33. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о том, как движение и взаимодействие частиц определяют свойства вещества. Она помогает объяснить наблюдаемые явления через поведение атомов и молекул. Например, с её помощью можно понять, почему газ распространяется по комнате, а твёрдое тело сохраняет форму. Это не описание отдельных частиц, а способ связать их свойства с поведением всего вещества.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие теплового движения. Она происходит даже без перемешивания веществ человеком. Например, запах духов постепенно распространяется по комнате. Диффузия служит свидетельством того, что частицы непрерывно движутся.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц твёрдого тела, при котором они колеблются около определённых положений равновесия. Эти положения образуют повторяющуюся структуру. Понятие решётки помогает объяснить, почему кристалл сохраняет форму и может обладать характерными направлениями свойств. При этом частицы в решётке не застывают: они колеблются.

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором нет дальнего порядка в расположении частиц. На небольших расстояниях частицы могут быть расположены упорядоченно, но эта структура не повторяется на больших расстояниях. Поэтому аморфные тела сохраняют форму, хотя не имеют кристаллической решётки. Примеры таких веществ — стекло и многие пластмассы.

Как это устроено

Частицы вещества движутся непрерывно, потому что обладают тепловой энергией. Их движение хаотично: направления и скорости отдельных частиц постоянно меняются из-за столкновений и взаимодействия с соседями. Температура связана со средней кинетической энергией движения частиц: при нагревании она возрастает, поэтому частицы в среднем движутся быстрее. Это не означает, что сами молекулы становятся крупнее.

Состояние вещества зависит от расстояний между частицами и сил их притяжения. В газе частицы разделены большими промежутками, а взаимодействие между столкновениями обычно невелико. В жидкости частицы расположены близко и притягиваются заметно, но могут перемещаться относительно друг друга. В твёрдом теле притяжение удерживает частицы около устойчивых положений, хотя они продолжают колебаться.

Газ не сохраняет собственную форму и объём, потому что его частицы свободно перемещаются во всех направлениях. Они разлетаются по всему доступному пространству и в итоге заполняют сосуд. Между частицами много свободного места, поэтому при сжатии их можно сблизить и заметно уменьшить объём газа. Взаимодействие частиц не исчезает полностью, но обычно не мешает им свободно перемещаться.

Жидкость сохраняет объём, поскольку её частицы находятся близко друг к другу и их трудно существенно сблизить. Однако частицы могут перемещаться, меняя соседей, поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда. На этом основано, например, растекание воды по дну ёмкости: её поверхность устанавливается в соответствии с условиями равновесия, а не сохраняет форму отдельного куска. Диффузия в жидкости происходит медленнее, чем в газе, потому что перемещения частиц ограничены близким окружением.

Твёрдое тело сохраняет форму и объём, потому что частицы связаны с соседями и не могут свободно перемещаться по всему телу. Они совершают колебания около устойчивых положений равновесия, а притяжение препятствует сильному изменению расстояний между ними. В кристалле такие положения образуют упорядоченную решётку; в аморфном теле дальнего порядка нет. Диффузия в твёрдых телах возможна, но обычно идёт очень медленно.

Сравнение строения и свойств газов, жидкостей и твёрдых тел

Сравнивайте свойства не по отдельности, а связывайте их с расстояниями между частицами и характером их движения. Например, большая сжимаемость газа объясняется свободным пространством между частицами. Таблица также показывает общую закономерность: чем труднее частицам перемещаться, тем медленнее идёт диффузия.

Разбор задач

Запах духов распространяется по комнате

Условие. Нужно объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате, даже если воздух в помещении неподвижен. В задаче не требуется вычислять расстояние или время: нужно установить причину явления. Наблюдение состоит в том, что запах сначала ощущается возле источника, а затем становится заметен в других местах. Рассматриваем воздух и частицы пахучего вещества как непрерывно движущиеся частицы.

1. Молекулы духов переходят в газообразное состояние и оказываются среди молекул воздуха. Вокруг флакона их концентрация выше, чем в удалённых местах.
2. Молекулы воздуха и духов хаотически движутся и сталкиваются. Поэтому отдельная молекула не летит прямо к человеку, но множество перемещений постепенно переносит пахучее вещество в разные части комнаты.
3. Это взаимное проникновение частиц называют диффузией. Движение воздуха может ускорить распространение запаха, однако для самого явления не обязательно направленное перемещение всего воздуха.

Ответ. Запах распространяется из-за диффузии: молекулы духов хаотически движутся среди молекул воздуха и постепенно оказываются по всей комнате. Неподвижность воздуха в целом не означает, что его молекулы остановились.

Капля краски в холодной и горячей воде

Условие. Сравнить, как быстро капля краски распространяется в холодной и горячей воде, и объяснить результат. Для честного сравнения нужно взять одинаковые сосуды и одинаковое количество краски. Воду следует оставить без перемешивания, иначе течение будет влиять на наблюдение. Вопрос касается того, как температура меняет скорость диффузии.

1. В обоих сосудах частицы краски и воды движутся хаотически и постепенно перемешиваются. Именно это взаимное проникновение веществ является диффузией.
2. В горячей воде температура выше, поэтому средняя скорость движения её частиц больше. Частицы быстрее перемещаются и чаще меняют своё окружение.
3. Из-за более интенсивного теплового движения краска обычно распределяется в горячей воде быстрее. Она не обязательно мгновенно окрашивает весь объём: результат зависит также от вещества и условий опыта.

Ответ. Капля быстрее распространится в горячей воде, потому что при более высокой температуре частицы движутся быстрее. Если краску перемешивать, наблюдение уже будет показывать не только диффузию.

Сжимаемость газа, жидкости и твёрдого тела

Условие. Объяснить, почему газ можно заметно сжать, жидкость — лишь немного, а твёрдое тело практически невозможно сжать. Здесь сравниваются вещества в обычных условиях, а не экстремально высокие давления. Нужно связать наблюдаемое изменение объёма с тем, насколько близко расположены частицы. Сами частицы при сжатии не уменьшаются.

1. В газе расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами. Давление сближает частицы, уменьшая промежутки между ними, поэтому объём газа заметно сокращается.
2. В жидкости частицы уже расположены близко и притягиваются друг к другу. Свободного пространства для их дополнительного сближения мало, поэтому объём меняется незначительно.
3. В твёрдом теле частицы удерживаются около устойчивых положений, а расстояния между ними малы. Сильное сжатие требует заметно изменить эти расстояния и преодолеть взаимодействие частиц, поэтому обычное давление почти не меняет объём.

Ответ. Различия в сжимаемости объясняются расстояниями между частицами и их взаимодействием: у газа много свободного пространства, а у жидкости и твёрдого тела частицы расположены близко и связаны сильнее.

Типичные ошибки

Иногда считают, что частицы газа совсем не взаимодействуют. Такое представление возникает потому, что газ легко заполняет сосуд, а его частицы далеко друг от друга. Однако взаимодействие не равно нулю: особенно заметно оно при столкновениях частиц и сжатии газа. Проверяйте себя так: говорите, что взаимодействие в газе сравнительно слабое, а не отсутствует.

Частицы жидкости иногда представляют неподвижными, словно они просто плотно уложены. Это путают с поведением частиц твёрдого тела, которые действительно в основном колеблются возле устойчивых положений. В жидкости частицы непрерывно движутся и меняют соседей, поэтому она течёт. Проверка проста: неподвижные частицы не могли бы объяснить ни текучесть, ни диффузию.

Другая ошибка — думать, что при нагревании увеличиваются сами молекулы. Такое объяснение смешивает размеры частиц с изменением поведения вещества при нагреве. В основном возрастает скорость их движения, а средние расстояния между частицами могут увеличиваться. Чтобы проверить рассуждение, связывайте нагревание с тепловым движением, а не с ростом молекул.

Наконец, твёрдое тело часто отождествляют только с кристаллом. Кристаллы имеют упорядоченное расположение частиц, но существуют и аморфные тела, например стекло, у которых нет дальнего порядка. Они всё равно сохраняют форму и относятся к твёрдым телам. Проверяйте себя вопросом: есть ли у вещества твёрдость и сохраняет ли оно форму, а не только имеет ли оно решётку.

Связь с другими темами

Для понимания строения вещества нужны знания об атомах и молекулах, тепловом движении, температуре и агрегатных состояниях. Представления о частицах станут основой для изучения давления газа и уравнения состояния идеального газа. Они также пригодятся в термодинамике, где рассматривают передачу энергии и изменение состояния системы. Связь движения частиц с их взаимодействием помогает объяснять плавление, испарение, конденсацию и свойства материалов.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся.
• При повышении температуры средняя скорость движения частиц увеличивается.
• В газах частицы далеко расположены и слабо связаны, поэтому газ не сохраняет форму и объём.
• В жидкостях частицы расположены близко, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём и принимает форму сосуда.
• В твёрдых телах частицы прочно связаны и колеблются около положений равновесия.
• Диффузия подтверждает непрерывное тепловое движение частиц.
• Свойства вещества определяются расположением, движением и взаимодействием его частиц.