4. Движение молекул

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов, а их размеры настолько малы, что увидеть отдельную молекулу невооружённым глазом нельзя. Понятие молекулы помогает объяснить, из каких частиц состоит вещество и почему разные вещества имеют разные свойства.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Оно есть в газах, жидкостях и твёрдых телах, потому что частицы вещества не бывают полностью неподвижными. Это понятие связывает движение частиц с температурой и объясняет многие изменения веществ.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Например, молекулы запаха постепенно распространяются среди молекул воздуха. Диффузия позволяет обнаружить движение частиц по тому, как со временем смешиваются вещества.

Броуновское движение — беспорядочное движение заметных частиц, вызванное ударами молекул окружающей среды. Так движется, например, мелкая частица пыльцы в воде. Это явление нужно для наблюдаемого подтверждения того, что невидимые молекулы непрерывно движутся.

Как это устроено

Молекулы находятся в непрерывном движении, потому что частицы вещества обладают внутренней энергией. Она связана с движением и взаимодействием частиц внутри тела. Поэтому даже неподвижный на столе предмет не состоит из неподвижных молекул: покоится тело целиком, а его частицы продолжают двигаться.

Движение молекул называют беспорядочным, потому что их направления постоянно меняются. Частицы сталкиваются друг с другом и взаимодействуют, поэтому нельзя сказать, что все молекулы движутся в одну сторону с одинаковой скоростью. В результате движение отдельных частиц выглядит случайным, хотя вместе они образуют вещество.

Диффузия подтверждает движение молекул: частицы одного вещества постепенно оказываются между частицами другого. В газах они могут перемещаться далеко и быстро, поэтому вещества смешиваются сравнительно быстро. В жидкостях частицы перемещаются медленнее, а в твёрдых телах они в основном колеблются около своих мест, поэтому диффузия идёт особенно медленно.

Температура влияет на интенсивность теплового движения. При нагревании частицы обычно движутся быстрее, чаще и энергичнее взаимодействуют, поэтому диффузия ускоряется. При охлаждении движение становится медленнее и смешивание веществ обычно замедляется.

Броуновское движение показывает действие молекул на частицу, которую уже можно увидеть в микроскоп. Молекулы жидкости ударяют по ней со всех сторон, но удары не уравновешиваются каждое мгновение. Из-за этого заметная частица перемещается беспорядочно, хотя сама жидкость может казаться неподвижной; значит, молекулы жидкости тоже движутся.

Проявления движения молекул

Сначала найдите в таблице явление, которое нужно объяснить, а затем сравните наблюдение с его причиной. Последние три строки показывают, что диффузия происходит в разных состояниях вещества, но с неодинаковой скоростью. Изменение температуры помогает понять, почему скорость процесса меняется.

Разбор задач

Задача 1. Запах духов постепенно распространяется по комнате, хотя воздух кажется неподвижным. Нужно объяснить, как запах достигает разных частей помещения. Для решения важно различать покой воздуха как целого и движение его молекул.

1. Духи испаряются, и их молекулы попадают в воздух.
2. Молекулы духов и воздуха непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваясь друг с другом.
3. Постепенно молекулы духов проникают между молекулами воздуха в разных частях комнаты. Это диффузия, поэтому перемешивание возможно и без заметного движения воздуха.

Ответ: запах распространяется из-за диффузии молекул духов среди молекул воздуха.

Задача 2. Сравните, где быстрее окрасится вода кристалликом марганцовки: в холодной или горячей воде. Чтобы ответить, нужно связать окрашивание с перемешиванием молекул и учесть влияние температуры. Речь идёт о сравнении скорости процесса, а не о разном размере частиц.

1. Растворённые частицы марганцовки распространяются среди молекул воды благодаря диффузии.
2. В горячей воде молекулы обычно движутся быстрее, чем в холодной.
3. Поэтому частицы быстрее перемешиваются и окраска распространяется по воде скорее.

Ответ: горячая вода окрасится быстрее.

Задача 3. Частица пыльцы в воде движется беспорядочно, хотя вода с виду покоится. Нужно выяснить, что приводит её в движение. Не следует объяснять это самостоятельным движением пыльцы, не связанным с окружающей жидкостью.

1. Вода состоит из молекул, которые непрерывно движутся.
2. Они ударяют по частице пыльцы со всех сторон, но в каждый момент удары не полностью уравновешены.
3. Из-за меняющегося перевеса ударов частица сдвигается то в одну, то в другую сторону. Такое движение называют броуновским.

Ответ: пыльца движется беспорядочно под действием неравномерных ударов молекул воды.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы движутся только в газах. Так думают, потому что движение газа и его распространение легко заметить, а частицы твёрдого тела кажутся неподвижными. На самом деле тепловое движение есть в газах, жидкостях и твёрдых телах; проверьте себя вопросом, сохраняется ли температура у твёрдого предмета.

Ошибка: путать движение молекул с перемещением всего тела. Если предмет лежит на столе, кажется, что в нём ничего не движется, но это относится только к предмету целиком. Спросите себя, могут ли частицы двигаться внутри тела, не перемещая его; ответ — да.

Ошибка: утверждать, что нагревание увеличивает размер молекул. Это заблуждение возникает из-за того, что нагретое тело иногда расширяется. Обычно при нагревании быстрее движутся частицы и увеличиваются расстояния между ними, а размер молекул не становится больше; проверьте, не смешиваете ли вы частицы и промежутки между ними.

Ошибка: считать броуновское движение самостоятельным движением крупных частиц. Частицу пыльцы видно, поэтому легко принять её за источник собственного беспорядочного перемещения. Но движение вызывают удары молекул среды; проверка проста: без окружающей жидкости или газа такого воздействия не было бы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении вещества, различии между атомами и молекулами, температуре и состояниях вещества. Движение молекул помогает объяснить диффузию, внутреннюю энергию и теплопередачу, которые изучают дальше. В быту с ним связаны распространение запахов, растворение веществ и перемешивание жидкостей.

Что запомнить

• Молекулы любого вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• Тепловое движение существует в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• Диффузия происходит благодаря движению молекул.
• Диффузия обычно идёт быстрее при повышении температуры.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул окружающей среды.
• По наблюдаемым явлениям можно судить о движении невидимых молекул.