§ 7. Строение газов, жидкостей и твёрдых тел

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Вещество может состоять из очень большого числа таких частиц, а свойства целого тела зависят от их устройства и поведения. Это понятие позволяет объяснять свойства вещества через строение и движение его частиц.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Оно не прекращается даже в твёрдом теле, где частицы колеблются около устойчивых положений. Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение, поэтому это понятие связывает температуру с поведением частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, запах духов постепенно распространяется по комнате, потому что молекулы духов перемешиваются с молекулами воздуха. Диффузия показывает, что частицы движутся и могут перемешиваться без перемешивания вещества целиком.

Сила притяжения между молекулами — сила взаимодействия, которая заметно действует на малых расстояниях и зависит от расстояния между частицами. Она помогает удерживать частицы рядом, но при сильном сближении проявляется отталкивание. Учёт этих сил нужен, чтобы понять, почему вещества могут сохранять объём и форму.

Как это устроено

Представление о частицах возникло не только из рассуждений: его подтверждают наблюдения и опыты. Если каплю чернил добавить в воду, через некоторое время окраска распространится по всему объёму, хотя воду не перемешивали. Значит, частицы чернил и воды движутся и постепенно оказываются рядом друг с другом. Такое наблюдаемое перемешивание объясняется молекулярным строением вещества и диффузией.

Частицы не могут оставаться неподвижными, потому что постоянно участвуют в тепловом движении. Их движение беспорядочно: отдельные столкновения меняют направление и скорость частиц. При повышении температуры движение становится интенсивнее, поэтому диффузия обычно происходит быстрее. Это объясняет, почему в тёплой воде капля красителя распространяется быстрее, чем в холодной.

Между молекулами имеются промежутки, а сами молекулы взаимодействуют друг с другом. На малых расстояниях они притягиваются, а если сблизить их слишком сильно, начинает заметно проявляться отталкивание. Поэтому частицы не слипаются в одну точку и одновременно не разлетаются без всякого взаимодействия. Соотношение расстояний и сил взаимодействия влияет на то, насколько свободно частицы могут перемещаться.

В газе промежутки между частицами велики по сравнению с размерами самих частиц, а притяжение обычно не удерживает их около определённых мест. Поэтому молекулы свободно движутся и распространяются по всему доступному пространству: газ занимает весь сосуд и не сохраняет собственной формы. Большие промежутки позволяют уменьшить объём газа, сблизив частицы, — газ легко сжимается. Когда газу предоставляют больше места, его частицы распределяются по увеличившемуся объёму.

В жидкости частицы расположены близко, поэтому жидкость трудно сжать и она сохраняет почти постоянный объём. Но частицы могут перемещаться и менять соседей, из-за чего жидкость течёт и принимает форму сосуда. В твёрдом теле частицы тоже расположены близко, однако удерживаются около устойчивых положений и могут главным образом колебаться. Поэтому твёрдое тело сохраняет и объём, и собственную форму, хотя его частицы продолжают двигаться.

Строение и свойства газов, жидкостей и твёрдых тел

Сравнивайте состояния вещества по строкам: так видно, как различия в расположении, движении и взаимодействии частиц связаны со свойствами. Например, чтобы объяснить сжимаемость, сопоставьте расстояния между частицами. Чтобы объяснить форму, обратите внимание, могут ли частицы перемещаться относительно друг друга.

Разбор задач

Задача 1. Каплю чернил внесли в воду. Объясните, почему со временем окрашивается весь объём воды. Здесь нужно определить, каким образом частицы чернил попадают в разные части воды, если их специально не перемешивать. Одного утверждения, что чернила «растекаются», недостаточно: объясним наблюдение движением молекул.

1. Чернила состоят из частиц, которые после попадания в воду оказываются рядом с частицами воды.
2. Частицы непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваются и меняют направление.
3. Из-за этого частицы чернил постепенно распространяются между частицами воды, а вещества взаимно проникают друг в друга.

Ответ: весь объём воды окрашивается из-за диффузии, вызванной тепловым движением частиц чернил и воды. Процесс занимает время, потому что частицы перемещаются беспорядочно, а не мгновенно распределяются по сосуду.

Задача 2. Сравните сжимаемость воздуха и воды, используя представления о расстояниях между молекулами. Сначала выясним, где между частицами больше свободного пространства. Затем свяжем это с тем, насколько можно уменьшить расстояние между частицами, действуя на вещество.

1. Воздух — газ, а для газа характерны большие промежутки между молекулами.
2. При сжатии воздуха эти промежутки можно уменьшить, сблизив молекулы.
3. В воде молекулы расположены близко, поэтому свободного пространства для их сближения значительно меньше.

Ответ: воздух сжимается гораздо легче воды. Причина не в том, что молекулы воздуха сами по себе обязательно меньше, а в больших промежутках между ними.

Задача 3. Сопоставьте сохранение формы и объёма у газа, жидкости и твёрдого тела, объяснив различия строением и движением частиц. Проверим свойства последовательно: может ли вещество менять занимаемый объём и могут ли частицы менять положение относительно соседей. Так мы не будем путать сохранение объёма с сохранением формы.

1. Частицы газа далеко друг от друга и свободно движутся, поэтому газ распространяется по всему сосуду и не сохраняет ни его отдельную часть как собственную форму, ни собственный объём.
2. В жидкости частицы расположены близко, но способны перемещаться; жидкость сохраняет объём, однако принимает форму сосуда.
3. В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений, поэтому тело сохраняет и объём, и форму.

Ответ: газ не сохраняет ни форму, ни объём; жидкость сохраняет объём, но не форму; твёрдое тело сохраняет оба свойства. Различия объясняются расположением частиц, характером их движения и взаимодействием.

Типичные ошибки

Ошибка — считать молекулы неподвижными. Её допускают, представляя вещество как застывшую картинку, особенно если речь идёт о твёрдом теле. Но в нём частицы колеблются около устойчивых положений, а при повышении температуры колебания становятся интенсивнее. Проверьте себя: если утверждение исключает любое движение частиц, оно неверно.

Ошибка — представлять частицы газа расположенными вплотную. Так иногда переносят на газ привычный образ твёрдого тела, однако в газе промежутки между молекулами велики. Именно поэтому газ можно заметно сжать, уменьшая эти промежутки. Самопроверка проста: если объяснение лёгкой сжимаемости не упоминает свободное пространство между частицами, в нём пропущена причина.

Ошибка — считать, что молекулы жидкости не перемещаются. Близкое расположение частиц может создать впечатление, будто они зафиксированы, но в действительности частицы жидкости способны менять положение. Благодаря этому жидкость течёт и принимает форму сосуда, сохраняя объём. Проверьте объяснение: если жидкость названа неподвижной и твёрдой по форме, перепутаны свойства жидкости и твёрдого тела.

Ошибка — объяснять сохранение формы твёрдого тела полной неподвижностью частиц. Их удерживают около устойчивых положений силы взаимодействия, но сами частицы продолжают колебаться. Так сохраняется форма тела, хотя тепловое движение не исчезает. Чтобы проверить себя, различайте перемещение частиц по всему веществу и колебание около одного положения.

Связь с другими темами

До изучения строения вещества нужно знать, что вещества состоят из частиц, и различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния. Эти исходные представления помогают сравнивать свойства тел не только по наблюдениям, но и по их строению.

Представление о движении частиц пригодится при изучении температуры, внутренней энергии и теплопередачи. Изменение интенсивности движения помогает связать нагревание вещества с изменениями на уровне частиц.

Молекулярное строение также помогает объяснять давление газа и изменения состояния вещества. Когда меняются условия, могут изменяться движение и взаимодействие частиц, а вместе с ними — свойства вещества.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы непрерывно и беспорядочно движутся.
• Между частицами есть промежутки.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• В газе частицы расположены далеко друг от друга и свободно движутся.
• В жидкости частицы расположены близко, но могут перемещаться.
• В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений.