§ 2. Свойства вещества. Модель молекулы

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из ещё более мелких частиц — атомов. Это понятие помогает представить вещество не сплошным, а состоящим из отдельных частиц.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Оно происходит при любой температуре, даже если тело кажется неподвижным. Понятие нужно, чтобы объяснять нагревание, смешивание веществ и другие тепловые явления.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, частицы красителя постепенно распределяются в воде. Диффузия показывает, что частицы действительно движутся, а не находятся в покое.

Межмолекулярное взаимодействие — притяжение и отталкивание молекул, заметные на очень малых расстояниях. Притяжение не даёт частицам разлетаться, а отталкивание препятствует их чрезмерному сближению. Благодаря этому можно объяснить существование твёрдых тел и жидкостей.

Как это устроено

Вещество состоит из огромного числа частиц, хотя внешне может выглядеть сплошным. Модель молекул представляет его как совокупность отдельных частиц, разделённых промежутками. Такая модель нужна потому, что свойства целого тела складываются из движения и взаимодействия множества молекул.

Молекулы настолько малы, что не видны невооружённым глазом и обычно не различаются в обычный микроскоп. Однако их размеры и число можно оценить по результатам наблюдений, например по распространению запаха или смешиванию капли красителя с водой. Если небольшое количество вещества распределяется в большом объёме, значит, оно разделилось на очень большое число частиц.

Молекулы постоянно движутся в самых разных направлениях и сталкиваются друг с другом. Внешняя неподвижность тела означает только, что движение частиц не заметно в целом: отдельные перемещения взаимно компенсируются. При повышении температуры частицы получают больше энергии, поэтому движутся интенсивнее и чаще меняют свои положения.

Диффузия возникает потому, что частицы обоих соприкасающихся веществ беспорядочно перемещаются и постепенно проникают в промежутки друг друга. В газах расстояния между молекулами велики, поэтому смешивание обычно идёт быстро. В жидкостях частицы расположены плотнее, а в твёрдых телах почти закреплены, поэтому диффузия там значительно медленнее.

Молекулы одновременно взаимодействуют друг с другом. Если расстояние между ними уменьшается, сначала может преобладать притяжение, но при чрезмерном сближении резко усиливается отталкивание. Такое сочетание сил помогает твёрдым телам сохранять форму, а жидкостям — оставаться связанными, сохраняя способность течь.

Молекулярное строение и движение частиц в разных состояниях вещества

Таблицу удобно читать по строкам: каждая строка связывает состояние вещества с расположением и движением его частиц. Чтобы объяснить свойство тела, сначала найдите, насколько близко расположены молекулы, а затем оцените свободу их движения. Чем больше промежутки между частицами и чем слабее их связь, тем легче вещество сжимается и заполняет сосуд.

Разбор задач

Распространение красителя в воде

Условие. Каплю красителя поместили в стакан воды. Нужно объяснить, почему через некоторое время окраска распространяется по всему объёму, даже если воду не перемешивать.

1. Краситель и вода состоят из молекул, которые непрерывно движутся в разных направлениях.
2. На границе капли частицы красителя проникают в промежутки между молекулами воды, а частицы воды перемещаются в область красителя.
3. Постепенно частицы распределяются по всему стакану, поэтому окраска становится равномерной.

Ответ. Окраска распространяется из-за диффузии, то есть взаимного проникновения частиц воды и красителя. Причина диффузии — беспорядочное тепловое движение молекул. Перемешивание происходит даже без внешнего воздействия.

Диффузия в тёплой и холодной воде

Условие. В одном сосуде смешали одинаковые объёмы тёплой и холодной воды. Требуется сравнить скорость диффузии в этих двух случаях и объяснить различие.

1. Температура тёплой воды выше, значит, её молекулы в среднем движутся интенсивнее.
2. Частицы растворённого вещества тоже быстрее перемещаются в более тёплой среде.
3. Следовательно, граница между веществами исчезает быстрее в тёплой воде.

Ответ. В тёплой воде диффузия идёт быстрее. Нагревание усиливает тепловое движение частиц, поэтому они быстрее проникают друг в друга. В холодной воде смешивание продолжается, но занимает больше времени.

Сжатие воздуха и воды в шприце

Условие. Сравним сжатие воздуха в закрытом шприце с попыткой сжать воду в таком же шприце. Нужно объяснить, почему результаты различаются.

1. В газе молекулы находятся на значительных расстояниях друг от друга, поэтому при нажатии поршня промежутки можно уменьшить.
2. В жидкости молекулы уже расположены близко, а отталкивание препятствует их дальнейшему сближению.
3. Поэтому воздух заметно сжимается, а объём воды изменяется очень мало.

Ответ. Воздух легко сжать из-за больших промежутков между его молекулами. Вода почти несжимаема, потому что её частицы расположены близко и сильное отталкивание не позволяет существенно уменьшить расстояния между ними.

Типичные ошибки

Молекулы неподвижны, если тело внешне покоится. Так думают, потому что движение отдельных частиц не видно глазами. Проверьте себя: вспомните, что тепловое движение идёт при любой температуре.

Между молекулами действует только притяжение. Такое представление не объясняет, почему частицы не сжимаются в одну точку. Проверка простая: при сильном сближении должно проявляться отталкивание.

Молекулы одного вещества обязательно соприкасаются. Ошибка возникает из-за изображения вещества сплошным, без промежутков. Проверьте модель: между частицами есть расстояния, особенно большие в газах.

Молекулы сами движутся только в сторону другого вещества. На самом деле движение каждой частицы беспорядочно, а смешивание создаётся движением частиц обоих веществ. Проверить это можно мысленным опытом с двумя газами: молекулы каждого газа распространяются во все стороны.

Связь с другими темами

До изучения молекулярной модели нужно знать, что вещества бывают твёрдыми, жидкими и газообразными. Эти состояния отличаются не составом частиц, а их расположением, движением и взаимодействием. Поэтому таблица помогает связать наблюдаемые свойства тела с его внутренним строением.

Модель молекул понадобится при изучении температуры и тепловых явлений. С её помощью объясняют нагревание, охлаждение, диффузию и переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое. Позже она поможет понять, почему меняются объём, форма и другие свойства тел.

Что запомнить

• Вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов.
• Молекулы очень малы, но их существование подтверждается наблюдаемыми явлениями.
• Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• При повышении температуры тепловое движение становится интенсивнее.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ.
• Между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.