Перейти к содержимому
RanimusВетвь разума

Строение вещества

Молекулы и атомы, диффузия, взаимодействие молекул, агрегатные состояния вещества.

ДоступнаСложность: ★☆☆☆☆Время: 50 минЗа прохождение: 30 (с первой попытки 36)
Пройти тест Пропустить тему

Пожаловаться

Зачем это нужно

Почему запах духов за минуту расходится по комнате? Почему сахар растворяется в чае быстрее, чем в холодной воде? Почему камень трудно сжать, а воздух в насосе — легко? На все эти вопросы отвечает одна идея: все вещества состоят из мельчайших частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют.

Эта идея — основа молекулярной физики, химии, материаловедения. Из неё в 8 классе вырастет понятие внутренней энергии и теплопередачи, а в 10 — молекулярно-кинетическая теория газов.

Молекулы и атомы

Ещё древнегреческий философ Демокрит (V век до н. э.) утверждал, что всё состоит из неделимых частиц — атомов. Научно эту гипотезу доказали только в XIX–XX веках.

  • Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекула воды — одна и та же и в капле, и в льдинке, и в паре.
  • Атом — частица, из которой состоят молекулы. Молекула воды H2O\text{H}_2\text{O} — два атома водорода и один атом кислорода.

Молекулы очень малы: размер молекулы воды около 0,000 000 000 30{,}000\,000\,000\,3 м (три десятимиллиардных доли метра). В одной капле воды их больше, чем капель во всех морях Земли. Увидеть отдельные молекулы можно только в электронный или туннельный микроскоп.

Доказательство существования промежутков между молекулами: при нагревании тела расширяются (промежутки растут), а при смешивании 50 мл воды и 50 мл спирта получается меньше 100 мл — молекулы одного вещества частично «заполняют» промежутки между молекулами другого.

Движение молекул. Броуновское движение и диффузия

Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении. Прямые доказательства:

Броуновское движение. В 1827 году ботаник Роберт Броун увидел в микроскоп, что крошечные частицы пыльцы в воде непрерывно и беспорядочно «дрожат». Их толкают со всех сторон молекулы воды, и толчки не уравновешиваются. Чем выше температура, тем энергичнее движение.

Диффузия — явление взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого. Примеры:

  • запах духов распространяется по комнате (в газах — секунды и минуты);
  • капля чернил окрашивает воду в стакане (в жидкостях — минуты и часы);
  • золотая и свинцовая пластины, прижатые друг к другу, за несколько лет проникают друг в друга на миллиметр (в твёрдых телах — годы).

Скорость диффузии растёт с температурой: чем теплее, тем быстрее движутся молекулы. Поэтому сахар быстрее растворяется в горячем чае, а огурцы солятся быстрее в горячем рассоле.

Разобранный пример 1

В два стакана — с холодной и горячей водой — одновременно опустили по пакетику чая. Где вода окрасится быстрее и почему?

  1. Окрашивание — это диффузия молекул заварки в воду.
  2. В горячей воде молекулы движутся быстрее.
  3. Значит, диффузия идёт быстрее, и горячая вода окрасится раньше.

Взаимодействие молекул

Почему твёрдые тела не рассыпаются на отдельные молекулы? Потому что молекулы притягиваются друг к другу. Но если тело сжимать, оно сопротивляется — значит, молекулы ещё и отталкиваются.

  • Притяжение заметно лишь на очень малых расстояниях (порядка размеров самих молекул). Поэтому два куска мела, сложенные изломами, не склеиваются: слишком мало точек «настоящего» соприкосновения. А два гладких свинцовых цилиндра, прижатые срезами, слипаются так прочно, что выдерживают гирю.
  • Смачивание: если молекулы жидкости притягиваются к молекулам твёрдого тела сильнее, чем друг к другу, жидкость растекается по поверхности (вода на чистом стекле); иначе — собирается в капли (вода на жирной поверхности, на листьях лотоса).

Три агрегатных состояния вещества

Одно и то же вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Вода — лёд, жидкая вода, водяной пар. Молекулы при этом одинаковые — меняется их расположение и движение.

Расположение молекул в твёрдом теле, жидкости и газе: в твёрдом теле — упорядоченная решётка, в жидкости — плотно, но беспорядочно, в газе — далеко друг от друга

Свойство Твёрдое тело Жидкость Газ
форма сохраняет принимает форму сосуда заполняет весь сосуд
объём сохраняет сохраняет занимает весь объём сосуда
сжимаемость почти не сжимается почти не сжимается легко сжимается
расположение молекул упорядочено (кристалл) вплотную, без порядка далеко друг от друга
движение молекул колебания около положений равновесия колебания и «перескоки» свободный полёт до столкновения

Разобранный пример 2

Почему газ легко сжать, а жидкость — почти нельзя?

  1. В газе расстояния между молекулами во много раз больше размеров самих молекул.
  2. При сжатии молекулы газа просто сближаются, заполняя пустоту.
  3. В жидкости молекулы и так почти вплотную; сблизить их сильнее мешают силы отталкивания.

Разобранный пример 3

В закрытую бутылку налили 0,5 л воды и закачали воздух. Какой объём занимает воздух, если вместимость бутылки 1,5 л?

Вода сохраняет объём: 0,5 л. Газ занимает всё оставшееся пространство: 1,5−0,5=11{,}5 - 0{,}5 = 1 л.

Типичные ошибки

  • Считать, что при нагревании молекулы увеличиваются. Увеличиваются промежутки между ними.
  • Говорить, что молекулы льда и воды разные. Молекулы одинаковые, отличаются расположение и движение.
  • Думать, что в твёрдых телах диффузии нет. Она есть, но идёт очень медленно.
  • Объяснять отсутствие склеивания кусков мела отсутствием притяжения. Притяжение есть, но действует лишь на очень малых расстояниях.
  • Путать броуновское движение (движение видимых частиц) с движением самих молекул (их не видно).

Что дальше