§ 25. Строение вещества

Определения и обозначения

Вещество — то, из чего состоят физические тела: например, стекло, вода или железо. Вещество имеет прерывистое, то есть не сплошное, строение: оно образовано отдельными частицами, между которыми есть промежутки. Эта модель помогает объяснять свойства тел и явления, которые мы наблюдаем вокруг.

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его основные химические свойства. Например, молекула воды остаётся частицей именно воды, хотя сама по себе очень мала. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать состав вещества и объяснять, как оно ведёт себя при смешивании и нагревании.

Атом — составная частица молекулы. Молекулы разных веществ образованы разными сочетаниями атомов: они могут различаться видом атомов и тем, сколько их соединено. Поэтому атомы — это «строительные части» молекул, а молекулы помогают понять, чем одно вещество отличается от другого.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Так запах распространяется по комнате, а растворённое вещество перемешивается с водой. Термин нужен, чтобы назвать этот процесс и связать наблюдаемое смешивание с движением частиц.

Как это устроено

Запах духов постепенно чувствуется в разных местах комнаты, хотя его источник находится в одном месте. Это происходит потому, что молекулы пахучего вещества отделяются от духов и движутся среди молекул воздуха. Их перемещения приводят к диффузии — взаимному проникновению частиц, поэтому запах распространяется и смешивается с воздухом. Смешивание жидкостей и растворение тоже показывают, что вещества состоят из отдельных частиц, способных проникать между частицами другого вещества.

Частицы вещества нельзя считать неподвижными: иначе запах оставался бы только рядом с флаконом, а растворённое вещество не распределялось бы по жидкости само собой. В действительности частицы непрерывно движутся беспорядочно и сталкиваются друг с другом. Из-за этих движений частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого. Такое объяснение позволяет понять, почему смешивание может происходить без помешивания извне.

Удобно представлять строение на трёх уровнях: физическое тело состоит из вещества, вещество — из молекул, а молекулы — из атомов. Например, стакан — тело, стекло — материал, из которого он сделан, а частицы стекла образованы атомами. Молекулы разных веществ отличаются сочетаниями атомов, поэтому свойства вещества не сводятся к свойствам одного отдельного атома. Такая цепочка показывает, как от видимого предмета перейти к частицам, которые его составляют.

Между частицами существуют промежутки. В газе они велики по сравнению с размерами самих частиц, поэтому газ можно сжать: при сжатии частицы сближаются, занимая меньший объём. В жидкостях и твёрдых телах частицы расположены гораздо ближе, и свободного пространства для такого сближения мало. Промежутки также позволяют частицам одного вещества проникать между частицами другого при диффузии.

В твёрдом теле частицы расположены близко и упорядоченно, сильно взаимодействуют и в основном колеблются около своих мест. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму и объём. В жидкости частицы тоже близки, но могут перемещаться друг относительно друга: жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В газе частицы далеко друг от друга, свободно движутся и слабо взаимодействуют, поэтому газ заполняет доступный объём и не имеет собственной формы.

Строение вещества в разных агрегатных состояниях

Сравнивайте состояния по строкам: так видно, как расположение частиц связано с движением, взаимодействием и свойствами вещества. Описания в таблице относятся к обычной школьной модели строения вещества. Помните, что речь идёт о частицах, а не о том, что вещество состоит из крошечных шариков с неизменными свойствами.

Разбор задач

Задача 1. Запах духов постепенно распространяется по комнате, даже если воздух в помещении неподвижен. Почему это происходит? Важно учесть, что неподвижность воздуха означает отсутствие заметного общего потока, но не прекращение движения его молекул. Частицы пахучего вещества тоже могут двигаться.

1. Молекулы духов попадают в воздух рядом с флаконом и беспорядочно движутся. Они сталкиваются с частицами воздуха и меняют направление движения. Поэтому отдельные молекулы постепенно оказываются всё дальше от источника.
2. Частицы пахучего вещества проникают между частицами воздуха, а воздушные частицы — между ними. Это взаимное перемешивание называется диффузией. Оно происходит из-за движения частиц, а не потому, что кто-то перемешивает воздух.

Ответ: запах распространяется по комнате вследствие диффузии молекул духов в воздухе. Даже если нет заметного движения воздушных масс, сами молекулы непрерывно движутся.

Задача 2. В два стакана налили одинаковое количество воды: в один холодную, в другой горячую. В каком быстрее растворится кристаллик марганцовки и почему? Сравниваем именно влияние температуры, не меняя другие условия. Растворение связано с перемещением частиц марганцовки и воды.

1. В обоих стаканах частицы воды и вещества движутся. При более высокой температуре частицы в среднем движутся быстрее. Поэтому в горячей воде они быстрее перемещаются и чаще меняют положение.
2. Быстрое движение ускоряет диффузию: частицы марганцовки скорее распространяются среди частиц воды. В итоге окраска быстрее распределяется по всему объёму. Если стаканы одинаковы и кристаллики одинаковые, температура объясняет разницу во времени растворения.

Ответ: быстрее кристаллик растворится в горячей воде, потому что при более высокой температуре частицы движутся быстрее и диффузия идёт интенсивнее.

Задача 3. Сравните частицы в воздухе, воде и куске железа и объясните, почему газ можно сжать сильнее. Здесь воздух представляет газ, вода — жидкость, а железо — твёрдое тело. Сравним расстояния между частицами и возможность изменить эти расстояния.

1. В воздухе частицы находятся далеко друг от друга и движутся свободно. В воде они расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. В железе частицы близки и колеблются около своих мест.
2. При сжатии газа частицы можно сблизить, потому что между ними много свободного пространства. В воде и железе частицы уже расположены близко, поэтому уменьшить расстояния между ними значительно труднее. Разница объясняется строением вещества, а не тем, что частицы газа обязательно крупнее или мельче.

Ответ: воздух сжимается намного легче воды и железа, поскольку расстояния между частицами газа велики, а в жидкости и твёрдом теле частицы находятся близко.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что промежутков между частицами нет, потому что тело кажется сплошным. Так думают, если судят только по тому, что можно увидеть глазом, не учитывая очень малые размеры частиц. Проверьте себя: представление о промежутках должно объяснять, почему газ сжимается и почему вещества могут смешиваться.

Ошибка: называть молекулу и атом одной и той же частицей. Путаница возникает потому, что оба понятия обозначают частицы, из которых построено вещество. Вспомните порядок: молекулы состоят из атомов, а молекула сохраняет основные химические свойства вещества.

Ошибка: объяснять диффузию только внешним перемешиванием, например движением воздуха. Тогда непонятно, почему запах распространяется и в комнате без заметного потока воздуха. Проверьте объяснение: в нём должно быть указано беспорядочное движение самих частиц.

Ошибка: считать, что газ отличается от жидкости и твёрдого тела размером или лёгкостью частиц. Такое впечатление может возникнуть потому, что газ легче сжать, но это свойство объясняется большими промежутками между частицами и их движением. Проверяйте себя по модели: сравнивайте расположение, расстояния, движение и взаимодействие частиц.

Связь с другими темами

Перед изучением строения вещества нужно знать, что физические тела состоят из веществ и бывают твёрдыми, жидкими или газообразными. Модель частиц станет основой для изучения теплового движения, температуры и зависимости скорости диффузии от температуры. Позже с её помощью можно будет объяснять давление газа, испарение, плавление и другие тепловые явления: свойства тела зависят от того, как движутся и взаимодействуют его частицы.

Что запомнить

• Все вещества состоят из мельчайших частиц.
• Молекула сохраняет основные химические свойства вещества.
• Молекулы состоят из атомов.
• Частицы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении.
• Между частицами существуют промежутки.
• Диффузия подтверждает движение частиц вещества.
• Свойства вещества зависят от расположения, движения и взаимодействия его частиц.