Раздел 4. Внутреннее строение вещества

Определения и обозначения

Молекулярное строение вещества — представление о том, что любое вещество состоит из мельчайших частиц. Оно помогает объяснить свойства тел не только внешним видом, но и тем, как устроено вещество внутри. Например, смешивание веществ можно связать с движением их частиц.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может состоять из одного или нескольких атомов. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать состав вещества и объяснять, почему при его превращениях сохраняются характерные свойства.

Атом — мельчайшая частица химического элемента, входящая в состав молекул. Атомы одного элемента относятся к одному виду, а из атомов разных элементов могут состоять сложные молекулы. Это понятие позволяет различать состав вещества и его мельчайшие составляющие.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Так, запах распространяется в воздухе, а капля красителя постепенно окрашивает воду. Это понятие связывает наблюдаемое перемешивание с движением частиц.

Как это устроено

О том, что вещества состоят из частиц, можно судить по наблюдаемым изменениям. Капля чернил постепенно окрашивает воду, а запах духов распространяется по комнате, хотя никто специально не перемешивает воздух. Если бы вещество было сплошным и неделимым, такие процессы было бы трудно объяснить. Модель частиц помогает понять, как вещество может проникать в промежутки между частицами другого.

Частицы постоянно движутся, но мы обычно не замечаем их по отдельности: они слишком малы, а их перемещения складываются в незаметный для глаза процесс. О движении можно догадаться по распространению запаха или постепенному смешиванию жидкостей. Ещё одно свидетельство — броуновское движение: так называют беспорядочное движение крошечных частиц, взвешенных в жидкости или газе. Их толкают со всех сторон невидимые молекулы среды.

В разных состояниях вещества расстояния и движения частиц неодинаковы. В твёрдом теле частицы расположены близко и колеблются около определённых положений, поэтому не могут свободно разойтись. В жидкости частицы тоже соседствуют, но могут перемещаться относительно друг друга. В газе промежутки намного больше, а частицы свободно и быстро движутся во всех направлениях.

Частицы взаимодействуют: на умеренном расстоянии они притягиваются, а при очень сильном сближении отталкиваются. Притяжение не даёт частицам разлететься, поэтому вещество может сохранять целостность. Отталкивание мешает частицам бесконечно сближаться. Именно совместное действие этих сил позволяет телу иметь определённый объём, а в твёрдом состоянии — сохранять ещё и форму.

При диффузии частицы двух веществ движутся хаотично и постепенно распределяются в общем объёме. Сама жидкость или газ не обязательно перемещаются целиком: смешивание происходит благодаря движениям отдельных частиц. Броуновское движение показывает похожее действие наглядно: частицу толкают молекулы среды с разных сторон, причём удары не уравновешиваются точно. Чем выше температура, тем интенсивнее движение частиц и тем быстрее обычно идёт диффузия.

Внутреннее строение вещества в разных агрегатных состояниях

Сравнивайте состояния по строкам: так легче увидеть, как движение и расположение частиц связаны со свойствами вещества. Например, способность жидкости менять форму объясняется тем, что её частицы могут перемещаться. Сохраняющая форму твёрдость связана с тем, что частицы колеблются около определённых положений.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему запах духов постепенно распространяется по комнате. Важно найти не только наблюдаемое явление, но и движение, которое его вызывает. Духи испаряются, и их частицы оказываются среди частиц воздуха. Дальше начинается их распространение по помещению.

1. После испарения частицы духов становятся частью газовой смеси. Они не стоят на месте, а хаотично движутся.
2. Двигаясь, частицы духов сталкиваются с молекулами воздуха и постепенно оказываются в разных местах комнаты. Такое взаимное проникновение частиц называют диффузией.
3. Сделайте вывод: запах распространяется потому, что частицы духов движутся и смешиваются с воздухом, а не потому, что воздух переносит их только в одном направлении.

Ответ: запах духов распространяется по комнате из-за хаотического движения частиц и диффузии в газах. В неподвижном воздухе процесс всё равно происходил бы, хотя сквозняк может ускорить перенос запаха.

Задача 2. В какой воде — холодной или горячей — быстрее разойдётся капля красителя? Объясните результат. Для решения нужно сравнить движение частиц при разных температурах. Если частицы движутся интенсивнее, обмен местами и смешивание идут быстрее. Поэтому сравниваем не только воду, но и скорость движения её частиц.

1. В обеих пробах частицы воды и красителя движутся, поэтому диффузия возможна и в холодной воде.
2. В горячей воде температура выше, а движение частиц интенсивнее. Частицы красителя и воды быстрее перемещаются и перемешиваются.
3. Следовательно, краситель быстрее распределится по горячей воде. Чтобы сравнение было справедливым, нужно взять одинаковые объёмы воды и одинаковые капли красителя, не перемешивая их вручную.

Ответ: быстрее диффузия происходит в горячей воде, потому что при повышении температуры частицы движутся интенсивнее.

Задача 3. Объясните, почему твёрдое тело сохраняет форму, жидкость принимает форму сосуда, а газ заполняет весь сосуд. Здесь нужно связать каждое наблюдаемое свойство с расположением, движением и взаимодействием частиц. Начните с твёрдого тела, где частицы меньше всего свободны в перемещениях. Затем сравните его с жидкостью и газом.

1. В твёрдом теле частицы близко расположены и колеблются около определённых положений. Поэтому они не перемещаются по всему телу, и оно сохраняет форму и объём.
2. В жидкости частицы остаются рядом, но могут перемещаться относительно друг друга. Жидкость сохраняет объём, но течёт и принимает форму сосуда.
3. В газе частицы находятся на больших расстояниях и свободно движутся. Они распространяются по всему доступному пространству, поэтому газ заполняет сосуд и не сохраняет собственные форму и объём.

Ответ: свойства трёх состояний объясняются различиями в расположении и движении частиц, а также в их взаимодействии.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что между частицами совсем нет промежутков. Так можно представить вещество, если думать о нём как о сплошном, но расстояния между частицами существуют и зависят от состояния. Проверьте себя: газ сжимается значительно легче жидкости, потому что в нём частицы расположены далеко друг от друга.

• Ошибка — думать, что частицы твёрдого тела неподвижны. Тело кажется неподвижным целиком, но его частицы колеблются около определённых положений. Чтобы проверить себя, вспомните: при нагревании колебания усиливаются, хотя твёрдое тело не начинает свободно течь.

• Ошибка — путать молекулу с атомом. Атом — частица химического элемента, а молекула сохраняет химические свойства вещества и может состоять из нескольких атомов. Спросите себя, о чём говорится: о составляющей химического элемента или о частице вещества.

• Ошибка — объяснять диффузию перемешиванием вещества целиком. Такое объяснение не показывает, почему смешивание происходит даже без видимого движения всего объёма. Проверьте рассуждение: в нём должно быть указано хаотическое движение частиц и их взаимное проникновение.

Связь с другими темами

Для понимания строения вещества нужны знакомые понятия вещества, массы, объёма и агрегатных состояний: они помогают описывать, что именно наблюдаем. Позже движение частиц поможет объяснить температуру и давление, а также тепловые явления. При изучении закона сохранения энергии можно будет рассматривать, как энергия связана с изменениями состояния и движением вещества. Поэтому представление о частицах служит основой для нескольких тем физики.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества постоянно и хаотично движутся.
• Между частицами существуют промежутки.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• Диффузия подтверждает движение частиц.
• Чем выше температура, тем интенсивнее движение частиц.
• Свойства агрегатных состояний объясняются расположением и движением частиц.