Будова речовини
Введення
Ще в давні часи, 2500 років тому, деякі вчені висловлювали припущення про будову речовини. Грецький вчений Демокріт (460-370 до н. Е..) Вважав, що всі речовини складаються з найдрібніших частинок. У наукову теорію ця ідея перетворилася тільки в ХV III ст. і отримала подальший розвиток у XIX ст. Виникнення уявлень про будову речовини дозволило не тільки пояснити багато явищ, але і передбачити, як вони будуть протікати в тих чи інших умовах. З'явилася можливість впливати на проходження явищ.
Багато досліди підтверджують уявлення про будову речовини. Розглянемо деякі з них.
Спробуємо стиснути тенісний м'ячик. При цьому об'єм повітря, який заповнює м'яч, зменшиться. Можна зменшити і обсяг надувної кульки, і шматочка воску, якщо докласти певних зусиль.
Обсяг тіла змінюється також при його нагріванні та охолодженні.
Проробимо досвід. Візьмемо мідний або латунний кулька, яка в не нагрітому стані проходить крізь кільце. Якщо кулька нагріти, то, розширившись, він вже крізь кільце не пройде. Через деякий час кулька, охолонувши, зменшиться в обсязі, а кільце, нагрівшись від кульки, розшириться, і кулька знову пройде крізь кільце.
За допомогою досвіду визначимо, як змінюється об'єм рідини при нагріванні.
Колбу, доверху наповнену водою, щільно закриємо пробкою. Крізь пробку пропустимо скляну трубочку. Вода частково заповнить трубку. Відзначимо рівень рідини у трубці. Нагріваючи колбу, ми зауважимо, що через деякий час рівень води в трубці підніметься.
Отже, при нагріванні об'єм тіла збільшується, а при охолодженні зменшується.
Спробуємо пояснити, чому відбувається зміна об'єму тіла. Мабуть, всі речовини складаються з окремих частинок, між якими є проміжки. Якщо частинки віддаляються один від одного, то об'єм тіла збільшується. І навпаки, коли частки зближуються, об'єм тіла зменшується.
Тоді виникає питання: якщо всі тіла складаються з найдрібніших частинок, чому вони здаються нам суцільними (наприклад, залізо, вода, скло, дерево)?
Сучасна наука довела, що частинки речовини такі малі, що ми їх не бачимо.
Для того щоб переконатися в тому, що частинки речовини малі, проробимо досвід.
У посудині з водою розчинний маленьку крупинку синьою гуаші. Через деякий час вода в ньому стане синьою. Отольем трохи забарвленої води в іншу посудину і доллємо в нього чисту воду. Розчин у другому посудині буде забарвлений слабкіше, ніж у першому. Потім з другого судини знову отольем розчин вже в третій посудину і доллємо його знову чистою водою. У цій посудині вода буде пофарбована ще слабкіше, ніж у другому.
Оскільки у воді розчинили дуже маленьку крупинку гуаші і тільки частина її потрапила в третій посудину, то можна припустити, що крупинка складалася з великого числа дрібних частинок.
Цей досвід і багато інших підтверджують гіпотезу про те, що речовини складаються з дуже маленьких часток.
Молекули
Всі речовини складаються з окремих частинок - це припущення було доведено сучасною наукою. Ці частинки були названі молекулами (у перекладі з латинської «маленька маса»).
Молекула речовини - це дрібна частка даної речовини.
Наприклад, найменша частка води - молекула води. Найменшою часткою цукру є молекула цукру.
Спробуємо уявити собі, які розміри молекул.
Якщо б можна було укласти в один ряд впритул один до одного 10000000 молекул води, то вийшла б ниточка довжиною всього в 2 мм. Малий розмір молекул дозволяє отримати тонкі плівки різних речовин. Крапля олії, наприклад, може розтікатися по воді шаром завтовшки всього в 0,000002 м.
Навіть невеликі тіла складаються з величезної кількості молекул. Так, наприклад, в крупинці цукру міститься дуже велика кількість молекул. Підраховано, що в 1 повітря знаходиться близько 27 молекул. Щоб зрозуміти, наскільки велике це число, уявімо таке. Через маленький отвір пропускають по мільйону молекул в секунду, тоді вказану кількість молекул пройде через отвір за 840000 років.
Через дуже малих розмірів молекули невидимі неозброєним оком у звичайні мікроскопи. Але за допомогою спеціального приладу - електронного мікроскопа - вдалося сфотографувати найбільші з них.
Оточуючі нас тіла, навіть схожі на перший погляд, будуть різні. У природі ви не зустрінете двох абсолютно однакових сніжинок або піщинок, людей, тварин і пр.
Вчені за допомогою дослідів довели, що молекули різних речовин відрізняються один від одного, а молекули одного і того ж речовини однакові. Наприклад, воду, отриману з соку або молока, не можна відрізнити від води, отриманої шляхом перегонки з морської води.
Молекули води однакові. З таких молекул не може складатися ніяке інше речовина. Молекули, у свою чергу, складаються з ще більш дрібних частинок - атомів.
Наприклад, найменша частка води - це молекула води. Вона складається з трьох атомів: двох атомів водню і одного атома кисню. З курсу хімії ви дізнаєтеся, що воду позначають О. Н - атом водню, О - атом кисню.
Молекули прийнято зображати схематично, тобто за допомогою моделей молекул. Якщо розділити дві молекули води, то утворюється два атоми кисню і чотири атома водню.
Дифузія в газах, рідинах і твердих тілах
Всім добре відомо, що якщо в кімнату внести якесь пахуче речовина, наприклад парфуми або нафталін, то запах незабаром буде відчуватися у всій кімнаті. Поширення запахів відбувається через те, що молекули духів (або нафталіну) рухаються.
Виникає питання, чому ж запах у кімнаті поширюється не миттєво, а через деякий час.
Справа в тому, що руху молекул пахучої речовини в певному напрямку заважає рух молекул повітря. Молекули духів (або нафталіну) на своєму шляху стикаються з молекулами газів, які входять до складу повітря. Вони постійно змінюють напрямок руху і, безладно переміщаючись, розлітаються по кімнаті.
Проробимо досвід, який можна пояснити тільки тим, що тіла складаються з молекул, які знаходяться в безперервному русі.
Наллємо в мензурку (або склянку) розчин мідного купоросу, що має темно-блакитний колір. Зверху обережно додамо чистої води.
Спочатку між водою і мідним купоросом буде видно різка межа, яка через кілька днів стане не такою різкою. Кордон, що відокремлює одну рідина від іншої, зникне через 2-3 тижні. У посудині утворюється однорідна рідина блідо-блакитного кольору. Це означає, що рідини перемішалися.
Спостережуване явище пояснюється тим, що молекули води і мідного купоросу, які розташовані біля кордону розділу цих рідин, помінялися місцями. Кордон розділу стала розпливчастою. Молекули мідного купоросу виявилися в нижньому шарі води, а молекули води перемістилися у верхній шар мідного купоросу.
Якщо дати мензурки постояти 2-3 тижні, то межа розділу буде ще більш розпливчатою і поступово зовсім зникне. Вся вода забарвиться в блакитний колір. Це відбувається тому, що молекули, рухаючись безперервно і безладно, поширюються по всьому об'єму. Рідина в посудині стає однорідною.
Явище, при якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, називають дифузією.
У твердих тілах також відбувається дифузія, але тільки ще повільніше.
Наприклад, дуже гладко відшліфовані платівки свинцю і золота кладуть одна на одну і ставлять на них певний вантаж. (Платівку золота, як більш важку, мають внизу.) При кімнатній температурі за 4-5 років золото і свинець взаємно проникають один в одного на відстань близько 1 мм. У всіх наведених дослідах ми спостерігаємо взаємне проникнення молекул речовин, тобто дифузію.
Процес дифузії прискорюється з підвищенням температури. Це відбувається тому, що з підвищенням температури збільшується швидкість руху молекул.
Явище дифузії відіграє велику роль у природі. Так, наприклад, завдяки дифузії підтримується однорідний склад атмосферного повітря поблизу поверхні Землі. Дифузія розчинів різних солей у грунті сприяє нормальному харчуванню рослин і т. д.
Взаємне тяжіння і відштовхування молекул
Якщо всі тіла складаються з дрібних частинок (молекул або атомів), чому ж тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі молекули або атоми? Що змушує їх триматися разом, адже молекули розділені між собою проміжками і знаходяться в безперервному хаотичному русі?
Справа в тому, що між молекулами існує взаємне притягання. Кожна молекула притягує до себе всі сусідні молекули і сама притягується ними.
Коли ми розриваємо нитка, ламаємо палицю або відриваємо шматочок паперу, то долаємо сили тяжіння між молекулами.
Помітити притягання між двома молекулами абсолютно неможливо. Коли ж притягуються багато мільйонів таких частинок, взаємне тяжіння стає значним. Тому важко розірвати руками мотузку або сталевий дріт.
Тяжіння між молекулами в різних речовинах неоднаково. Цим пояснюється різна міцність тел. Наприклад, сталевий дріт міцніше мідної. Це означає, що частинки стали притягуються сильніше один до одного, ніж частки міді.
Тяжіння між молекулами стає помітним лише тоді, коли вони знаходяться дуже близько один до одного. На відстані, що перевищує розміри самих молекул, тяжіння слабшає. Дві краплі води зливаються в одну, якщо вони стикаються. Два свинцевих циліндра зчіплюються разом, якщо їх впритул притиснути один до одного рівними, тільки що зрізаними поверхнями. При цьому зчеплення може бути настільки міцним, що циліндри не вдається відірвати один від одного навіть при великому навантаженні.
Проте частка скла не можна зростити, навіть щільно притискаючи їх. Через нерівностей не вдається їх зблизити на ту відстань, на якому частинки можуть притянуться один до одного. Але якщо розм'якшити скло шляхом нагрівання, то різні частини можна зблизити і скло в цьому випадку спаивается.
Це означає, що частинки скла опинилися на такій відстані, коли діє притягання між ними.
З'єднання шматків металу при зварюванні або пайку, а також склеювання засноване на тяжінні молекул один до одного.
Отже, між молекулами (атомами) існує взаємне тяжіння, яке помітно тільки на відстанях, порівнянних з розмірами самих молекул (атомів).
Спробуємо з'ясувати, чому між молекулами є проміжки. Якщо молекули притягуються одна до одної, то вони повинні як би злипнутися. Цього не відбувається, тому що між молекулами (атомами) в той же час існує відштовхування.
На відстанях, порівнянних з розмірами самих молекул (атомів), помітнішою стає тяжіння, а при подальшому зближенні - відштовхування.
Багато спостережувані явища підтверджують існування відштовхування між молекулами.
Так, наприклад, стислий тіло розпрямляється. Це відбувається через те, що при стисненні молекули опиняються на такій відстані один від одного, коли починає проявлятися відштовхування.
Деякі явища, що відбуваються в природі, можна пояснити тяжіння між молекулами. За розтягування пружини можна судити про те, наскільки воно велике. Відірвавши платівку, можна побачити, що на ній залишається тонкий шар води, тобто пластина змочена водою. Значить, при відриванні пластини ми долали тяжіння між молекулами води. Розрив відбувся не там, де стикаються молекули води з частинками скла, а там, де молекули води стикаються один з одним.
Вода змочує не тільки скло, а й шкіру, дерево і інші речовини. У багатьох випадках вода може і не змочувати тіла. Наприклад, якщо опустити у воду шматочок воску або парафіну, а потім вийняти, то він виявиться сухим. Всім добре відомо, що вода не змочує і жирні поверхні тіл.
Всі наведені приклади можна легко пояснити.
Якщо рідина змочує тверде тіло, то це означає, що молекули рідини притягуються одне до одного слабкіше, ніж до молекул тіла.
Коли спостерігається незмочуваність, то це означає, що молекули рідини притягуються сильніше один до одного, ніж до молекул твердого тіла.
У побуті ми часто стикаємося з явищами змочування і несмачіванія.
Так, наприклад, завдяки явищу змочування ми можемо писати, витирати мокрі предмети і т. д.
Агрегатні стани речовини
У природі речовини зустрічаються в трьох агрегатних станах: в твердому, рідкому і газоподібному. Наприклад, вода може знаходитися у твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара) станах. У добре знайомому вам градуснику ртуть - це рідина. Над поверхнею ртуті знаходяться її пари, а при температурі -39 ртуть перетворюється на тверде тіло.
У різних станах речовини мають різні властивості.
Більшість навколишніх тіл, які складаються з твердих речовин. Це будинки, машини, інструменти та ін Форму твердого тіла можна змінити, але для цього необхідно докласти зусилля. Наприклад, щоб зігнути цвях, потрібно докласти досить велике зусилля.
У звичайних умовах важко стиснути або розтягнути тверде тіло. Для додання твердим тілам потрібної форми та об'єму на заводах і фабриках їх обробляють на спеціальних верстатах: токарних, стругальних, шліфувальних.
Тверде тіло має власну форму і об'єм.
На відміну від твердих тіл рідини легко змінюють свою форму.
Вони приймають форму посудини, в якому знаходяться.
Наприклад, молоко, наповнює пляшку, має форму пляшки. Налите ж у склянку, воно приймає форму склянки. Але, змінюючи форму, рідина зберігає свій об'єм.
У звичайних умовах тільки маленькі крапельки рідини мають свою форму - форму кулі. Це, наприклад, краплі дощу або краплі, на які розбивається струмінь рідини.
На властивості рідини легко змінювати свою форму засновано виготовлення предметів з розплавленого скла.
Рідини легко змінюють свою форму, але зберігають об'єм.
Повітря, яким ми дихаємо, є газоподібним речовиною, або газом. Оскільки більшість газів безбарвні і прозорі, то вони невидимі.
Присутність повітря можна відчути, стоячи біля відчиненого вікна рухомого потягу. Його наявність в навколишньому просторі можна відчути, якщо в кімнаті виникне протяг, а також довести за допомогою простих дослідів.
Якщо стакан перевернути догори дном і спробувати опустити його у воду, то вода в склянку не увійде, оскільки він заповнений повітрям. Тепер опустимо у воду воронку, яка сполучена гумовим шлангом зі скляною трубочкою. Повітря з воронки почне виходити через цю трубочку.
Ці та багато інших прикладів і досліди підтверджують, що в навколишньому просторі є повітря.
Гази на відміну від рідин легко змінюють свій об'єм. Коли ми стискаємо тенісний м'ячик, то тим самим змінюємо об'єм повітря, що наповнює м'яч. Газ, поміщений в закриту посудину, займає весь його цілком. Не можна газом заповнити половину пляшки так, як це можна зробити рідиною.
Гази не мають власної форми і постійного об'єму. Вони приймають форму судини і повністю заповнюють наданий їм об'єм.
Різниця в молекулярній будові твердих тіл, рідин і газів
Пояснити властивості речовин можна, якщо знати їх молекулярне будова.
Одне і те ж речовина може перебувати в різних станах.
Так, наприклад, вода, замерзаючи, стає твердим тілом (лід), а при кипінні звертається в газоподібний стан (пар). Це три стану одного і того ж речовини (води), тобто рідке, тверде й газоподібне. А якщо всі три стани води - це стани однієї й тієї ж речовини, значить, і молекули його не відрізняються один від одного. Звідси можна зробити висновок, що різні властивості речовини у всіх станах визначаються тим, що його молекули розташовані інакше і рухаються по-різному.
Якщо газ стискається, і обсяг його зменшується, отже, у газах відстань між молекулами набагато більше розмірів самих молекул. Оскільки в середньому відстані між молекулами в десятки разів більше розміру молекул, то вони слабо притягуються одне до одного.
Молекули газу, рухаючись у всіх напрямках, майже не притягуються одне до одного і заповнюють весь посудину. Гази не мають власної форми і постійного об'єму.
Молекули рідини розташовані близько один до одного. Відстані між кожними двома молекулами менше розмірів молекул, тому тяжіння між ними стає значним.
Молекули рідини не розходяться на великі відстані, і рідина в звичайних умовах зберігає свій об'єм, але не зберігає форму.
Оскільки притягання між молекулами рідини не таке велике, то вони можуть стрибками змінювати своє положення. Рідина не зберігає свою форму і приймає форму судини. Вони текучі, їх легко перелити з однієї судини в іншій.
Рідина важко стискається, тому що при цьому молекули зближуються на відстань, коли помітно проявляється відштовхування.
У твердих тілах тяжіння між молекулами (атомами) ще більше, ніж у рідин. Тому в звичайних умовах тверді тіла зберігають свою форму і об'єм.
У твердих тілах молекули (атоми) розташовані в певному порядку. Це лід, сіль, метали та ін Такі тіла називаються кристалами.
Молекули або атоми твердих тіл коливаються близько певної точки і не можуть далеко переміститися від неї. Тверде тіло, тому зберігає не тільки обсяг, але і форму.