§13 Различие в молекулярном строении твёрдых тел, жидкостей и газов

Определения и обозначения

Твёрдое тело — состояние вещества, в котором молекулы расположены близко и колеблются около определённых положений; тело сохраняет форму и объём. Иначе говоря, молекулы не стоят на месте, но не могут свободно перемещаться по всему телу. Это определение помогает объяснить, почему твёрдый предмет не растекается и не принимает форму коробки.

Жидкость — состояние вещества, в котором молекулы расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга; жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Молекулы могут менять соседей и перемещаться, поэтому жидкость течёт. Такое определение позволяет отличить способность жидкости менять форму от способности сохранять объём.

Газ — состояние вещества, в котором молекулы находятся далеко друг от друга и движутся свободно; газ не сохраняет ни форму, ни объём. Он распространяется по доступному пространству и принимает форму сосуда. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему воздух находится во всём объёме комнаты или закрытой ёмкости.

Молекулярное строение вещества — расположение молекул и характер их движения и взаимодействия. Одного знания о том, из каких частиц состоит вещество, недостаточно: важно учитывать расстояния между ними и то, как они движутся. По молекулярному строению можно объяснить различия в свойствах твёрдых тел, жидкостей и газов.

Как это устроено

В твёрдом теле молекулы находятся близко друг к другу, а притяжение удерживает каждую около определённого положения. Если молекула немного смещается, притяжение со стороны соседних молекул стремится вернуть её обратно. Поэтому молекулы колеблются, но не перемещаются свободно на большие расстояния. Поскольку их положения относительно друг друга почти не меняются, сохраняется форма тела.

Молекулы твёрдого тела не неподвижны: тепловое движение заставляет их постоянно колебаться. Представить это можно как множество частиц, каждая из которых дрожит возле своего места. При нагревании колебания становятся интенсивнее, но в обычных условиях не превращаются в свободное движение по всему телу. Поэтому само наличие движения не мешает твёрдому телу сохранять форму.

В жидкости расстояния между молекулами тоже малы, но расположение не закреплено так, как в твёрдом теле. Притяжение удерживает молекулы поблизости друг от друга, однако не мешает им перемещаться и менять соседей. При движении молекулы скользят относительно друг друга, поэтому вся жидкость может течь и принимать форму сосуда. Близкое расположение частиц помогает жидкости сохранять объём, хотя её форма меняется.

В газе расстояния между молекулами намного больше размеров самих молекул. Частицы движутся свободно и часто меняют направление при столкновениях друг с другом и со стенками сосуда. Притяжение между ними существует, но при обычных условиях из-за больших расстояний оно обычно слабо влияет на движение. Поэтому молекулы распространяются по сосуду, пока газ не займёт весь доступный объём.

Большие промежутки между молекулами объясняют сжимаемость газа. Когда газ сжимают, например поршнем, молекулы оказываются ближе друг к другу: уменьшается пространство между ними, а не их собственный размер. В жидкости и твёрдом теле частицы уже расположены близко, поэтому свободных промежутков намного меньше. Из-за этого такие вещества сжать значительно труднее, чем газ.

Сравнение молекулярного строения и свойств твёрдых тел, жидкостей и газов

Сравнивайте состояния по строкам: так проще увидеть, какое свойство связано с расположением или движением молекул. Например, сохранение объёма жидкости объясняется близким расположением частиц, а её текучесть — возможностью перемещаться. Таблица показывает общие свойства состояний вещества; конкретные вещества могут различаться по своим свойствам.

Разбор задач

Почему камень сохраняет форму, даже если его переложить из одной коробки в другую?

Камень остаётся камнем той же формы после перемещения в другую коробку. Нужно выяснить, что происходит с молекулами твёрдого тела и могут ли они перестраиваться так же свободно, как молекулы жидкости. Свяжем наблюдаемое свойство с движением и взаимным притяжением молекул.

1. Определяем состояние вещества: камень — твёрдое тело. В твёрдом теле молекулы расположены близко друг к другу и удерживаются около определённых положений притяжением.

2. Учитываем движение молекул: они колеблются, но не перемещаются свободно по всему камню. Поэтому при перекладывании камня взаимное расположение его молекул существенно не меняется.

3. Связываем строение со свойством: молекулы сохраняют расположение относительно соседей, и весь предмет сохраняет форму. Перекладывание меняет место камня, но не превращает его в другое тело.

Ответ: камень сохраняет форму, потому что его молекулы колеблются около определённых положений и не перемещаются свободно друг относительно друга.

Вода принимает форму стакана, но после переливания её объём почти не меняется. Объясните оба наблюдения.

Здесь нужно объяснить два свойства сразу: изменение формы и сохранение объёма. Если рассмотреть только одно из них, легко ошибочно решить, что молекулы жидкости либо свободны, как в газе, либо закреплены, как в твёрдом теле. В действительности жидкость занимает промежуточное положение по характеру движения частиц.

1. Определяем состояние: вода — жидкость. Её молекулы расположены близко друг к другу, но не зафиксированы около постоянных положений.

2. Объясняем изменение формы: молекулы могут перемещаться относительно соседей и скользить друг мимо друга. Поэтому вода течёт и принимает форму стакана или другой ёмкости.

3. Объясняем сохранение объёма: молекулы воды остаются близко друг к другу и не разлетаются, как частицы газа. При переливании меняется форма занимаемого пространства, но количество воды и её объём почти сохраняются.

Ответ: вода принимает форму стакана, потому что её молекулы перемещаются друг относительно друга, а сохраняет почти постоянный объём, потому что молекулы расположены близко.

Воздух в закрытом шприце можно заметно сжать, а воду — почти нет. Объясните различие с точки зрения молекулярного строения.

При нажатии на поршень шприца уменьшается пространство, доступное веществу. Сравним, сколько места между молекулами есть в воздухе и воде до сжатия. Это поможет понять, почему один образец заметно меняет объём, а другой — почти нет.

1. Определяем состояния веществ: воздух — газ, вода — жидкость. В газе расстояние между молекулами велико по сравнению с размерами самих молекул, а в жидкости частицы расположены близко.

2. Рассматриваем воздух: при нажатии на поршень молекулы газа оказываются ближе друг к другу. Уменьшаются промежутки между ними, поэтому газ занимает меньший объём.

3. Рассматриваем воду: её молекулы и до нажатия находятся близко. Свободного пространства, которое можно было бы убрать сжатием, мало, поэтому объём воды меняется незначительно.

Ответ: воздух сжимается легче воды, потому что в газе между молекулами большие промежутки; при сжатии эти промежутки уменьшаются. В жидкости молекулы и так расположены близко.

Типичные ошибки

Ошибка: считать молекулы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что сам предмет кажется неподвижным и сохраняет форму. На самом деле молекулы непрерывно колеблются около определённых положений; проверить себя можно, спросив, означает ли сохранение формы отсутствие движения частиц.

Ошибка: путать близкое расположение молекул жидкости со способностью сохранять форму. Частицы действительно находятся близко, но могут перемещаться друг относительно друга, поэтому жидкость принимает форму сосуда. Для проверки разделите два вопроса: сохраняет ли жидкость объём и может ли она течь?

Ошибка: предполагать, что при сжатии газа увеличиваются молекулы. Такое объяснение может возникнуть, если представить, будто частицы сами заполняют весь доступный объём. Сжимаются промежутки между молекулами, а их размеры практически не меняются; проверьте себя, сравнив сжатие с уплотнением расположения частиц.

Ошибка: думать, что молекулы газа совсем не взаимодействуют. Большое расстояние между ними может создать такое впечатление, но столкновения и взаимодействие существуют. При обычных условиях притяжение обычно мало влияет на движение; проверить вывод можно, вспомнив о столкновениях молекул друг с другом и со стенками сосуда.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в строении состояний вещества, нужно знать, что вещества состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления помогают объяснить давление газа на стенки, его сжимаемость и изменение объёма при нагревании. Различия между твёрдым телом и жидкостью пригодятся при изучении плавления, кристаллизации и других переходов между состояниями вещества.

Что запомнить

• Твёрдые тела, жидкости и газы состоят из молекул.
• В твёрдом теле молекулы колеблются около определённых положений.
• Молекулы жидкости расположены близко, но могут перемещаться друг относительно друга.
• Молекулы газа находятся далеко друг от друга и движутся свободно.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и легко сжимается.