5. Взаимодействие атомов и молекул

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Например, атомы одного элемента имеют общие химические признаки. Это понятие помогает описывать состав вещества и объяснять, из каких частиц состоят молекулы.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая его химические свойства. Атомы внутри молекулы соединены друг с другом, а состав молекул зависит от вещества. Понятие молекулы нужно, чтобы говорить о частицах, из которых построено вещество.

Межмолекулярное взаимодействие — взаимное действие молекул друг на друга. Оно может проявляться, даже если молекулы не соприкасаются непосредственно. Это понятие помогает понять, почему частицы влияют на движение и расположение соседних частиц.

Силы притяжения и отталкивания — силы, возникающие между атомами и молекулами и зависящие от расстояния между ними. Притяжение стремится сблизить частицы, а отталкивание — раздвинуть. Эти названия нужны, чтобы объяснять, как вещество сохраняет объём и реагирует на деформацию.

Как это устроено

Атомы и молекулы взаимодействуют без непосредственного соприкосновения, потому что действие одной частицы передаётся через окружающее пространство. Поэтому между частицами может возникать сила, хотя между их поверхностями остаётся промежуток. Если одна частица смещается, действие сил меняет движение соседних частиц.

Силы притяжения и отталкивания меняются вместе с расстоянием. При удалении частиц взаимодействие обычно становится слабее, а при сближении его характер меняется. Это не значит, что обе силы одинаково усиливаются при любом изменении расстояния: важно, какая из них преобладает в данный момент.

Когда частицы находятся сравнительно далеко друг от друга, притяжение обычно сильнее отталкивания. Оно стремится уменьшить расстояние между частицами. Если же частицы сблизить очень сильно, отталкивание резко возрастает и начинает преобладать, не позволяя им занять одно и то же место.

Между этими случаями есть равновесное расстояние. При нём силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, поэтому частицы не стремятся ни сблизиться, ни разойтись из-за результирующей силы. Это не означает, что частицы застывают: они продолжают двигаться около обычного для вещества расстояния.

Сжать вещество трудно, когда сближение частиц вызывает сильное отталкивание. При растяжении расстояния увеличиваются, и притяжение стремится вернуть частицы ближе друг к другу; так проявляется упругость. В разных веществах частицы расположены и взаимодействуют по-разному, поэтому газ легко сжимается, а твёрдое тело обычно сохраняет форму и сопротивляется изменению объёма.

Взаимодействие атомов и молекул в зависимости от расстояния

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала сравни расстояние между частицами с равновесным, а затем посмотри, какая сила преобладает. Последний столбец показывает, как из этого соотношения следует изменение расстояния.

Разбор задач

Почему сжатый воздух давит на стенки сосуда и препятствует дальнейшему сжатию?

Условие: воздух в сосуде сжимают, то есть уменьшают расстояния между его молекулами. Нужно объяснить, откуда берутся давление на стенки и сопротивление дальнейшему сжатию. Рассуждаем отдельно о движении молекул и об их взаимодействии.

1. Молекулы воздуха движутся и ударяются о стенки сосуда. Их удары передают стенкам действие, поэтому газ оказывает давление.
2. При сжатии расстояния между молекулами становятся меньше. На очень малых расстояниях отталкивание быстро усиливается.
3. Это отталкивание препятствует дальнейшему сближению частиц. Чтобы сжать газ сильнее, нужно приложить дополнительную силу.

Ответ: воздух давит на стенки из-за ударов движущихся молекул, а сильное отталкивание сблизившихся частиц мешает сжимать его дальше.

Почему кусок резины после растяжения стремится принять первоначальную форму?

Условие: резину растянули, а затем перестали тянуть. Требуется объяснить, почему она стремится вернуться к прежней форме, используя взаимодействие частиц. Сравним расстояния между частицами в растянутом и исходном состояниях.

1. При растяжении частицы резины смещаются, и расстояния между некоторыми из них увеличиваются.
2. Из-за изменения расстояний меняется соотношение сил притяжения и отталкивания. Возникающее действие направлено так, чтобы приблизить расположение частиц к обычному.
3. Внутренние силы передают это действие всему куску резины. Когда внешнее растягивание прекращается, тело стремится восстановить исходную форму.

Ответ: после растяжения взаимодействие частиц стремится вернуть их к обычным расстояниям, поэтому резина восстанавливает форму, если деформация не была слишком большой.

Два кусочка пластилина легко соединяются, а два гладких металлических бруска после плотного прижатия могут сцепиться. Объяснить различие.

Условие: пластилин можно соединить простым прижатием, а металлическим брускам для сцепления нужны гладкие поверхности и плотный контакт. Нужно связать различие с расстоянием между частицами на поверхности. Само соприкосновение предметов ещё не означает, что все их частицы сблизились достаточно для заметного притяжения.

1. Мягкий пластилин легко деформируется при нажатии. Его поверхности подстраиваются друг к другу, и частицы на границе могут сблизиться.
2. Если частицы поверхностей оказываются достаточно близко, притяжение помогает удерживать кусочки вместе. Поэтому пластилин легко соединить.
3. У твёрдых брусков неровности мешают поверхностям соприкоснуться на большой площади. Гладкая обработка и сильное прижатие уменьшают промежутки, и притяжение частиц может сцепить бруски.

Ответ: различие связано с тем, насколько близко и на какой площади сближаются частицы поверхностей; пластилин легче меняет форму, а металлическим брускам нужны гладкость и плотный контакт.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что между молекулами действует только притяжение. Так думают, замечая, что частицы способны удерживаться рядом, но при слишком малом расстоянии отталкивание резко возрастает. Проверь себя: объясни, почему вещество не сжимается до исчезновения промежутков между частицами.

Ошибка: путать силы взаимодействия молекул с трением. Трение связано с соприкасающимися поверхностями тел, а взаимодействие частиц существует и тогда, когда они неподвижны относительно друг друга. Для проверки спроси себя, может ли вещество сопротивляться сжатию в покое: может, значит, это не только трение.

Ошибка: утверждать, что частицы всегда находятся на одинаковом расстоянии. Частицы движутся, поэтому расстояния между ними меняются, хотя для вещества характерно среднее расстояние. Проверь себя: различай постоянное значение и среднее значение, около которого расстояния меняются.

Ошибка: считать, что с увеличением расстояния силы взаимодействия постоянно растут. Обычно при удалении частиц взаимодействие ослабевает, а не усиливается. Чтобы проверить рассуждение, сравни близко расположенные частицы с частицами, удалёнными друг от друга.

Связь с другими темами

Для понимания взаимодействия нужно знать строение вещества: атомы и молекулы, их движение и промежутки между ними. Эти знания помогают объяснять свойства твёрдых тел, жидкостей и газов, а позднее — смачивание, капиллярность и поверхностное натяжение. Связь с механикой состоит в том, что силы меняют движение тел и могут возвращать деформированное тело к исходному состоянию.

Что запомнить

• Атомы и молекулы постоянно взаимодействуют друг с другом.
• Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
• При больших расстояниях взаимодействие ослабевает.
• При очень малых расстояниях преобладает отталкивание.
• Существует равновесное расстояние, при котором притяжение и отталкивание уравновешены.
• Взаимодействие частиц объясняет многие свойства твёрдых тел, жидкостей и газов.