Физика
Тема 7: Первоначальные сведения о строении веществаУрок 2: Строение вещества. Диффузия
- Видео
- Тренажер
- Теория
Из чего состоит вещество?
Все, что нас окружает, состоит из веществ и их смесей. Ваза состоит из стекла, стол состоит из дерева (Рис. 1). Но из чего состоят сами вещества? Например, если мы разобьём вазу, то получим много осколков стекла (Рис. 2). Свойства строения потерялись (ведь если мы соберем осколки, то ваза уже не получится), но материал остался тем же – осколки по-прежнему состоят из стекла.
Рис. 1. Стеклянная ваза
Рис. 2. Осколки стекла
Измельчим осколки – получим еще что-то более мелкое, но это по-прежнему будет стекло (Рис. 3). И возникает вопрос: а до каких пор мы можем так «измельчать» вещество? Есть какой-то предел? Оказывается, такой предел есть. Дойдя до него, мы можем продолжать и дальше, однако уже потеряем свойства вещества. Самая маленькая частица, обладающая свойствами вещества, – называется молекулой (Рис. 4). Конечно, наука не стоит на месте. И сейчас нам известно, что и молекулы можно разделить на атомы (Рис. 5), а атомы, в свою очередь, можно разделить на протоны (Рис. 6), нейтроны, электроны, и эта цепочка продолжает расти до сих пор. Но важно то, что, переступив предел, мы уже потеряем свойства вещества.
Рис. 3. Измельченное стекло
Рис. 4. Молекула
Рис. 5. Атом
Рис. 6. Состав атома
Немного о молекулах и атомах
Итак, мельчайшие частицы, из которых состоят различные вещества, мы назвали молекулами и говорили о том, что молекулы можно поделить на атомы. Атомы бывают разных типов, которые называются химическими элементами. В одних случаях, например у паров металлов, инертных газов (Рис. 7), таких как гелий, неон, аргон и т.д., молекулы вещества состоят из отдельных атомов. В других случаях мельчайшие частицы вещества состоят из нескольких атомов (Рис. 8): например, у водорода, кислорода и азота – из двух атомов, у воды и углекислого газа – из трех и т.д. Молекулы сложных веществ – не элементов – состоят из атомов элементов, входящих в их состав.
Рис. 7. Инертные газы
Рис. 8. Молекулы, состоящие из нескольких атомов
Интересный пример: и алмаз, и графит (Рис. 9) – это разные формы одного и того же элемента (углерода). И мягкий, крошащийся графит, и очень твердый кристалл, алмаз, состоят из одних и тех же атомов углерода (Рис. 10). В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу (Рис. 11). Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости. Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый.
Рис. 9. Алмаз и графит
Рис. 10. Атомы углерода в составе алмаза и графита
Рис. 11. Пространственная структура кристаллических решеток алмаза и графита
Алмазная решетка построена по принципу объемных связей, каждый атом прочно связан с несколькими соседними (Рис. 11). Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом из них окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что все атомы в веществе прочно связаны между собой. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.
Чтобы лучше понять разницу, сравните стопку из листов бумаги и книгу такой же толщины (Рис. 12). Между листами бумаги в стопке связей нет, поэтому она легко рассыпается – взять один лист легко. В книге все листы связаны, поэтому для того чтобы «взять» один лист, надо приложить значительные усилия.
Рис. 12. Листы бумаги и книга
Понятие «молекула» условно (Рис. 13). Это наименьшая частица, которая сохраняет свойства вещества. Но некоторые вещества, например, уже упомянутые инертные газы или большинство металлов, можно разделить до атомов, и мы всё равно точно скажем, что это, например, медь или аргон (Рис. 14). Выходит, один атом в таких веществах можно считать молекулой. Если же мы возьмём один атом углерода, мы не скажем, это был графит или алмаз. Причем нет четкого ответа, сколько точно должно быть атомов углерода, чтобы стало понятно, что это за вещество, поэтому понятие молекулы для этих веществ четко не определено. То есть молекула, как и любой другой термин, придуманный человеком, имеет ограничения для своего применения.
Рис. 13. Понятие молекулы
Рис. 14. Частицы аргона и меди
Рис. 15. Атом углерода в структуре алмаза и графита
Древнегреческая теория о строении вещества
Слово «атом» – греческого происхождения, переводится оно как «неделимый». Считается, что идею о том, что материя, кажущаяся непрерывной, на самом деле состоит из огромного количества мельчайших и оттого невидимых частиц, предложил древнегреческий философ Демокрит. Логика рассуждений Демокрита была достаточно проста. Представим, что у нас есть самый острый нож в мире (Рис. 16). Берем первый попавшийся под руку предмет и разрезаем его пополам, потом получившуюся половинку разрезаем еще пополам, получившуюся четвертинку разрезаем еще пополам и т.д. Рано или поздно у нас получится настолько мелкая частица материи, что она уже не будет поддаваться дальнейшему делению. Это и будет неделимый атом материи. Конечно, от древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве только название «атом». Сейчас мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц, которые в свою очередь тоже можно разделить.
Рис. 16. Бесконечно ли можно делить яблоко?
Размеры молекул
А как оценить размеры молекул? Человеческий глаз – это прибор, у которого есть предел. Как и лупа, бинокль. И размеры молекул настолько малы, что ни глаз, ни бинокль, ни лупа не помогут нам увидеть их по отдельности.
Чтобы представить себе, насколько маленькой является молекула воды (Рис. 17), давайте мысленно увеличим каплю воды до размеров Земли (Рис. 18). Теперь будет возможно разглядеть молекулы, из которых она состоит, – они будут размером с яблоко. И таких молекул в этой капле будет почти четыре секстиллиона. Это число с 21 нулем после четверки. Это значит, что в одной такой капле воды столько же молекул, сколько капель воды в Черном море (Рис. 19). Но, кроме самих молекул в капле воды, между ними много пустого места, свободного пространства. Мы привыкли, что пустота ассоциируется с воздухом: вот пустая коробка, ведь она заполнена только воздухом (Рис. 20). А пространство между молекулами разве может быть заполнено воздухом? Нет. Воздух – это не что иное, как вещество, смесь разных газов, а значит, молекул, между которыми так же пусто (Рис. 21). Трудно поверить, но пространство между молекулами – это действительно пустота. Там нет ничего.
Рис. 17. Молекулы воды
Рис. 18. Размер молекулы воды
Рис. 19. Сравнения количества молекул в капли воды с количеством капель воды
в море
Рис. 20. Пустая коробка
Рис. 21. Молекулы газов в составе воздуха
Состав воздуха
Воздух – это естественная смесь газов (Рис. 22). Каждый из компонентов имеет свое значение. Всем известно, что мы дышим кислородом. Отсюда ошибочное предположение, что его в составе воздуха больше всего. На самом же деле около 78% воздуха составляет азот, чуть больше 20% кислород, и еще около 2 процента приходится на другие газы, в частности, углекислый газ (который мы выдыхаем).
Рис. 22. Состав воздуха
Если бы в воздухе был только кислород, мы бы погибли: в чистом виде кислород – взрывоопасный газ (Рис. 23). В частности, горение – это соединение с кислородом, поэтому при пожаре нельзя открывать окна (кроме экстренных случаев эвакуации), так как приток воздуха и, как следствие, кислорода лишь усиливает горение.
Рис. 23. Процесс горения
Азот (
) – является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота. Биологическая роль азота заключается главным образом в том, что он является разбавителем кислорода, поскольку в чистом кислороде жизнь невозможна. Но при чрезмерном увеличении количества азота может наступить смерть.
С другой стороны, это и хорошо, ведь в азоте тогда можно хранить продукты (бактерии не выживают).
Пустота в веществе
Эрнест Резерфорд исследовал строение вещества (Рис. 24). Он наблюдал, как ведут себя частицы при прохождении через сплошное однородное вещество. Установка представляла из себя следующее: экран, окружающий тонкую пластинку золотой фольги и источник излучения частиц, много меньших, чем атомы золота (Рис. 25). С помощью этой установки можно было определить, что случилось с частицами по «следам» на экране (Рис. 26). Эксперимент показал, что некоторые частицы отклоняются и отталкиваются от фольги. Но большинство частиц проходит сквозь слой металла, вообще не меняя своего направления! Без дополнительных исследований трудно сказать, пролетают частицы между атомами или сквозь пустое пространство внутри атомов. Но в любом случае, поскольку большинство частиц пролетает сквозь вещество беспрепятственно, значит, в веществе значительная часть пространства пуста.
Рис. 24. Эрнест Резерфорд
Рис. 25. Установка для опыта Резерфорда
Рис. 26. Прохождение частиц сквозь фольгу
Расстояние и взаимодействие между молекулами
Как мы уже говорили, глаз человека не способен разглядеть молекулы и промежутки между ними. Поэтому любое вещество кажется нам сплошным. Однако мы сами можем наглядно показать, что эта пустота есть. Возьмем воздушный шарик (Рис. 27). В нем ограниченное количество воздуха, а значит, хоть и огромное, но ограниченное количество молекул. Теперь сдавим его в руках. Он стал меньше, это видно, однако воздух из него ведь никуда не делся. Ну, конечно, если он не лопнул в процессе. Получается, что и количество молекул в нем осталось тем же. Между ними уже изначально была пустота, поэтому практически ничего не мешало тому, чтобы расстояние между ними уменьшилось и объём шарика стал меньше. А теперь возьмем кусок камня или кирпич и попытаемся так же его сжать (Рис. 28). У нас это вряд ли получится. А вот если взять и растянуть, например, резинку, то это получается достаточно легко (Рис. 29). Ну а если взять, например, железное кольцо (Рис. 30) и попытаться растянуть – тут нас ждет неудача, вряд ли у кого получится сделать это руками.
Рис. 27. Воздушный шар
Рис. 28. Камень
Рис. 29. Растягивание резинки
Рис. 30. Железное кольцо
Почему же у разных веществ такие разные свойства? Здесь как раз роль играет расстояние и взаимодействие между молекулами. Дело в том, что во всех веществах молекулы непрерывно движутся, взаимодействуют друг с другом, притягиваются и отталкиваются одна от другой. Это как наблюдать за жизнью где-то в мегаполисе с вертолета (Рис. 31). В твёрдых телах движение молекул почти незаметное. Свободного места мало, а притяжение между ними сильное. В жидких веществах расстояние между молекулами больше, а притяжение меньше. Такие вещества легко перелить из одной посудины в другую.
Рис. 31. Мегаполис
В газообразных веществах расстояние между молекулами в тысячи раз больше. На таких расстояниях притяжение очень слабое. Поэтому ничто не мешает молекулам быстро двигаться. Вот газы и заполняют все возможное пространство.
Представим: сейчас сидя перед компьютером в своей комнате, вы вдруг понимаете, что на кухне мама готовит вашу любимую жареную картошку (Рис. 32). Интуиция? Или мама днем предупредила о заманчивом обеде? Нет, всё намного проще, вы почувствовали запах. Как это произошло? Обед, который заботливо готовит ваша мама, состоит из огромного количества разных молекул. Эти молекулы довольно беспокойные, они постоянно движутся и сталкиваются друг с другом. Картошка, специи, масло… При сильном нагревании некоторые молекулы из этого множества испарились, отделились от остального вещества. Они затерялись среди молекул воздуха и теперь перемещаются по квартире. И какие-то из этих молекул, попав на рецепторы у нас в носу, вызывают чувство запаха. Но ведь они испарились на кухне, а запах вы почувствовали в комнате. Как так? Это явление – пример так называемой диффузии. Это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. В нашем случае молекулы, вызывающие запах, смешались с молекулами воздуха, пролетая в свободном пространстве между ними. Таким образом, постоянно перемещаясь, эти молекулы добрались до комнаты. Конечно, в распространении запаха большую роль играют потоки воздуха, это другое явление (оно называется конвекция), но сейчас речь не о ней. Кстати, диффузия происходит не только в газах, но и в жидкости, и в твердых телах, только медленнее.
Рис. 32. Иллюстрация к примеру о жареной картошке
Молекулы любого вещества постоянно и хаотично движутся. Например, в куске льда молекулы дрожат и подпрыгивают, тесно прижавшись друг к другу (Рис. 33). Это похоже на пассажиров, держащихся друг за друга в тесном утреннем автобусе. Диффузия здесь протекает медленнее всего. А, например, в котелке с водой молекулы движутся намного свободнее (Рис. 34). Это как если бы час пик прошел, и появилось много свободного места, поэтому пассажиры разошлись друг от друга. А в водяном паре молекулы движутся на огромном расстоянии друг от друга (Рис. 35). Получается, что диффузия быстрее всего протекает в газах. Медленнее – в жидкости. И очень медленно – в твердых телах.
Рис. 33. Движение молекул льда
Рис. 34. Движение молекул жидкости
Рис. 35. Движение молекул газа
Теперь давайте вспомним утро. Тяжело вставать в такую рань, особенно с мыслями о предстоящей учебе. Радует то, что можно сделать себе вкусный ароматный кофе. Правда, для этого приходится ждать, пока вода в чайнике закипит (Рис. 36). А потом, как ни забавно, приходится ждать, пока кофе остынет. Мы знаем, что температура кипения воды 100 градусов. И так же мы знаем, что пить слишком горячие напитки опасно и вредно. Но зачем же тогда ждать кипения? Все дело в том, что температура играет важную роль в диффузии. Чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы, перемешиваясь между собой (Рис. 37). Если бросить в кипяток ложку кофе и сахара, то достаточно пары движений – и напиток готов. Но если вы попытаетесь приготовить напиток с остывшей водой, то тогда растворимый кофе может склеиться комочками, а сахар вообще остаться на дне (Рис. 38). Тогда придется ускорить процесс диффузии с помощью помешивания напитка, что тоже займет определенное время.
Рис. 36. Кипение воды
Рис. 37. «Промешивание» молекул в кипятке
Рис. 38. «Промешивание» молекул в остывшей воде
Выводы
Тот факт, что вещества состоят из молекул, позволяет объяснить очень многие явления, такие как диффузия, которую мы обсудили, выпадение осадков. Также это используется и в технике: холодная сварка, тепловой двигатель и т.д. Всё это нам предстоит изучить в старших классах.
Домашнее задание
- Что такое диффузия? Приведите несколько примеров
- От чего зависит скорость диффузии? Приведите пример
- Продолжите предложение. Самая маленькая частица, обладающая свойствами вещества, – это…
- Кто из физиков (назовите имя и фамилию) исследовал строение вещества, наблюдая, как ведут себя частицы при прохождении через сплошное однородное вещество?
Список рекомендованной литературы
- Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика. Учеб. для 7 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989.
- Громов С.В., Родина Н.А. Физика. М.: Просвещение, 2002.
- Перышкин А.В. Физика 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2006.
Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
