§ 25. Строение вещества

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента. Из атомов построены молекулы и многие вещества, поэтому атом рассматривают как один из основных «кирпичиков» вещества. Его электрическая нейтральность означает, что положительный и отрицательный заряды внутри атома в целом уравновешены.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекула может состоять из одного атома, как у некоторых благородных газов, или из нескольких атомов, соединённых между собой. Понятие молекулы помогает объяснить, почему вещество сохраняет свои свойства даже при очень малых размерах частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их хаотического движения. Например, частицы запаха постепенно распространяются по комнате, смешиваясь с воздухом. Это понятие нужно, чтобы описывать самопроизвольное перемешивание веществ без внешнего перемешивания.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение малых видимых частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул среды. Такая частица сама не обязана быть молекулой: её толкают с разных сторон невидимые молекулы. Явление служит прямым наблюдаемым подтверждением движения частиц вещества.

Как это устроено

Вещество имеет прерывистое строение: любое тело состоит из отдельных частиц, а не представляет собой абсолютно сплошную среду. Между частицами существуют промежутки, хотя в обычных условиях тело кажется непрерывным. Это объясняет, почему в некоторых случаях частицы одного вещества могут проникать в промежутки между частицами другого.

Частицы вещества постоянно и хаотично движутся, потому что не существует единого направления, в котором они перемещались бы все вместе. Их движения сталкиваются и изменяются под действием соседних частиц. Поэтому со временем вещества самопроизвольно перемешиваются, а наблюдаемым результатом становится диффузия.

Частицы взаимодействуют друг с другом: на сравнительно больших расстояниях между ними заметно притяжение, а при сильном сближении возникает отталкивание. Притяжение не даёт частицам легко разлететься, поэтому тело сохраняет целостность. Отталкивание препятствует тому, чтобы частицы заняли одно и то же место, поэтому тело трудно сжать.

Диффузия показывает, что частицы действительно движутся, хотя увидеть отдельную молекулу не удаётся. При повышении температуры средняя энергия и интенсивность движения частиц обычно увеличиваются. Поэтому запах распространяется быстрее, а растворение и смешивание веществ происходят интенсивнее.

Броуновская частица получает с разных сторон удары молекул жидкости или газа. В каждый момент число и сила ударов с противоположных сторон немного различаются, поэтому их действия не компенсируются. Частица начинает двигаться рывками в случайных направлениях, и это подтверждает хаотическое движение молекул среды.

Основные положения о строении вещества и их проявления

Таблицу удобно читать по строкам: сначала указано положение теории, затем его проявление в опыте и вывод. Если нужно объяснить явление, двигайтесь в обратном направлении — от наблюдения к свойству частиц.

Например, диффузия указывает одновременно на наличие промежутков и на движение частиц. Сопротивление сжатию, напротив, связано прежде всего с взаимодействием частиц при их сближении.

Разбор задач

Распространение запаха духов

Условие. Объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате даже при отсутствии заметного движения воздуха. Нужно связать наблюдение со строением вещества, а не предполагать, что запах перемещается как единый сгусток.

1. Духи испаряются, и в воздухе появляются их молекулы.
2. Молекулы воздуха и духов непрерывно хаотично движутся и сталкиваются.
3. Из-за этих движений молекулы духов постепенно проникают в области, где их сначала не было.

Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии: молекулы духов хаотично движутся и перемешиваются с молекулами воздуха. Заметное движение воздуха может ускорить процесс, но для самой диффузии оно не обязательно.

Чернила в холодной и горячей воде

Условие. Две капли чернил поместили в холодную и горячую воду. Требуется определить, в каком стакане вода окрасится быстрее, и объяснить результат через движение частиц.

1. В обоих стаканах частицы воды и чернил движутся хаотично, поэтому диффузия происходит в каждом из них.
2. В горячей воде температура выше, значит, частицы в среднем движутся интенсивнее.
3. При более частых и быстрых перемещениях частицы чернил быстрее распространяются по всему объёму.

Ответ. Вода быстрее окрасится в горячем стакане. Повышение температуры увеличивает интенсивность движения частиц и ускоряет диффузию.

Движение частицы пыльцы в воде

Условие. В воде находится взвешенная частица пыльцы. Объяснить, почему она движется хаотично, хотя сама частица не является молекулой. Нужно отделить причину движения крупной частицы от её собственного химического строения.

1. Молекулы воды непрерывно движутся во всех направлениях и ударяют по поверхности частицы.
2. С разных сторон в каждый момент времени число и сила ударов немного различаются.
3. Некомпенсированные удары сообщают частице пыльцы толчок, меняя направление её движения.

Ответ. Частица пыльцы совершает броуновское движение под действием неравномерных ударов молекул воды. Она движется не потому, что сама является молекулой, а потому, что находится во взвешенном состоянии в движущейся среде.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что между частицами вещества нет промежутков. Так думают потому, что обычное тело выглядит сплошным и его отдельные частицы не видны. Проверка проста: вспомните диффузию и возможность проникновения одного вещества в другое — без промежутков это было бы невозможно.

Ошибка — полагать, что частицы начинают двигаться только при нагревании. Нагревание не создаёт движение, а обычно увеличивает его среднюю интенсивность. Чтобы проверить себя, вспомните диффузию при комнатной температуре: она идёт и без дополнительного нагревания.

Ошибка — отождествлять диффузию и броуновское движение. Диффузия означает взаимное проникновение частиц разных веществ, а броуновское движение — перемещение наблюдаемой частицы под ударами молекул среды. Если в описании нет смешивания веществ, а говорится о рывках видимой частицы, речь идёт о броуновском движении.

Ошибка — утверждать, что частицы всегда только притягиваются. При сильном сближении между ними возникает отталкивание, иначе тела можно было бы безгранично сжимать. Проверяйте ответ вопросом: какое взаимодействие объясняет целостность тела, а какое препятствует его сжатию?

Связь с другими темами

Из химии нужны различия между атомом, молекулой и химическим элементом. Они помогают правильно описывать состав вещества и не смешивать понятия частицы и элемента.

Из механики используются представления о движении, взаимодействии и силах. С их помощью можно объяснить изменение движения броуновской частицы и действие притяжения и отталкивания.

Тема является основой молекулярно-кинетической теории. Она понадобится при изучении температуры, давления, а также свойств газов, жидкостей и твёрдых тел.

Что запомнить

• Вещество состоит из отдельных частиц.
• Между частицами существуют промежутки.
• Частицы непрерывно и хаотично движутся.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются на одних расстояниях и отталкиваются на других.
• Диффузия подтверждает движение частиц вещества.
• Броуновское движение вызвано ударами молекул окружающей среды.
• При повышении температуры движение частиц обычно становится интенсивнее.