Строениевещества
Введение
Еще вглубокой древности, 2500 лет назад, некоторые ученые высказывали предположениео строении вещества. Греческий ученый Демокрит (460-370 до н. э.) считал, чтовсе вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта идеяпревратилась только в ХVIII в.и получила дальнейшее развитие в XIX в. Возникновение представлений о строениивещества позволило не только объяснить многие явления, но и предсказать, какони будут протекать в тех или иных условиях. Появилась возможность влиять напрохождение явлений.
Многие опытыподтверждают представления о строении вещества. Рассмотрим некоторые из них.
Попытаемсясжать теннисный мячик. При этом объем воздуха, который заполняет мяч,уменьшится. Можно уменьшить и объем надувного шарика, и кусочка воска, еслиприложить некоторое усилие.
Объем телаизменяется также при его нагревании и охлаждении.
Проделаемопыт. Возьмем медный или латунный шарик, который в не нагретом состояниипроходит сквозь кольцо. Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозькольцо не пройдет. Через некоторое время шарик, остыв, уменьшится в объеме, акольцо, нагревшись от шарика, расширится, и шарик вновь пройдет сквозь кольцо.
С помощьюопыта определим, как меняется объем жидкости при нагревании.
Колбу,наполненную доверху водой, плотно закроем пробкой. Сквозь пробку пропустимстеклянную трубочку. Вода частично заполнит трубку. Отметим уровень жидкости втрубке. Нагревая колбу, мы заметим, что через некоторое время уровень воды втрубке поднимется.
Следовательно,при нагревании объем тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.
Попытаемсяобъяснить, почему происходит изменение объема тела. По-видимому, все веществасостоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицыудаляются друг от друга, то объем тела увеличивается. И наоборот, когда частицысближаются, объем тела уменьшается.
Тогдавозникает вопрос: если все тела состоят из мельчайших частиц, почему оникажутся нам сплошными (например, железо, вода, стекло, дерево)?
Современнаянаука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.
Для того чтобыубедиться в том, что частицы вещества малы, проделаем опыт.
В сосуде сводой растворим маленькую крупинку синей гуаши. Через некоторое время вода внем станет синей. Отольем немного окрашенной воды в другой сосуд и дольем внего чистую воду. Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом.Потом из второго сосуда снова отольем раствор уже в третий сосуд и дольем еговновь чистой водой. В этом сосуде вода будет окрашена еще слабее, чем вовтором.
Поскольку вводе растворили очень маленькую крупинку гуаши и только часть ее попала втретий сосуд, то можно предположить, что крупинка состояла из большого числамельчайших частиц.
Этот опыт имногие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из оченьмаленьких частиц.
Молекулы
Все веществасостоят из отдельных частиц — это предположение было доказано современнойнаукой. Эти частицы были названы молекулами (в переводе с латинского «маленькаямасса»).
Молекулавещества — это мельчайшая частица данного вещества.
Например,самая маленькая частица воды — молекула воды. Наименьшей частицей сахараявляется молекула сахара.
Попытаемсяпредставить себе, каковы размеры молекул.
Если бы можнобыло уложить в один ряд вплотную друг к другу 10000000 молекул воды, тополучилась бы ниточка длиной всего в 2 мм. Малый размер молекул позволяетполучить тонкие пленки различных веществ. Капля масла, например, можетрастекаться по воде слоем толщиной всего в 0,000002 м.
Даженебольшие тела состоят из огромного числа молекул. Так, например, в крупинкесахара содержится очень большое число молекул. Подсчитано, что в 1 воздуханаходится около 27 молекул. Чтобы понять, насколько велико это число,представим следующее. Через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекулв секунду, тогда указанное количество молекул пройдет через отверстие за 840000лет.
Из-за оченьмалых размеров молекулы невидимы невооруженным глазом или в обычные микроскопы.Но при помощи специального прибора — электронного микроскопа – удалось сфотографироватьнаиболее крупные из них.
Окружающиенас тела, даже похожие на первый взгляд, будут различны. В природе вы не встретитедвух совершенно одинаковых снежинок или песчинок, людей, животных и пр.
Ученые спомощью опытов доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга,а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Например, воду, полученную из сокаили молока, нельзя отличить от воды, полученной путем перегонки из морскойводы.
Молекулы водыодинаковы. Из таких молекул не может состоять никакое другое вещество.Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — атомов.
Например,наименьшая частица воды — это молекула воды. Она состоит из трех атомов: двухатомов водорода и одного атома кислорода. Из курса химии вы узнаете, что воду обозначаютО. Н — атом водорода, О — атом кислорода.
Молекулыпринято изображать схематически, т. е. с помощью моделей молекул. Если разделитьдве молекулы воды, то образуется два атома кислорода и четыре атома водорода.
Диффузия вгазах, жидкостях и твердых телах
Всем хорошоизвестно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духиили нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате.Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов (илинафталина) движутся.
Возникаетвопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустянекоторое время.
Дело в том,что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешаетдвижение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем путисталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянноменяют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются покомнате.
Проделаемопыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул, которыенаходятся в непрерывном движении.
Нальем вмензурку (или стакан) раствор медного купороса, имеющего темно-голубой цвет.Сверху осторожно добавим чистой воды.
Вначале междуводой и медным купоросом будет видна резкая граница, которая через несколькодней станет не такой резкой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой,исчезнет через 2-3 недели. В сосуде образуется однородная жидкостьбледно-голубого цвета. Это значит, что жидкости перемешались.
Наблюдаемоеявление объясняется тем, что молекулы воды и медного купороса, которые расположенывозле границы раздела этих жидкостей, поменялись местами. Граница раздела сталарасплывчатой. Молекулы медного купороса оказались в нижнем слое воды, амолекулы воды переместились в верхний слой медного купороса.
Если датьмензурке постоять 2-3 недели, то граница раздела будет еще более расплывчатой ипостепенно совсем исчезнет. Вся вода окрасится в голубой цвет. Это происходитпотому, что молекулы, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются повсему объему. Жидкость в сосуде становится однородной.
Явление, прикотором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества междумолекулами другого, называют диффузией.
В твердыхтелах также происходит диффузия, но только еще медленнее.
Например,очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую иставят на них некоторый груз. (Пластинку золота, как более тяжелую, располагаютвнизу.) При комнатной температуре за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникаютдруг в друга на расстояние около 1 мм. Во всех приведенных опытах мы наблюдаемвзаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию.
Процессдиффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что сповышением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Явлениедиффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузииподдерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли.Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питаниюрастений и т. д.
Взаимноепритяжение и отталкивание молекул
Если все теласостоят из мельчайших частиц (молекул или атомов), почему же твердые тела ижидкости не распадаются на отдельные молекулы или атомы? Что заставляет ихдержаться вместе, ведь молекулы разделены между собой промежутками и находятсяв непрерывном беспорядочном движении?
Дело в том,что между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекулапритягивает к себе все соседние молекулы и сама притягивается ими.
Когда мыразрываем нить, ломаем палку или отрываем кусочек бумаги, то преодолеваем силыпритяжения между молекулами.
Заметитьпритяжение между двумя молекулами совершенно невозможно. Когда же притягиваютсямногие миллионы таких частиц, взаимное притяжение становится значительным.Поэтому трудно разорвать руками веревку или стальную проволоку.
Притяжениемежду молекулами в разных веществах неодинаково. Этим объясняется различнаяпрочность тел. Например, стальная проволока прочнее медной. Это значит, чточастицы стали притягиваются сильнее друг к другу, чем частицы меди.
Притяжение междумолекулами становится заметным только тогда, когда они находятся очень близкодруг к другу. На расстоянии, превышающем размеры самих молекул, притяжениеослабевает. Две капли воды сливаются в одну, если они соприкасаются. Двасвинцовых цилиндра сцепляются вместе, если их вплотную прижать друг к другуровными, только что срезанными поверхностями. При этом сцепление может бытьнастолько прочным, что цилиндры не удается оторвать друг от друга даже прибольшой нагрузке.
Однакоосколки стекла нельзя срастить, даже плотно прижимая их. Из-за неровностей неудается их сблизить на то расстояние, на котором частицы могут притянуться другк другу. Но если размягчить стекло путем нагрева, то различные части можносблизить и стекло в этом случае спаивается.
Это значит,что частицы стекла оказались на таком расстоянии, когда действует притяжениемежду ними.
Соединениекусков металла при сварке или пайке, а также склеивание основано на притяжениимолекул друг к другу.
Следовательно,между молекулами (атомами) существует взаимное притяжение, которое заметнотолько на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов).
Попытаемсявыяснить, почему между молекулами имеются промежутки. Если молекулыпритягиваются друг к другу, то они должны как бы слипнуться. Этого не происходит,потому что между молекулами (атомами) в то же время существует отталкивание.
Нарасстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляетсяпритяжение, а при дальнейшем сближении — отталкивание.
Многиенаблюдаемые явления подтверждают существование отталкивания между молекулами.
Так,например, сжатое тело распрямляется. Это происходит из-за того, что при сжатиимолекулы оказываются на таком расстоянии друг от друга, когда начинаетпроявляться отталкивание.
Некоторыеявления, происходящие в природе, можно объяснить притяжения между молекулами.По растяжению пружины можно судить о том, насколько оно велико. Оторвавпластинку, можно увидеть, что на ней остается тонкий слой воды, т. е. пластинасмочена водой. Значит, при отрывании пластины мы преодолевали притяжение междумолекулами воды. Разрыв произошел не там, где соприкасаются молекулы воды счастицами стекла, а там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом.
Водасмачивает не только стекло, но и кожу, дерево и другие вещества. Во многихслучаях вода может и не смачивать тела. Например, если опустить в воду кусочеквоска или парафина, а затем вынуть, то он окажется сухим. Всем хорошо известно,что вода не смачивает и жирные поверхности тел.
Всеприведенные примеры можно легко объяснить.
Если жидкостьсмачивает твердое тело, то это значит, что молекулы жидкости притягиваются другк другу слабее, чем к молекулам тела.
Когданаблюдается несмачиваемость, то это означает, что молекулы жидкостипритягиваются сильнее друг к другу, чем к молекулам твердого тела.
В быту мычасто сталкиваемся с явлениями смачивания и несмачивания.
Так,например, благодаря явлению смачивания мы можем писать, вытирать мокрыепредметы и т. д.
Агрегатныесостояния вещества
В природевещества встречаются в трех агрегатных состояниях: в твердом, жидком игазообразном. Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) игазообразном (водяной пар) состояниях. В хорошо знакомом вам градуснике ртуть — это жидкость. Над поверхностью ртути находятся ее пары, а при температуре -39ртуть превращается в твердое тело.
В различныхсостояниях вещества обладают разными свойствами.
Большинствоокружающих нас тел состоят из твердых веществ. Это дома, машины, инструменты идр. Форму твердого тела можно изменить, но для этого необходимо приложитьусилие. Например, чтобы согнуть гвоздь, нужно приложить довольно большоеусилие.
В обычныхусловиях трудно сжать или растянуть твердое тело. Для придания твердым теламнужной формы и объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальныхстанках: токарных, строгальных, шлифовальных.
Твердое телоимеет собственную форму и объем.
В отличие оттвердых тел жидкости легко меняют свою форму.
Они принимаютформу сосуда, в котором находятся.
Например,молоко, наполняющее бутылку, имеет форму бутылки. Налитое же в стакан, онопринимает форму стакана. Но, изменяя форму, жидкость сохраняет свой объем.
В обычныхусловиях только маленькие капельки жидкости имеют свою форму — форму шара. Это,например, капли дождя или капли, на которые разбивается струя жидкости.
На свойствежидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов израсплавленного стекла.
Жидкостилегко меняют свою форму, но сохраняют объем.
Воздух,которым мы дышим, является газообразным веществом, или газом. Посколькубольшинство газов бесцветны и прозрачны, то они невидимы.
Присутствиевоздуха можно почувствовать, стоя у открытого окна движущегося поезда. Егоналичие в окружающем пространстве можно ощутить, если в комнате возникнетсквозняк, а также доказать с помощью простых опытов.
Если стаканперевернуть вверх дном и попытаться опустить его в воду, то вода в стакан невойдет, поскольку он заполнен воздухом. Теперь опустим в воду воронку, котораясоединена резиновым шлангом со стеклянной трубочкой. Воздух из воронки начнетвыходить через эту трубочку.
Эти и многиедругие примеры и опыты подтверждают, что в окружающем пространстве имеетсявоздух.
Газы вотличие от жидкостей легко изменяют свой объем. Когда мы сжимаем теннисныймячик, то тем самым меняем объем воздуха, наполняющего мяч. Газ, помещенный взакрытый сосуд, занимает весь его целиком. Нельзя газом заполнить половинубутылки так, как это можно сделать жидкостью.
Газы не имеютсобственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностьюзаполняют предоставленный им объем.
Различие вмолекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов
Объяснитьсвойства веществ можно, если знать их молекулярное строение.
Одно и то жевещество может находиться в различных состояниях.
Так, например,вода, замерзая, становится твердым телом (лед), а при кипении обращается вгазообразное состояние (пар). Это три состояния одного и того же вещества(воды), т. е. жидкое, твердое и газообразное. А если все три состояния воды — это состояния одного и того же вещества, значит, и молекулы его не отличаютсядруг от друга. Отсюда можно сделать вывод, что различные свойства вещества вовсех состояниях определяются тем, что его молекулы расположены иначе и движутсяпо-разному.
Если газ сжимается,и объем его уменьшается, следовательно, в газах расстояние между молекуламинамного больше размеров самих молекул. Поскольку в среднем расстояния междумолекулами в десятки раз больше размера молекул, то они слабо притягиваютсядруг к другу.
Молекулыгаза, двигаясь во всех направлениях, почти не притягиваются друг к другу изаполняют весь сосуд. Газы не имеют собственной формы и постоянного объема.
Молекулыжидкости расположены близко друг к другу. Расстояния между каждыми двумямолекулами меньше размеров молекул, поэтому притяжение между ними становитсязначительным.
Молекулыжидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условияхсохраняет свой объем, но не сохраняет форму.
Посколькупритяжение между молекулами жидкости не так велико, то они могут скачкамименять свое положение. Жидкость не сохраняет свою форму и принимает формусосуда. Они текучи, их легко перелить из одного сосуда в другой.
Жидкостьтрудно сжимается, так как при этом молекулы сближаются на расстояние, когдазаметно проявляется отталкивание.
В твердыхтелах притяжение между молекулами (атомами) еще больше, чем у жидкостей.Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.
В твердыхтелах молекулы (атомы) расположены в определенном порядке. Это лед, соль,металлы и др. Такие тела называются кристаллами.
Молекулы илиатомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далекопереместиться от нее. Твердое тело, поэтому сохраняет не только объем, но иформу.