- Строение вещества
- Молекулы
- Броуновское движение
- Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах
- знать понятия: молекула, атом, броуновское движение, диффузия
- уметь приводить примеры опытов, подтверждающих, что все вещества состоят из молекул; объяснять, как скорость броуновской частицы и диффузии зависит от температуры; приводить примеры диффузии
- Из чего состоят все вещества?
- Что такое броуновское движение?
- Что такое диффузия?
Строение вещества
Вопросы о том, из чего состоят все вещества и какова мельчайшая частица вещества, издавна волновали учёных. Более двух с половиной тысяч лет назад древнегреческие учёные Демокрит, Эпикур, Лукреций и другие предложили атомарную гипотезу строения вещества. Основной её тезис заключался в том, что все вещества состоят из мельчайших неизменных частиц — атомов. И только 100–150 лет назад были получены первые представления о размерах молекул и атомов.
Рассмотрим некоторые простые опыты, подтверждающие, что все вещества состоят из мельчайших частиц.
Рис. 1. Расширение твёрдого тела при его нагревании
Пусть имеется латунный шарик, который, находясь при комнатной температуре, свободно проходит через кольцо (рис. 1). Нагреем шарик, подержав его над горячей спиртовкой. Вследствие нагревания шарик несколько увеличится в объёме и уже не будет проходить сквозь кольцо.
Рис. 2. Расширение жидкости при её нагревании
Рассмотрим другой пример. Пусть в колбе при комнатной температуре находится некоторое количество воды (рис. 2). Если нагреть жидкость, можно наблюдать увеличение уровня воды в сосуде, что свидетельствует о расширении жидкости.
Проделанные опыты позволяют сделать вывод: при нагревании объём тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.
Изменение объёма объясняется тем, что все вещества состоят из мельчайших частичек, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга. При нагревании расстояния между частичками вещества увеличиваются, что приводит к увеличению объёма тела. При охлаждении происходит обратный процесс: расстояния между частичками вещества уменьшаются — тело сжимается.
Рис. 3. Частицы марганцовки, разведённые в воде
Частицы вещества настолько малы, что их невозможно увидеть невооружённым взглядом.
Убедиться в том, что размеры частиц вещества очень малы, помогает простой опыт: разведём в колбе с водой частичку марганцовки. Отольём часть раствора в другой сосуд и добавим в первый сосуд чистой воды. Полученный раствор окажется не таким ярким, как в первом случае. Повторим процесс: отольём часть второго раствора в третий сосуд и снова добавим чистой воды. Полученный в третьем случае раствор будет ещё более прозрачным, чем второй (рис. 3). В первом сосуде была растворена лишь одна крупинка марганцовки, но, несмотря на это, получившийся в конечном итоге раствор имеет не такой яркий, но равномерный цвет. Проделанный опыт позволяет убедиться, что одна крупинка марганцовки состоит из огромного количества мельчайших частиц.
Молекулы
Все вещества состоят из частиц, получивших название молекулы. Все молекулы одного и того же вещества обладают одинаковыми свойствами: так, молекула воды будет иметь одинаковые свойства и состав, будь то капля росы или поток воды из крана. При изменении агрегатных состояний вещества меняется расстояние между молекулами, их взаимное расположение и характер связей, но сама молекула остаётся прежней: лёд и пар — два разных состояния одного вещества, поэтому, несмотря на их разные свойства, они по-прежнему состоят из одинаковых молекул воды.
Молекула каждого вещества уникальна, поэтому разные вещества обладают разными свойствами. Комбинируя различные вещества, создавая смеси и сплавы, можно получать материалы с новыми заданными свойствами.
Рис. 4. Растекание капли масла по воде
Чтобы оценить размеры молекул веществ, можно попробовать механическим путём получить как можно более тонкий слой вещества — размер молекулы не может быть больше толщины этого слоя. Так, уже в XVIII веке ювелиры умели изготавливать пластины золота толщиной около 10-9 м. Можно сделать вывод, что размер атома золота не превышает 1 нм. Аналогичным способом можно оценить размеры молекул масла, измерив толщину плёнки, получаемой при растекании масла по поверхности воды (рис. 4).
С развитием технологий, в том числе появлением электронного микроскопа, появилась возможность наблюдать и исследовать молекулы и атомы вещества. Размер большинства молекул составляет около
0,2 нм.
Молекула любого вещества состоит из более мелких частиц — одного или нескольких атомов. Классификация атомов по количеству протонов и нейтронов в ядре отображена в периодической системе химических элементов Менделеева, где каждому элементу в зависимости от его зарядового числа предоставляется соответствующий номер. Например, молекула водорода H2 состоит из двух одинаковых атомов водорода (рис. 5, а); молекула воды H2О состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 5, б), молекула углекислого газа СО2 состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода (рис. 5, в).
Рис. 5. Молекулы водорода, воды и углекислого газа
Обозначение молекулы содержит названия всех атомов, из которых она состоит, с указанием их количества. Так, молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода.
Молекула — мельчайшая частица вещества, состоящая из одного или нескольких атомов, имеющая все химические свойства данного вещества.
Атом — наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами.
При изучении и описании многих физических явлений и свойств веществ внутреннее строение молекул можно не учитывать, в этом случае молекулу представляют как маленький жёсткий шарик, обладающий постоянной массой и свойствами — модель молекулы. К моделированию прибегают для того, чтобы упростить расчёты и описание реальных объектов при их изучении.
Броуновское движение
Если капнуть каплю синей краски в стакан с чистой водой, но не перемешивать жидкость, можно наблюдать, как вода постепенно изменяет свой цвет и приобретает голубой оттенок, несмотря на отсутствие внешнего воздействия. Как объяснить наблюдаемое явление?
Рис. 6. Броуновское движение
Впервые данное явление описал английский ботаник Роберт Броун (1773–1858) в 1827 г. Учёный наблюдал в микроскоп непрерывное движение частиц пыльцы растений в капле воды (рис. 6). Напомним, что молекулы невозможно увидеть в обычный
микроскоп — их размеры слишком малы, но можно увидеть, что крупинки краски или пыльцы, находящиеся в жидкости, постоянно движутся. Движение твёрдых частиц в жидкости или газе получило название броуновское движение.
Броуновское движение — это беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Причина броуновского движения заключается в том, что молекулы жидкости (или газа) находятся в непрерывном хаотическом движении: частицы жидкости сталкиваются с частицами твёрдого вещества и заставляют их изменить своё положение.
При неизменных внешних условиях средняя скорость хаотического движения молекул среды остаётся постоянной с течением времени. Также установлено, что с ростом температуры возрастает скорость броуновских частиц, следовательно, возрастает и скорость молекул жидкости. Вследствие зависимости скорости молекул от температуры хаотическое движение частиц было названо тепловым.
Частицы жидкости (газа) находятся в непрерывном хаотическом движении. Скорость хаотического движения молекул зависит от температуры: чем выше температура, тем больше скорость частиц.
Непрерывное хаотическое движение молекул называется тепловым .
Движение броуновских частиц, как и тепловое движение молекул жидкости или газа, никогда не прекращается, даже при самых низких температурах. Учёным удалось зафиксировать движение взвешенных частиц в каплях воды, замурованных в кусках кварца и пролежавших в земле тысячи лет.
Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах
Рис. 7. Диффузия в жидкости
Если бросить в воду несколько кристаллов перманганата калия (рис. 7), молекулы воды, находясь в постоянном движении, будут взаимодействовать с частицами марганцовки. Частички марганцовки, сталкиваясь с молекулами воды, начнут хаотически двигаться по всему объёму сосуда. В результате такого взаимодействия вода с течением времени равномерно окрасится в розовый цвет — вещества перемешались. Данное явление получило название диффузия.
Диффузия — процесс взаимного проникновения друг в друга контактирующих веществ вследствие теплового движения молекул.
В процессе диффузии молекулы одного вещества из-за непрерывного хаотического движения проникают между молекулами другого вещества. Явление диффузии наблюдается не только в жидкостях, но и в газах, и в твёрдых телах. Быстрее всего вещества перемешиваются в газах, так как скорость молекул у них наибольшая, медленнее всего смешиваются твёрдые вещества — видимый результат может быть получен лишь через несколько лет.
Рис. 8. Диффузия в твёрдых телах
Так, если положить свинцовую и золотую пластинки под пресс, через несколько лет граница раздела сред станет размытой: уже через пять лет молекулы золота и свинца проникнут друг в друга на один миллиметр (рис. 8). Ускорить данный процесс можно увеличением температуры окружающей среды.
Чем выше температура окружающей среды, тем больше скорость хаотического движения молекул — тем быстрее протекает диффузия.
Растворение сахара в чае, маринование грибов, смешивание красок художниками, распространение запахов в воздухе — всё это примеры диффузии, встречающиеся нам ежедневно. В природе диффузия играет важнейшую роль: без неё растения бы не получали смесь питательных веществ из почвы и кислород, а атмосфера вблизи поверхности Земли не была бы равномерно насыщена необходимыми нам для дыхания веществами. В технике способность веществ проникать друг в друга используют для получения новых материалов с заданными свойствами.
Итоги
Все вещества состоят из мельчайших частичек, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга. При нагревании расстояния между частичками вещества увеличиваются, что приводит к увеличению объёма тела. При охлаждении происходит обратный процесс: расстояния между частичками вещества уменьшаются — тело сжимается.
Молекула
— мельчайшая частица вещества, состоящая из одного или нескольких атомов, имеющая все химические свойства данного вещества.
Атом — наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами.
Броуновское движение
— это беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Диффузия
— процесс взаимного проникновения друг в друга контактирующих веществ вследствие теплового движения молекул.
Контрольные вопросы
1. Если в холодную погоду вынести на улицу наполненный воздухом воздушный шарик, он немного сдуется. Как объяснить данное явление с точки зрения строения вещества?
2. Дайте определение броуновского движения.
3. Приведите примеры диффузии.
