§ 38. Строение вещества

Определения и обозначения

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых между собой. Если разделить молекулу на атомы, получившиеся частицы уже не будут сохранять химические свойства исходного вещества. Понятие молекулы помогает описывать состав вещества и объяснять его превращения.

Атом — частица, из которой состоят молекулы и многие вещества. Атомы разных химических элементов отличаются строением, а атомы могут соединяться в молекулы. Поэтому из ограниченного числа видов атомов образуется множество разных веществ. Представление об атомах позволяет рассматривать вещество как систему частиц.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно возникает потому, что молекулы среды ударяют по такой частице с разных сторон, причём удары не уравновешивают друг друга каждое мгновение. Броуновская частица заметна, а молекулы вокруг неё — нет. Наблюдение за ней помогает судить о движении молекул среды.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их хаотического теплового движения. Например, молекулы запаха распространяются в воздухе, постепенно смешиваясь с ним. Диффузия показывает, что частицы перемещаются и могут проникать в промежутки между частицами другого вещества. Это понятие помогает объяснить смешивание веществ без заметного внешнего воздействия.

Как это устроено

Диффузия и броуновское движение служат свидетельствами того, что вещество состоит из движущихся частиц. Молекулы невидимы, но их движение передаётся более крупным частицам, а постепенное смешивание веществ можно наблюдать напрямую. Если бы молекулы были неподвижны, запах не распространялся бы сам по себе, а взвешенная частица не меняла бы направление движения из-за ударов среды. Значит, оба явления связаны с непрерывным и беспорядочным движением частиц.

Молекулы настолько малы, что увидеть отдельную молекулу обычными средствами нельзя; их размеры и массы оценивают косвенно. Для этого изучают измеримые свойства больших количеств вещества и наблюдаемые явления, например диффузию и броуновское движение. По тому, как быстро распространяется вещество и как движутся взвешенные частицы, можно сделать выводы о движении и взаимодействии молекул. Такой подход позволяет изучать невидимые частицы по их воздействию на доступные наблюдению тела.

Молекулы взаимодействуют друг с другом: между ними действуют силы притяжения и отталкивания. На некотором расстоянии притяжение помогает удерживать частицы рядом, поэтому вещество не распадается на отдельные молекулы. Если же сблизить молекулы слишком сильно, заметнее становится отталкивание, которое мешает им занять одно и то же место. Сочетание этих сил определяет, насколько плотно расположены частицы и как они могут двигаться.

Различия между газами, жидкостями и твёрдыми телами связаны с расположением и движением частиц, а также с их взаимодействием. В газе частицы далеко друг от друга и перемещаются свободно, поэтому газ не сохраняет собственные форму и объём. В жидкости частицы близки, но могут перемещаться относительно соседей: жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В твёрдом теле частицы удерживаются около определённых положений и в основном колеблются, поэтому тело сохраняет форму и объём.

Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц: при нагревании оно становится энергичнее. Поэтому частицы быстрее перемещаются и чаще оказываются в новых местах, ускоряя перемешивание веществ. Так, краситель быстрее распространяется в тёплой воде, чем в холодной. Скорость диффузии зависит и от других условий, но повышение температуры обычно её увеличивает.

Частицы вещества и наблюдаемые явления

Сначала найдите в таблице понятие, затем проследите переход от движения или взаимодействия частиц к наблюдаемому результату. Так легче отличить объяснение явления на уровне частиц от самого явления. Например, случайные удары молекул вызывают движение броуновской частицы, а взаимное перемещение молекул приводит к диффузии.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему запах духов постепенно распространяется по комнате. Нужно определить, какое явление переносит молекулы запаха от места распыления в другие части комнаты. Затем свяжите наблюдаемое распространение с движением молекул воздуха и духов. Это позволит объяснить, почему запах появляется не только рядом с источником.

1. Молекулы духов оказываются в воздухе после распыления.
2. Они и молекулы воздуха непрерывно хаотически движутся и сталкиваются. Поэтому молекулы духов постепенно распространяются в разные стороны и смешиваются с воздухом.
3. Взаимное проникновение частиц разных веществ называется диффузией; движение воздуха может помогать переносу запаха, но не является единственной его причиной.

Ответ: запах распространяется по комнате вследствие диффузии молекул духов в воздухе, вызванной хаотическим тепловым движением частиц.

Задача 2. В двух сосудах одинакового объёма смешивают жидкости, одну — при комнатной температуре, другую — при более высокой. В каком случае диффузия быстрее и почему? Сравнивать нужно при одинаковых прочих условиях: различается температура, значит, можно проследить, как она влияет на движение частиц. Одинаковый объём сам по себе не задаёт скорость диффузии.

1. При более высокой температуре частицы жидкости в среднем движутся интенсивнее.
2. Из-за этого частицы быстрее перемещаются и чаще занимают новые положения, ускоряя взаимное проникновение жидкостей.
3. Следовательно, при прочих равных условиях диффузия быстрее в сосуде с более тёплой жидкостью.

Ответ: быстрее диффузия идёт в жидкости с более высокой температурой, потому что её частицы движутся интенсивнее.

Задача 3. В воде наблюдают броуновскую частицу. Объясните, почему её траектория беспорядочна, хотя молекулы воды не видны. Важно не приписывать движение самой частице особое свойство и не считать, что невидимые молекулы неподвижны. Нужно рассмотреть множество ударов, которые действуют на неё одновременно.

1. Молекулы воды непрерывно и хаотически движутся, хотя их нельзя различить невооружённым глазом.
2. Они ударяют по броуновской частице со всех сторон. В каждый момент удары могут не уравновешивать друг друга, и частица смещается.
3. Направление и сила результирующего воздействия меняются, поэтому частица движется беспорядочно.

Ответ: траектория броуновской частицы хаотична из-за неуравновешенных случайных ударов молекул воды.

Типичные ошибки

Ошибка — считать молекулы неподвижными и думать, что они начинают двигаться только при нагревании. Её допускают, потому что движение молекул не видно напрямую, а твёрдое тело кажется неподвижным. На деле тепловое движение происходит постоянно, а температура связана с его интенсивностью. Проверьте себя: если бы частицы не двигались, как объяснить диффузию?

Ошибка — смешивать броуновское движение и диффузию. В обоих случаях речь идёт о движении, поэтому понятия легко перепутать. При броуновском движении движется заметная взвешенная частица под ударами молекул; при диффузии частицы разных веществ взаимно проникают друг в друга. Проверьте себя: назовите, что именно перемещается в описанном явлении.

Ошибка — считать, что молекулы только притягиваются. Притяжение заметно объясняет связность вещества, поэтому о второй стороне взаимодействия можно забыть. При чрезмерном сближении существенным становится отталкивание, которое мешает частицам слиться. Проверьте себя: если бы отталкивания не было, что мешало бы молекулам занять одно и то же место?

Ошибка — объяснять диффузию только перемешиванием из-за движения воздуха или жидкости. Потоки действительно могут ускорять перенос вещества, но диффузия возможна и без заметного перемещения всей среды. Её причина — хаотическое тепловое движение самих частиц. Проверьте себя: продолжается ли смешивание, если среда не движется как целое?

Связь с другими темами

Для изучения строения вещества нужно знать, какие свойства имеют твёрдые тела, жидкости и газы: сохраняют ли они форму и объём, текучи ли и заполняют ли сосуд. Представления о движении и взаимодействии молекул далее используются в молекулярно-кинетической теории, при изучении газовых законов и тепловых явлений. Они также помогают объяснять давление: частицы движутся и взаимодействуют со стенками сосуда. Ими объясняют изменение агрегатных состояний и теплопередачу.

Что запомнить

• Вещества состоят из атомов и молекул.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Броуновское движение подтверждает движение молекул среды.
• Диффузия происходит вследствие хаотического движения частиц.
• Между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.
• При повышении температуры диффузия обычно ускоряется.