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 — два атома водорода и один атом кислорода.
Молекулы очень малы: размер молекулы воды около 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?
- Окрашивание — это диффузия молекул заварки в воду.
- В горячей воде молекулы движутся быстрее.
- 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.
| 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?
- В газе расстояния между молекулами во много раз больше размеров самих молекул.
- При сжатии молекулы газа просто сближаются, заполняя пустоту.
- 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: 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
- Инерция. Масса и плотность — масса и плотность: почему кубик свинца тяжелее такого же кубика дерева.
- Тепловое движение. Внутренняя энергия. Теплопередача — тепловое движение молекул, внутренняя энергия и теплопередача.