§ 38. Строение вещества

Определения и обозначения

Вещество — форма материи, из которой состоят физические тела; его свойства определяются составом и строением частиц. Такое понятие помогает отличать материал тела от его формы и размеров: например, капли воды и кусок льда состоят из одного вещества, хотя выглядят по-разному. Изучая вещество, физика связывает наблюдаемые свойства с устройством его частиц. Поэтому макроскопическое тело можно описывать через поведение огромного числа микроскопических частиц.

Молекула — наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства; она состоит из одного или нескольких атомов. Например, молекула воды включает два атома водорода и один атом кислорода, а атомы связаны между собой. Понятие молекулы нужно, чтобы объяснять состав вещества и то, почему при физических изменениях, например плавлении, оно может менять состояние, не превращаясь в другое вещество. У некоторых веществ самостоятельные частицы — не молекулы, а атомы или ионы.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их хаотического движения. Она объясняет, почему запах постепенно распространяется по комнате, даже если воздух с виду остаётся неподвижным. Броуновское движение — беспорядочное перемещение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, под ударами молекул среды. Оно позволяет наблюдать косвенное проявление движения молекул, которые сами слишком малы для обычного микроскопа.

Как это устроено

Первое основное представление молекулярной физики состоит в том, что вещества имеют дискретное строение: они состоят из отдельных частиц. Если бы вещество можно было делить без конца, сохраняя все его свойства, объяснить его состав через отдельные элементы было бы невозможно. Опыт показывает, что при растворении, испарении и химических превращениях вещество ведёт себя так, словно состоит из очень малых составляющих. Их размеры чрезвычайно малы, поэтому даже крошечный видимый образец содержит огромное количество частиц.

Между частицами есть промежутки, и их наличие помогает понять, как одно вещество может проникать в другое. При смешивании жидкостей частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого; это возможно, потому что строение среды не является сплошным. В газах промежутки особенно велики по сравнению с размерами молекул, а в жидкостях и твёрдых телах частицы расположены ближе. Промежутки не означают, что тело состоит только из пустоты: на малых расстояниях частицы взаимодействуют и удерживают вещество.

Частицы непрерывно и хаотически движутся, даже когда само тело кажется неподвижным. В газе молекулы быстро перемещаются в разных направлениях и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В жидкостях частицы тоже движутся, но соседние частицы ограничивают их перемещение; в твёрдых телах они в основном колеблются около устойчивых положений. При повышении температуры средняя интенсивность теплового движения возрастает, поэтому диффузия обычно ускоряется.

Движение молекул подтверждают два заметных явления. При диффузии вещества постепенно смешиваются без перемешивания, а при броуновском движении видимые частицы в жидкости дёргаются из-за неравномерных ударов невидимых молекул. Удары с разных сторон не компенсируют друг друга каждое мгновение, поэтому броуновская частица меняет направление. Оба явления становятся понятными, если считать молекулярное движение постоянным и беспорядочным.

Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания. На некотором расстоянии притяжение помогает частицам держаться вместе, поэтому твёрдое тело не рассыпается само по себе, а жидкость сохраняет связность. Когда частицы сближаются слишком сильно, резко возрастает отталкивание: оно не позволяет им бесконечно сближаться и объясняет сопротивление тела сжатию. Действие этих сил зависит от расстояния, поэтому при растяжении, сжатии и изменении температуры свойства вещества меняются.

Агрегатное состояние связано с тем, насколько свободно могут двигаться частицы и насколько сильно они удерживаются соседями. В твёрдом теле они сохраняют сравнительно упорядоченное расположение и колеблются около своих мест, поэтому тело сохраняет форму и объём. В жидкости частицы могут менять соседей, отчего жидкость течёт и принимает форму сосуда, но её объём меняется мало. В газе частицы движутся свободно и далеко друг от друга, поэтому газ занимает весь доступный объём и легко сжимается.

Наблюдения и выводы

Таблица связывает наблюдаемое явление с микроскопическим объяснением, которое нельзя увидеть напрямую. Пользуйся ею как цепочкой рассуждений: сначала назови факт, затем предположи движение или взаимодействие частиц и проверь, объясняет ли это наблюдение. Один опыт обычно подтверждает определённую сторону модели, а не раскрывает всё строение вещества сразу.

Разбор задач

Задача. Оцените, сколько молекул содержится в 18 г воды. Молярная масса воды M = 18 г/моль, постоянная Авогадро Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹. Вопрос просит найти число частиц, а не массу одной молекулы, поэтому удобно сначала определить количество вещества в молях. Затем результат нужно связать с числом молекул в одном моле.

1. Запишем данные: m = 18 г, M = 18 г/моль, Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹. Поскольку масса дана в граммах и молярная масса тоже указана в граммах на моль, единицы согласованы. Это позволяет подставлять числа без предварительного перевода в килограммы.
2. Найдём количество вещества: ν = m/M = 18 г / (18 г/моль) = 1 моль. Здесь ν (ню) обозначает количество вещества; деление массы образца на массу одного моля показывает, сколько молей содержится в образце.
3. Один моль содержит Nₐ частиц, поэтому число молекул равно N = νNₐ. Подставляем найденное значение: N = 1 · 6,02 · 10²³ = 6,02 · 10²³ молекул. Результат огромен, хотя образец весит всего 18 г, потому что каждая молекула очень мала.
4. Проверим смысл ответа: масса образца равна молярной массе воды, значит, в нём должен быть ровно один моль вещества. Поэтому число частиц должно совпасть с постоянной Авогадро, что и получилось. Если бы масса была, например, вдвое меньше при той же молярной массе, число молекул тоже оказалось бы вдвое меньше.

Ответ: в 18 г воды содержится примерно 6,02 · 10²³ молекул. Для произвольной массы число молекул можно найти сразу по формуле N = mNₐ/M. Важно подставлять в неё массу и молярную массу в согласованных единицах, иначе численный результат будет неверным.

Типичные ошибки

• Считать, что молекулы неподвижны, если тело покоится. Так думают, потому что движение отдельных частиц не видно невооружённым глазом. Проверь себя: объясни, почему запах распространяется в неподвижном воздухе и почему диффузия ускоряется при нагревании.
• Представлять частицы как маленькие твёрдые шарики, которые только притягиваются. Эта упрощённая картинка не объясняет, почему тело сопротивляется сжатию. Проверь рассуждение: при очень малом расстоянии между частицами должно проявляться сильное отталкивание.
• Путать молекулу с атомом и утверждать, что любое вещество состоит именно из молекул. Часто названия используют как синонимы, хотя молекула может включать несколько атомов, а у некоторых веществ самостоятельными частицами служат атомы или ионы. Проверь себя: различай частицу вещества и атомы, из которых она может состоять.
• Думать, что при нагревании молекулы становятся крупнее. Ошибку провоцирует расширение тела, но обычно увеличиваются расстояния между частицами, а не их размеры. Проверь объяснение: сопоставь расширение с ростом интенсивности теплового движения и изменением среднего расстояния между частицами.

Связь с другими темами

Молекулярное строение помогает объяснить тепловые явления: нагревание усиливает движение частиц, а охлаждение его ослабляет. С агрегатными состояниями эта тема связана через соотношение движения и взаимодействия: от него зависят форма, текучесть и сжимаемость вещества. Диффузия показывает, как микроскопическое движение приводит к перемешиванию и растворению. Позже те же представления понадобятся при изучении давления газа, температуры и внутренней энергии.

Что запомнить

• Вещества состоят из мельчайших частиц: атомов, молекул или ионов; между частицами есть промежутки.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся, а интенсивность их теплового движения связана с температурой.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются на некоторых расстояниях и отталкиваются при сильном сближении.
• Диффузия и броуновское движение служат наблюдаемыми свидетельствами движения молекул.
• Агрегатные состояния различаются характером движения частиц и их взаимным расположением.