§ 18. Строение вещества

Определения и обозначения

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из одного или нескольких атомов, соединённых друг с другом. Это понятие помогает описывать состав вещества и объяснять, почему при обычном смешивании сохраняются свойства его частиц.

Атом — частица, из которой состоят молекулы и некоторые вещества. Молекула может включать атомы одного или нескольких химических элементов. Различие между атомом и молекулой нужно, чтобы точно говорить о том, какие частицы образуют вещество.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. Например, при смешивании жидкостей частицы каждого вещества постепенно оказываются среди частиц второго. Понятие диффузии позволяет объяснить, как вещества распространяются и перемешиваются без направленного потока.

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Такие частицы намного крупнее молекул среды, но их беспорядочные перемещения можно наблюдать в микроскоп. Это явление помогает судить о движении невидимых молекул по поведению видимых частиц.

Как это устроено

Растворение и смешивание показывают, что вещество не сплошное: его частицы могут проникать между частицами другого вещества. Если добавить краситель в воду, окраска со временем распространяется, хотя воду не перемешивают. Наблюдения броуновских частиц дополняют этот вывод: мелкие частицы перемещаются в жидкости, потому что среда состоит из движущихся молекул. Несколько разных опытов согласуются с представлением о частицах и делают его убедительнее.

Диффузия свидетельствует о движении частиц: без него частицы одного вещества не распространялись бы среди частиц другого. Их отдельные перемещения беспорядочны, однако в целом вещества смешиваются и распределяются по доступному объёму. При повышении температуры частицы движутся быстрее, поэтому за то же время успевают переместиться дальше и чаще смешиваются. По этой причине диффузия в тёплой среде идёт быстрее, чем в холодной.

Броуновская частица сама по себе не задаёт направление своего движения. Молекулы жидкости или газа непрерывно ударяют по ней со всех сторон, но в каждый момент удары не полностью уравновешивают друг друга. Результирующий толчок сдвигает частицу, а затем новые удары меняют направление её движения. Так возникает наблюдаемая беспорядочная траектория, объясняющая связь броуновского движения с движением молекул среды.

Частицы вещества не только движутся, но и взаимодействуют друг с другом. На сравнительно больших расстояниях между ними действует притяжение, которое помогает удерживать частицы вместе. Если частицы сблизить слишком сильно, начинает преобладать отталкивание. Поэтому они не слипаются в одну точку: расстояние между ними определяется совместным действием притяжения и отталкивания.

Состояние вещества зависит от расположения, движения и взаимодействия его частиц. В твёрдом теле частицы находятся около определённых мест и колеблются, поэтому тело сохраняет форму. В жидкости частицы остаются близко друг к другу, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём и принимает форму сосуда. В газе частицы расположены далеко и движутся свободнее; слабое удерживание позволяет газу распространяться по всему доступному объёму.

Частицы вещества в разных агрегатных состояниях

Сравнивайте строки по расположению и движению частиц, а затем связывайте эти особенности с наблюдаемым свойством вещества. Например, сохранение формы твёрдым телом связано с тем, что его частицы не перемещаются свободно по всему объёму. Таблица показывает общие модели строения, а не точную картину расположения каждой частицы.

Разбор задач

Задача 1. Каплю красителя добавили в стакан воды. Объясните, почему со временем окрашивается вся вода.

1. Краситель состоит из частиц, как и вода, а частицы обоих веществ непрерывно и беспорядочно движутся.
2. Частицы красителя оказываются между частицами воды и постепенно распространяются в разные стороны. Такое взаимное проникновение частиц называется диффузией.
3. По мере перемешивания частицы красителя достигают всё новых участков воды, поэтому окраска распределяется по стакану.

Ответ. Вода окрашивается из-за диффузии: хаотически движущиеся частицы красителя распространяются между частицами воды.

Задача 2. Сравните, как быстро распространяется запах в тёплой и холодной комнате, и объясните различие.

1. Запах распространяется благодаря частицам пахучего вещества, которые смешиваются с частицами воздуха.
2. В тёплой комнате частицы в среднем движутся быстрее, чем в холодной. Поэтому за одинаковое время они успевают переместиться и перемешаться на большее расстояние.
3. Сравниваем распространение запаха при одинаковых прочих условиях: в тёплой комнате диффузия интенсивнее.

Ответ. Запах распространяется быстрее в тёплой комнате, потому что при более высокой температуре частицы движутся быстрее.

Задача 3. Под микроскопом наблюдают мелкую частицу, взвешенную в воде. Она движется беспорядочно. Объясните причину движения и предскажите, что изменится при нагревании воды.

1. Наблюдаемая частица — не молекула воды: она значительно крупнее и видна в микроскоп. Её нужно отличать от невидимых молекул, составляющих жидкость.
2. Молекулы воды непрерывно ударяют по взвешенной частице с разных сторон. Удары не уравновешиваются полностью, поэтому частица всё время меняет направление.
3. При нагревании молекулы воды движутся быстрее и сильнее воздействуют на взвешенную частицу. Поэтому броуновское движение становится более интенсивным.

Ответ. Частицу толкают неуравновешенные удары молекул воды; при нагревании её беспорядочное движение усиливается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при диффузии частицы направленно движутся из одной области в другую. Такое представление возникает потому, что наблюдатель видит общий переход вещества, а не хаотичные движения отдельных частиц. Проверьте себя: если движение частиц беспорядочно, распространение вещества является общим результатом множества случайных перемещений, а не организованным потоком.

Ошибка: думать, что броуновские частицы движутся сами по себе. Частица заметна в микроскоп, и поэтому легко принять её движение за самостоятельное. Но причиной служат неуравновешенные удары молекул жидкости или газа; если мысленно убрать окружающую среду, исчезнет и причина такого движения.

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Форма тела сохраняется, поэтому может показаться, что его частицы вовсе не движутся. На самом деле они колеблются около положений равновесия; проверить эту идею помогает сопоставление неподвижности всего тела с тепловым движением его частиц.

Ошибка: полагать, что частицы только притягиваются. Это кажется логичным, если объяснять только то, почему вещество сохраняется цельным. При сильном сближении проявляется отталкивание, поэтому частицы не слипаются без предела; учитывайте оба вида взаимодействия.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что такое атомы и молекулы, и различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния вещества. Представления о движении и взаимодействии частиц станут основой для изучения температуры, давления и тепловых явлений. Диффузия и броуновское движение важны тем, что дают наблюдаемые подтверждения молекулярно-кинетическим представлениям о веществе.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Диффузия показывает, что частицы движутся и могут проникать между частицами другого вещества.
• Броуновское движение обусловлено ударами молекул окружающей среды.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• В твёрдых телах частицы колеблются около положений равновесия.