Можно ли взвесить молекулу

космическая молекула

В этой статье мы хотим вас познакомить с одним из способов определения массы молекул. Известно, что атмосфера Земли состоит из разных газов — азота, кислорода, водорода, углекислого газа и других. Высота атмосферы велика; установлено, что она простирается до 2000 км от поверхности Земли, но основная масса газа сосредоточена внизу. В нижнем слое атмосферы, высота которого всего 16 км, содержится 0,9 ее массы.

Почему «оседают» молекулы? Причина в том, что на них действует сила тяжести, направленная к Земле. Но почему же тогда воздух не «падает» на Землю и не образует тонкий слой на ее поверхности? Этому препятствует непрерывное беспорядочное движение молекул воздуха. Благодаря этому движению молекулы разлетелись бы по всему мировому пространству, не будь силы тяжести, которая тянет их вниз.

Значит, высота атмосферы, ее средняя плотность, распределение молекул по высоте зависят от масс молекул газов, входящих в состав атмосферы — ведь чем больше масса молекулы, тем больше действующая на нее сила тяжести. Например, если бы атмосфера состояла только из кислорода, то на высоте 5 км ее плотность была бы в два раза меньше, чем у поверхности Земли, а если бы она состояла только из водорода, то это произошло бы на высоте 80 км.

Конечно, распределение молекул зависит и от температуры, так как с температурой связана скорость движения молекул. Как вы думаете, как изменились бы приведенные выше числа, если бы Земля стала двигаться по орбите, более близкой к Солнцу (например, «поменялась местами» с Венерой)? А если бы Земля удалилась от Солнца («поменялась местами» с Марсом)?

Но какое отношение имеет наш рассказ об атмосфере к определению масс молекул? Дело в том, что французский ученый Жан Перрен создал как бы маленькое подобие земной атмосферы, в котором роль молекул играли частицы, хотя и чрезвычайно малые, но все же такие, что их можно было увидеть в микроскоп и определить их размеры и массы.

Для этого перемешали с водой смолу так, что образовалась смесь, содержащая отдельные микроскопические капельки смолы. Такую смесь называют эмульсией (например, сливки в молоке, пока они не отстоятся, образуют эмульсию).

Еще до того, как был поставлен этот опыт, ученые предполагали, что капли смолы в воде будут вести себя так же, как молекулы в атмосфере. Опыты, которые Перрен начал в 1908 году, подтвердили это предположение.

Капельки смолы имели форму шариков, их диаметр был измерен и оказался (в одном из серии опытов) равным 0,00005 см. Как видите, диаметр их очень мал, но все же намного больше диаметра молекул (напомним, что диаметр молекул имеет величину порядка 10-8 см).

Замечательна та точность и добросовестность, с которой проводились эти опыты. Капли разного размера множество раз отделяли друг от друга, чтобы получить однородные эмульсии. Проводили несколько серий измерений, используя и «крупные» капли — диаметром в 5 десятитысячных долей миллиметра, и мелкие — диаметром в 14 стотысячных его долей.

Биомолекула

Размеры капель определяли разными способами, например способом рядов. Измерив длину ряда, сосчитав число капель в нем и зная, с каким увеличением сделана фотография, определяли средний диаметр капли. Известно, что такие измерения дают более точные результаты, чем измерения одной частицы.

Когда образовалась эмульсия, капельки стали оседать на дно сосуда и оседали долго — несколько месяцев, пока не наступило равновесие. Все ли они расположились около самого дна? Heт, получилась картина, напоминающая атмосферу Земли: у самого дна число капелек было наибольшим, а затем оно постепенно убывало с высотой. Причина такого распределения капелек в слоях эмульсии та же, что и для молекул воздуха в атмосфере. Разница лишь в том, что капли смолы двигаются не сами, их со всех сторон беспорядочно толкают молекулы окружающей воды.

Весь слой эмульсии, вся эта маленькая атмосфера имела толщину 0,01 см. Чтобы подсчитать число капелек в разных слоях, поступили следующим образом. Эмульсию поместили под микроскоп. Сначала микроскоп сфокусировали так, чтобы резко был виден самый нижний слой (толщиной примерно 0,0001 см), и пересчитали число капелек смолы в нем. Затем микроскоп сфокусировали на следующий слой и т. д. Считать капли было нелегко, они все время перемещались, число их было огромно (десятки тысяч штук). В одном из опытов Перрен пересчитал 13 000 капель на четырех уровнях.

В опытах Перрена было твердо установлено, что капельки смолы в эмульсии распределяются под действием силы тяжести точно по такому же закону, как и молекулы в атмосфере Земли. Опыты проделали много раз, в разных вариантах: меняли смолу, добавляли в воду глицерин, и результаты опыта оставались прежними. Следовательно, мы можем с полным правом сравнить распределение капель смолы в эмульсии с распределением молекул в атмосфере и таким образом определить массы молекул газов, содержащихся в воздухе.

Автор: Н. А. Родина.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *