§ 3. Строение вещества

Определения и обозначения

Частица вещества — мельчайший объект, сохраняющий или определяющий свойства вещества. К основным частицам относят атомы, молекулы и ионы. Это понятие помогает представить, из чего состоит вещество, даже если его частицы нельзя увидеть глазом.

Атом — электрически нейтральная частица химического элемента. Атомы входят в состав молекул или образуют вещества немолекулярного строения. Поэтому знание об атомах помогает понять, какие элементы представлены в веществе.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных между собой атомов и сохраняющая химические свойства этого вещества. Например, молекула воды содержит атомы водорода и кислорода. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать состав молекулярных веществ.

Ион — заряженная частица, образующаяся из атома или группы атомов при потере или присоединении электронов. Потеряв электрон, частица получает положительный заряд, а присоединив — отрицательный. Ионы входят в состав некоторых веществ, например поваренной соли.

Как это устроено

Вещество рассматривают как совокупность мельчайших частиц, потому что его свойства можно объяснить тем, как устроены эти частицы и как они себя ведут. Вещества отличаются составом и расположением частиц, поэтому различаются и их свойства. Частицы слишком малы, чтобы видеть их по отдельности, однако наблюдаемые явления показывают, что сплошной на вид материал имеет внутреннее строение.

Между частицами есть промежутки, хотя их размер и значение зависят от состояния вещества. В газах эти промежутки велики по сравнению с размерами самих частиц, поэтому газ можно сжимать: при внешнем давлении частицы сближаются. В жидкостях и твёрдых телах частицы расположены намного ближе, поэтому заметно уменьшить их объём гораздо труднее. Промежутки также позволяют частицам одного вещества проникать между частицами другого.

Частицы непрерывно движутся, сталкиваются и меняют направление. Благодаря этому частицы запаха духов постепенно расходятся от места, где их распылили, и достигают разных частей комнаты. Такое взаимное проникновение частиц веществ называют диффузией. При нагревании частицы обычно движутся быстрее и чаще перемещаются на заметные расстояния, поэтому диффузия ускоряется.

Свойства разных состояний вещества зависят от движения частиц и их взаимодействия. В твёрдом теле частицы сильно притягиваются и удерживаются около определённых положений: они колеблются, но не разлетаются, поэтому тело сохраняет форму и объём. В жидкости частицы остаются близко друг к другу, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём, однако принимает форму сосуда. В газе частицы свободно движутся и занимают доступное пространство, поэтому газ расширяется и не сохраняет собственную форму.

Молекулы разных веществ могут включать разное число атомов и разные химические элементы: например, O₂ и H₂O имеют неодинаковый состав. Но не любое вещество построено из отдельных молекул. В некоторых веществах частицы связаны в общую структуру, а роль основных частиц выполняют атомы или ионы; такое строение называют немолекулярным. Поэтому при описании вещества важно не считать все его частицы молекулами.

Основные частицы, из которых состоят вещества

Сначала определите, какая частица названа: отдельный атом, связанная группа атомов или заряженная частица. Затем выясните, строится ли вещество из отдельных молекул или из общей структуры атомов либо ионов. Примеры в последнем столбце помогают сопоставить название частицы с реальным веществом.

Разбор задач

Какие частицы входят в состав воды, кислорода, железа и поваренной соли?

Решение. 1. Вспомним, что молекулярные вещества состоят из отдельных молекул, а немолекулярные — из атомов или ионов в общей структуре. 2. Вода H₂O и кислород O₂ имеют молекулярное строение: первая состоит из молекул с атомами водорода и кислорода, вторая — из молекул с двумя атомами кислорода. 3. Железо имеет немолекулярное строение, его основные частицы — атомы железа. Поваренная соль тоже немолекулярна: её составляют ионы натрия и хлора, а не отдельные молекулы NaCl.

Ответ: вода — молекулы H₂O; кислород — молекулы O₂; железо — атомы; поваренная соль — ионы. Такой способ рассуждения не позволяет назвать молекулами любые частицы вещества. Важно отличать запись состава от того, какие частицы образуют структуру вещества.

Почему запах духов распространяется по комнате, а сахар растворяется в воде?

Решение. 1. Вспомним, что частицы непрерывно движутся, а между ними имеются промежутки. 2. Частицы пахучих веществ перемещаются в воздухе и смешиваются с его частицами; так запах постепенно достигает разных мест комнаты. Это диффузия, которая происходит из-за движения частиц. 3. При растворении частицы сахара отделяются от кристалла и распределяются между частицами воды. В результате сахар оказывается распределён в жидкости, хотя отдельные частицы не обязательно можно увидеть.

Ответ: и запах, и растворение связаны с движением частиц и их взаимным проникновением. Различается лишь ситуация: в первом случае частицы запаха распространяются в газе, во втором — частицы сахара распределяются в воде. При более высокой температуре такое перемешивание обычно идёт быстрее, потому что частицы движутся активнее.

Как ведут себя частицы в твёрдом теле, жидкости и газе при нагревании и почему меняется объём?

Решение. 1. Нагревание обычно не создаёт новых частиц, а увеличивает энергию их движения. 2. В твёрдом теле частицы сильнее колеблются около своих положений; расстояния между ними могут немного увеличиться, поэтому тело обычно расширяется. 3. В жидкости частицы перемещаются свободнее, а при нагревании их движение усиливается и средние расстояния обычно становятся больше. 4. В газе частицы движутся быстрее и могут сильнее раздвигаться, поэтому газ расширяется, если ему доступно дополнительное пространство. При нагревании газа в закрытом жёстком сосуде объём не увеличится, но возрастёт давление.

Ответ: во всех трёх состояниях нагревание обычно ускоряет движение частиц, но проявляется это по-разному из-за различия расстояний и взаимодействия между ними. Твёрдое тело сохраняет форму и расширяется незначительно, жидкость сохраняет объём лучше газа, а газ способен занять больший объём. Результат зависит и от условий: например, ограничивает ли сосуд расширение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что между частицами нет промежутков, потому что их не видно. Так думают, поскольку обычные тела кажутся сплошными, но глаз не различает отдельные частицы и расстояния между ними. Проверьте себя: вспомните сжимаемость газа и диффузию — эти явления объясняются промежутками и движением частиц.

Ошибка: путать атом и молекулу. Атом — отдельная частица элемента, а молекула состоит из связанных атомов; путаница возникает потому, что оба термина называют очень маленькие частицы. Чтобы проверить ответ, спросите себя, состоит ли названная частица из нескольких связанных атомов.

Ошибка: называть молекулами все частицы вещества, в том числе ионы и частицы немолекулярных веществ. Так проще говорить о невидимых частицах, но это стирает различие в строении веществ. Проверьте себя: выясните, есть ли отдельные молекулы или вещество образовано ионами либо атомами в общей структуре.

Ошибка: объяснять нагревание появлением новых частиц. Её допускают, смешивая изменение состояния вещества с изменением его состава. Обычно нагревание ускоряет движение частиц и меняет расстояния между ними; проверьте объяснение вопросом: появились ли новые химические частицы или изменилось поведение прежних?

Связь с другими темами

Чтобы говорить о строении вещества, полезно различать физическое тело, вещество и химический элемент. Тело — отдельный предмет, вещество — материал, из которого оно состоит, а элемент — вид атомов. Свойства вещества не следует смешивать со свойствами конкретного тела, которые зависят также от его формы и размера.

Представление об атомах помогает читать химические формулы: индексы показывают число атомов каждого элемента в молекуле. Знание частиц понадобится и при изучении химических реакций, агрегатных состояний и растворов. Оно позволяет объяснять изменения вещества через движение, взаимодействие и перестройку его частиц.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Между частицами вещества есть промежутки.
• Частицы находятся в непрерывном движении.
• При повышении температуры движение частиц обычно ускоряется.
• Частицы вещества взаимодействуют друг с другом.
• Основные частицы вещества — атомы, молекулы и ионы.
• Строение вещества определяет особенности его свойств.