Молекулярное строение твёрдых тел, жидкостей и газов

На этом уроке вы:

• узнаете, из чего состоит вещество;
• узнаете о мельчайших частицах вещества — молекулах и атомах;
• научитесь описывать строение твердых, жидких и газообразных тел на основе молекулярного строения вещества.

Ключевые слова: атом, молекула, твердые тела, кристаллическая решетка, кристаллические тела, аморфные тела, жидкости, газы.

Человечество издавна интересовалось тайной строения вещества, что помогало решать многие практические задачи. Так, древнегреческий мыслитель Демокрит выдвинул гипотезу о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, которые нельзя наблюдать невооруженным глазом. Он считал, что вещество можно делить до мельчайших частиц этого вещества, а не до бесконечности. Ученый назвал их атомами (по-греч. атом означает «неделимый»). Так появилась гипотеза об атомарном строении веществ: все вещества состоят из атомов, которые невидимы из-за своей малости.

Демокрит (460—370 до н. э.). Жил в Древней Греции и первым выдвинул гипотезу об атомах. Он не признавал существование нематериальных объектов.

Демокрит также полагал, что атомы в веществе движутся и что все вещества различаются числом атомов, их формой и размерами. Гипотеза Демокрита об атомах не получила опытного подтверждения в то время. Только в XVIII в. французский физик Гассенди возродил атомистику. В его трудах впервые появилось слово молекула (от лат. слова molecula — «маленькая масса»).

Верность гипотезы Демокрита о строении вещества была экспериментально доказана только в начале XX в. Большой вклад в развитие теории строения вещества внес русский ученый М. В. Ломоносов. Он опытным путем доказал, что любое тело состоит из микрочастиц, которые непрерывно и хаотично движутся в теле и взаимодействуют друг с другом. Со времен Ломоносова мельчайшую частицу вещества стали называть молекулой.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765). Выдающийся русский ученый. Его работы посвящены физике, химии, астрономии, горному делу, металлургии и др. Основоположник молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Молекула — это мельчайшая частичка вещества, определяющая его химические свойства.

Многочисленные опыты показали, что молекулы очень малы. Так, например, диаметр молекул таких веществ, как азот, водород, кислород, равен примерно $10^{-7}$ мм. Масса молекулы также очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна $3{,}3 \cdot 10^{-27}$ кг, воды — $3{,}3 \cdot 10^{-26}$ кг. Масса и размеры молекул одного и того же вещества одинаковы.

Чтобы представить себе размер молекулы, приведем следующие сравнения: молекула во столько же раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Если молекулу воды увеличить в миллион раз ($10^6$), то она будет иметь размер вполовину точки печатного шрифта этого учебника ($\approx 0{,}3$ мм). При таком увеличении толщина волоса (0,1 мм) окажется равной 100 м, диаметр вишни (1 см) — 10 км.

Современные технологии позволяют с помощью особых приборов (электронный микроскоп, ионный проектор, туннельный микроскоп) рассмотреть в увеличенном виде молекулы веществ.

Частицы, из которых состоят молекулы веществ, называются атомами. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 21.1).

Рис. 21.1

Атом — наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях.

Совокупность атомов одного определенного вида называется химическим элементом.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга массой и размерами.

В начале XX в. было установлено, что атом является сложной частицей и состоит из различных, более мелких частиц. Они называются электронами, протонами, нейтронами. С ними вы ознакомитесь в старших классах.

Вещества в природе могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Так, вода в зависимости от ее температуры может иметь не только жидкое (вода), но и твердое (лед) и газообразное (пар) состояния. Рассмотрим эти состояния тел.

Твердые тела сохраняют объем и имеют определенную форму. Многие из них имеют естественную, правильную, сложную и красивую форму, например снежинки или крупинки соли (рис. 21.2).

Рис. 21.2

Твердое тело трудно сжать или растянуть. Для того чтобы растянуть или сжать стальной стержень, необходимо приложить очень большое усилие. Это связано с тем, что их молекулы находятся близко друг к другу, на таких расстояниях, где силы взаимодействия между ними велики. Атомы и молекулы большинства твердых тел расположены в определенном порядке и образуют кристаллическую решетку (рис. 21.3). Такие твердые тела называются кристаллическими (рис. 21.4).

Молекулы или атомы твердых тел совершают колебательное движение относительно узлов кристаллической решетки. Этим объясняется правильность форм твердых тел и их неспособность к растеканию.

Рис. 21.3 — кристаллическая решетка; рис. 21.4 — кристаллические тела

Жидкое состояние. С этим состоянием вещества мы встречаемся очень часто. Вспомним хотя бы воду, молоко, растительное масло, бензин, нефть.

Для того чтобы выяснить структуру жидкости, обратимся к ее известным свойствам.

Жидкости текучи, они имеют собственный объем, но не имеют собственной формы. Их легко перелить из одного сосуда в другой, поэтому они принимают форму сосуда, в который их наливают (рис. 21.5). И только маленькие капельки жидкости имеют свою форму — форму шара. Капельки росы на листьях шарообразны (рис. 21.6), как и капельки ртути, упавшие на стол.

Жидкости мало сжимаемы. Объем жидкости изменить чрезвычайно трудно. Попробуйте сжать воду в сосуде. Вряд ли ваши попытки окажутся удачными. Это означает, что жидкость имеет собственный объем.

Рис. 21.5

Рис. 21.6

В жидкостях молекулы плотно упакованы, и расстояния между ними малы. Их трудно сжать, и они имеют собственный объем. Силы притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами твердого тела, поэтому они не сохраняют свою форму.

Характер движения молекул жидкости очень сложен. Они располагаются не так упорядоченно, как молекулы твердых тел, но в большем порядке, чем молекулы газов. Молекулы жидкости совершают колебательное движение относительно положений равновесия, однако с течением времени эти положения равновесия смещаются. Молекулы перескакивают с места на место, поэтому порядка в расположении молекул по всему объему жидкости нет. Жидкости обладают свободной поверхностью. Так, если жидкость не полностью заполняет сосуд, то у нее образуется слой, граничащий с воздухом (рис. 21.7).

Рис. 21.7

Газы не имеют ни собственного объема, ни собственной формы, легко сжимаются.

Воздушный шарик легко сжать, надавив на него. После прекращения воздействия шарик восстанавливает прежнее состояние (рис. 21.8, а).

Газ занимает весь предоставленный ему объем. Если взять пустую бутылку и капнуть в нее каплю брома (жидкость коричневого цвета), то мы увидим, как постепенно вся бутылка заполняется газом светло-коричневого цвета — парами брома (рис. 21.8, б).

Рис. 21.8

Газы легко изменяют свою форму, принимая форму сосуда, в котором находятся. Поэтому можно утверждать, что силы притяжения между молекулами газа малы. Это значит, что молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга. Это подтверждается тем, что газы легко сжимаемы.

Кроме того, молекулы в газах непрерывно и хаотично движутся, причем достаточно быстро (скорость их хаотичного движения составляет сотни м/с) (рис. 21.9).

Рис. 21.9

Напоминаем, что молекулы одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях одинаковы, различны только их расположение и движение. На рисунке 21.10 показано расположение молекул воды в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Рис. 21.10. Расположение молекул воды в разных агрегатных состояниях: газ, жидкость, твердое тело

Вопросы

1. Что мы понимаем под понятием «молекула»?
2. Почему мы уверены в существование атомов и молекул, ведь они невидимы?
3. Какие доказательства существования молекул вы знаете?
4. В чем отличие атома от молекулы?
5. Какова роль Демокрита, Ломоносова в изучении строения вещества?
6. Как вам известно, молекулы таких веществ, как вода, водяной пар и лед, одинаковы. От чего же зависит то или иное агрегатное состояние вещества?

Творческая мастерская

Объясните.

1. Опираясь на молекулярное учение о строении вещества, объясните, почему газ не имеет собственного объема и формы.
2. Опираясь на молекулярное учение о строении вещества, объясните, почему жидкость не сохраняет свою форму, а твердое тело имеет собственную форму.
3. В чем сходство и различие свойств жидкостей и газов? Дайте объяснение, опираясь на молекулярное учение о строении вещества.

Анализируйте. Как меняются силы притяжения и отталкивания между молекулами по мере их сближения друг с другом?

Экспериментируйте.

1. Налейте в формочку для получения льда воду и поместите ее в морозильник. После того как вода замерзнет, вытащите лед из формочек и определите его общий объем (подумайте, как это сделать). Сравните с объемом воды, которая была налита в формочки. Сделайте вывод. Предложите гипотезу об изменениях, происшедших с молекулами воды после того, как вода превратилась в лед.
2. Возьмите пластинку пластилина и придайте ей форму шара, куба, овала. Какие изменения происходят с молекулами в пластилине?
3. Выращивание кристалла. Вы можете научиться выращивать кристаллы. Для этого привяжите к нитке кристаллик поваренной соли и опустите его в насыщенный раствор этой соли. В течение трех-четырех дней наблюдайте рост кристалла.