại trên bề mặt bình. Ở một số nơi, các giọt nằm trên một đường thẳng, tạo thành một hàng (ví dụ: dưới điểm “a”). Bằng cách đo chiều dài của hàng, đếm số giọt trong đó và biết độ phóng đại mà nó được tạo ra, đường kính trung bình của giọt đã được xác định. Người ta biết rằng những phép đo như vậy cho kết quả chính xác hơn những phép đo của một hạt đơn lẻ.

Tìm những hàng như vậy và xác định đường kính của một giọt nhũ tương này (độ phóng đại là 5000).

Khi nhũ tương được hình thành, các giọt bắt đầu lắng xuống đáy bình và lắng trong một thời gian dài - vài tháng, cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Có phải tất cả họ đều ổn định trong ngày không? Không, kết quả là một bức tranh gợi nhớ đến bầu khí quyển của Trái đất: gần ngày, số lượng giọt nước là rộng nhất, và sau đó giảm dần theo độ cao. Lý do cho sự phân bố các giọt nước trong nhũ tương phức tạp này cũng giống như đối với các phân tử không khí trong khí quyển! Điểm khác biệt duy nhất là các giọt nhựa không tự di chuyển; chúng chỉ thoát khỏi các phân tử nước xung quanh từ mọi phía.

Toàn bộ lớp nhũ tương, toàn bộ “bầu khí quyển” nhỏ này dày 0,01 cm.

Để đếm số lượng giọt trong các lớp khác nhau, chúng tôi tiến hành như sau. Nhũ tương được đặt dưới kính hiển vi (Hình 2). Đầu tiên, kính hiển vi được hình thành sao cho có thể nhìn thấy rõ lớp thấp nhất (dày khoảng 0,0001 cm) và đếm số lượng giọt nhựa trong đó. Sau đó, microsop được hình thành trên lớp tiếp theo, v.v. Không thể đếm được từng giọt: chúng trộn lẫn liên tục, số lượng rất lớn (hàng chục nghìn mảnh). Trong một thí nghiệm, Perrin đếm được 13.000 giọt nước ở bốn cấp độ.

Trong các thí nghiệm của Perrin, người ta đã khẳng định chắc chắn rằng các giọt nhựa trong nhũ tương được phân phối dưới tác động của trọng lực theo đúng quy luật giống như các phân tử trong bầu khí quyển Trái đất. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện

71

lần, theo các phiên bản khác nhau: họ thay đổi loại nhựa, thêm glycerin vào nước và kết quả thí nghiệm vẫn như cũ. Do đó, chúng ta có thể so sánh chính xác sự phân bố của các giọt nhựa trong nhũ tương với sự phân bố của các phân tử trong khí quyển và từ đó xác định được khối lượng của các phân tử khí có trong không khí.

Hãy sử dụng kết quả của một trong những thí nghiệm của Perrenn. Khối lượng của một giọt nhựa hóa ra bằng $7,8 \cdot 10^{-15} \text{e}$. Chiều cao $h$, tại đó số lượng giọt như vậy ít hơn 2 lần so với ở phía dưới, bằng $3 \cdot 10^{-3} \text{cm}$.

Bây giờ chúng ta hãy nhớ lại dữ liệu về bầu khí quyển của chúng ta: nếu nó chỉ bao gồm oxy, thì ở độ cao $H = 5 \text{km}$ mật độ oxy sẽ ít hơn 2 lần so với ở bề mặt Trái đất.

Làm thế nào để tính khối lượng phân tử oxy từ những dữ liệu này? Chúng ta hãy biểu thị khối lượng phân tử bằng $m$ và khối lượng của giọt nước bằng $M$ và viết tỷ lệ này

$$\frac{m}{M} = \frac{h}{H},$$

Ở đâu

$$m = \frac{Mh}{H} = \frac{7,8 \cdot 10^{-15} \text{e} \cdot 3 \cdot 10^{-3} \text{cm}}{5 \cdot 10^5 \text{cm}} = 47 \cdot 10^{-24} \text{e}.$$

Hãy tự mình thực hiện một phép tính tương tự đối với hydro.

Hiện nay, khối lượng phân tử được xác định theo nhiều cách khác nhau và giá trị khối lượng cũng được tinh chỉnh. Ví dụ: khối lượng phân tử oxy hiện được đặt thành $54 \cdot 10^{-24} \text{e}$ và đối với hydro - $3,34 \cdot 10^{-24} \text{e}$.

Làm thế nào chúng ta có thể xác định khối lượng của các phân tử khí không thuộc khí quyển? Ở đây một quy luật tự nhiên đã đến giải cứu. Người ta đã phát hiện ra (điều này được thực hiện vào năm 1811 bởi nhà khoa học người Ý A. Avogadro) rằng những thể tích bằng nhau của tất cả các loại khí trong cùng điều kiện đều chứa cùng một số lượng phân tử. Điều này có nghĩa là $1 \text{m}^3$ oxy, nitơ, neon, carbon dioxide, v.v. ở $0^\circ \text{C}$ và áp suất khí quyển bình thường chứa cùng số lượng phân tử như $1 \text{m}^3$ hydro. Vậy nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về mật độ của các loại khí này là gì? Ví dụ, tại sao mật độ của neon, tức là khối lượng của nó $1 \text{m}^3$, bằng $0,9 \text{кг/м}^3$, và mật độ của hydro nhỏ hơn 10 lần - $0,09 \text{кг/м}^3$? Trả lời câu hỏi này và xác định khối lượng của phân tử neon. Bạn cũng có thể tính khối lượng phân tử của các loại khí khác (ví dụ, mật độ của các loại khí được biểu thị trong các bảng trong sách giáo khoa “Vật lý 6”).

Sau khi làm quen với một trong những phương pháp xác định khối lượng phân tử, bạn có thể tin rằng những khối lượng này rất nhỏ. Có thể kết hợp nhiều phân tử lại với nhau không? Tất nhiên là không, mặc dù trong khoa học và công nghệ hiện đại, màu sắc rất gợi cảm được sử dụng. Nếu bạn cân hai mảnh giấy theo tỷ lệ như vậy và sau đó dùng bút chì đánh dấu một điểm trên một trong số chúng thì mọi người sẽ phát hiện ra khối lượng của nó. Có vẻ như không đáng để tính đến khối lượng phân tử. Nhưng mọi vật thể đều bao gồm các phân tử, có nghĩa là khối lượng của vật thể được tạo thành từ khối lượng phân tử. Có bao nhiêu phân tử trong cơ thể? Ví dụ, chúng ta hãy tìm xem có bao nhiêu phân tử hydro được chứa trong “quả bóng bay” của một đứa trẻ nếu khối lượng của toàn bộ hydro trong đó bằng $3 \text{e}$. Khi đó số phân tử sẽ bằng $3 \text{e}: 3 \cdot 10^{-24} \text{e} = 10^{24}$, tức là $1 000 000 000 000 000 000$. Bây giờ chúng ta đã chuyển từ số lượng nhỏ không thể tưởng tượng được sang số lượng lớn không thể tưởng tượng được!

Để tạo ra ít nhất một số ý tưởng về độ lớn của con số này, hãy thực hiện thêm một phép tính (cuối cùng!). Nếu bạn tạo một vết thủng mỏng trên quả bóng cao su này đến mức $1 000 000$ phân tử thoát ra khỏi nó mỗi giây, thì sẽ mất khoảng 30 tỷ năm để tất cả các phân tử thoát ra khỏi quả bóng.