Физика
Тема 7: Первоначальные сведения о строении веществаУрок 6: Взаимодействие молекул. Агрегатные состояния вещества
- Видео
- Тренажер
- Теория
Введение
Как известно, молекула – это наименьшая частица, которая сохраняет свойства вещества. Однако не все свойства можно так описать: например, и лёд, и вода состоят из одних и тех же молекул воды (Рис. 1). Значит, знать, из каких молекул состоит вещество, бывает недостаточно, чтобы описать все его свойства.
Рис. 1. Разные свойства одного вещества
Вспомним, например, конструктор «Лего». Высыпав его из коробки, мы просто получим кучу деталей конструктора. И уже из этих деталей мы можем собрать или автомобиль, или дом. Результат будет зависеть от того, как эти детали будут соединены.
Аналогично и с веществом (Рис. 2). Чтобы описать его, нужно не только указать молекулярный или атомный состав, но еще и то, как частицы соединены, как взаимодействуют. Ярким примером этому являются графит и алмаз, свойства которых очень сильно отличаются (Рис. 3.). Но состоят они из одних и тех же атомов углерода.
Рис. 2. Разнообразие веществ
Рис. 3. Свойства алмаза и графита
Аллотропия
Свойство, когда разные простые вещества состоят из одних и тех же частиц, называется аллотропией (Рис. 4). Сами эти вещества называются аллотропными модификациями. Наибольшее число аллотропных модификаций имеет углерод. Своё название атом получил от вещества, которое состоит из этих атомов, – угля. Однако из тех же самых атомов состоит и графит, и сажа, и даже алмаз (Рис. 5). Просто в этих веществах атомы по-разному расположены и по-разному взаимодействуют. И получается, что их свойства существенно отличаются: алмаз – самый крепкий минерал в природе, из него делают инструменты, которые могут разрезать практически любой материал. А вот графит достаточно хрупкий, он легко разрушается, и графитовый стержень легко оставляет след на листе бумаги.
Рис. 4. Аллотропия
Рис. 5. Структура алмаза и графита
Кроме природных веществ, ученые научились искусственно создавать материалы, различным образом размещая атомы углерода. Такие материалы составляют основу наноматериалов (Рис. 6): это фулерен, углеродные нанотрубки и нановолокна.
Рис. 6. Наноматериалы
Конечно, другие вещества также могут иметь аллотропные модификации. На данный момент известно более 400 материалов, которые являются аллотропными модификациями различных простых веществ.
Агрегатные состояния вещества
Рассмотрим еще один пример: после дождя на асфальте появилась лужа (Рис. 7). Мы понимаем, что она состоит из молекул воды 
. Также мы понимаем, что если случайно туда наступить, то нога промокнет. Но если температура опустится ниже нуля, то тогда лужа замерзнет. И по ней можно будет пройтись и даже прокатиться. Получается, что свойства изменились, это теперь другое вещество? Нет, вещество осталось тем же, лужа по-прежнему состоит молекул воды . А если вода в луже испарится и превратится в пар – это всё равно будут те же молекулы (Рис. 8). Получается, что лёд, вода, пар состоят из одних и тех же частиц, это одно вещество (Рис. 9). Но молекулы в них по-разному расположены и по-разному взаимодействуют. Вещество находится в различных состояниях. Это как человек, который может быть сонным, веселым, или, например, расстроенным (Рис. 10). Он будет выглядеть по-разному и вести себя по-другому, но будет оставаться самим собой.
Рис. 7. Лужа
Рис. 8. Испарение воды в луже
Рис. 9. Молекулы воды в разных агрегатных состояниях
Рис. 10. Состояния вещества можно сравнить с настроением человека
Для таких состояний вещества, когда их свойства существенно отличаются, есть специальный термин. Их называют агрегатными состояниями вещества. Выделяют три основных агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ.
Другие состояния вещества
Что такое огонь? На жидкость и твёрдое тело не похоже. Оказывается, это газ. Но здесь он находится в особом состоянии, и его свойства сильно отличаются от привычного нам газа. При очень высоких температурах молекулы распадаются на составляющие. Это атомы, электроны, ионы, о которых вы подробнее узнаете в старших классах. Именно из этих частиц состоит плазма, ещё одно состояние вещества (Рис. 11).
Рис. 11. Пламя представляет собой плазму
Пламя свечи, костра – все это примеры плазмы, которые каждый из нас видел.
Вещества, составляющие Солнце, также находятся в состоянии плазмы, плазма присутствует в атмосфере, когда происходит полярное сияние. Ну а в технике на свойствах плазмы основан принцип работы, например, плазменных телевизоров.
Также есть неустойчивые состояние вещества, такие как перегретая и переохлажденная жидкость. Эти состояния достигаются, когда при определенных условиях жидкость нагревают выше её температуры кипения или же охлаждают ниже температуры плавления. При этом она все равно остается жидкостью. Но при незначительном воздействии на неё жидкость резко переходит в газообразное или твердое состояние соответственно.
Рис. 12. Переохлажденная и перегретая жидкость
В нашем примере: лед – твердое тело, вода – жидкость, а водяной пар – газ (Рис. 13). Другие вещества также могут находиться в каждом из этих агрегатных состояний. В итоге получается, что свойства вещества задаются не только составом молекул, но и агрегатным состоянием. А само агрегатное состояние определяется расположением молекул и их движением.
Рис. 13. Агрегатные состояния вещества
«Пар», «газ», «лёд», «вода» и прочие названия
Трудно сказать, чем отличается пар от газа. Но различие, очевидно, есть: ведь из кипящего чайника выходит именно пар, а на плите горит именно газ. Чтобы правильно применять эти термины, обратимся к их определениям. Газ – это агрегатное состояние вещества. А пар – это газ, который испарился из жидкости. Соответственно, вещества принято называть так: если при обычных природных условиях вещество находится в жидком или твердом состоянии, то его газообразное состояние называют паром. Например, испарившуюся воду называют водяными парами, испарившуюся медь – парами меди. Ну а если в обычных условиях вещество находится в газообразном состоянии, то его называют просто газом. Например, кислород, азот, неон – это все газы, парами их не называют.
Названия некоторых агрегатных состояний веществ сложились исторически. Например, человек мог встретить в природе и лёд, и воду. Поэтому два состояния одного и того же вещества имеют разное название. А вот металлы в природе обычно встречаются только в твердом состоянии и имеют одно название. Если хотят сказать про их жидкое или газообразное состояние, то тогда добавляет слово «жидкий» или «пар». Например, «жидкое золото» или «пары ртути».
Похожую ситуацию мы увидим, если проанализируем названия животных. Например, в случае с домашними животными очень часто бывает важен не только вид животного, но его пол и возраст, поэтому для самки, самца и детеныша сформировались разные названия. Например, бык-корова-теленок, петух-курица-цыпленок. Если в лесу человек встретит, например, медведя, то ему в принципе неважно, какого он пола, поэтому названия особей имеют один корень: медведь-медведица-медвежонок.
Кстати, название вещества может также пойти и от внешнего вида. Например, углекислый газ в твердом состоянии называют «сухим льдом», поскольку внешне он похож на лёд (Рис. 14).
Рис. 14. Сухой лед
Твердое состояние вещества
Поговорим подробнее о каждом агрегатном состоянии. Начнем с твердого тела. Керамическая чашка, металлическая ложка, пластмассовый или алюминиевый корпус телефона – все это твердые тела. Если их не разбивать и не ломать, то тогда они будут сохранять свою форму. Получится, что твердое тело – это агрегатное состояние, которому свойственно сохранение формы и объема. Конечно, если не будет сильных воздействий.
Рис. 15. Примеры твердых веществ
Положение молекул в твердом теле можно представить, как строй солдат (Рис. 16). Они находятся в строго установленных местах, их положение относительно друг друга практически не меняется. Происходит это благодаря взаимодействию частиц: они одновременно и отталкиваются, и притягиваются. Силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, поэтому частицы практически не меняют своего положения.
Рис. 16. Положение молекул в твердом теле
Что имеется в виду? Если постараться уменьшить расстояния между молекулами, отталкивание становится сильнее (Рис. 17), если увеличить расстояния – преобладает притяжение (рис. 18). Поэтому при незначительных воздействиях молекулы возвращаются в начальное положение и форма сохраняется. Это хорошо можно увидеть на примере пружины: растягивая её, мы чувствуем, что она стремится сжаться, и наоборот (Рис. 19). Причем при очень сильном воздействии молекулы могут даже не вернуться в исходное положение. Например, если очень сильно потянуть за нитку, то она может порваться; если сильно растянуть пружину, то она, может, так и останется растянутой. А чашка, которую уронили со стола, может сильно удариться о пол и разбиться.
Рис. 17. Отталкивание молекул в твердом теле
Рис. 18. Притяжение молекул в твердом теле
Рис. 19. Растягивание пружины
В целом деформировать твердое тело достаточно сложно, ведь молекулы практически не меняют своего относительного положения. Тем не менее, движение все-таки есть. Примером этого служит диффузия в твердых телах.
Жидкое состояние вещества
Когда вещество находится в твердом состоянии, его форму изменить достаточно сложно. Однако мы часто сталкиваемся с телами, форму которых изменить легко. Например, когда мы переливаем лимонад из бутылки в чашку или же в кувшин, форма лимонада ведь меняется (Рис. 20). Вещества в таком состоянии называют жидкостью. Причем, если форму жидкости изменить легко, то объем – достаточно трудно. Убедиться в этом можно так: наполните шприц водой, закройте пальцем отверстие и попытайтесь сжать воду. У вас ничего не выйдет. Жидкость – это агрегатное состояние, в котором тело сохраняет объем, но не сохраняет форму.
Рис. 20. Переливание лимонада из кувшина в чашку
Молекулы в жидкости ведут себя подобно людям, стоящим на концерте перед сценой (Рис. 21). Они расположены достаточно близко, но строго порядка нет, как было в твердом теле (Рис. 22). Время от времени происходит движение друг относительно друга, но не очень активное.
Рис. 21. Люди, стоящие на концерте перед сценой
Рис. 22. Расположение и движение молекул в жидкости
Как люди стремятся занять место ближе к сцене, так и жидкость притягивается к земле (Рис. 23). Как очертания толпы сразу перед сценой определяются контурами сцены, так и жидкость принимает форму сосуда, в котором находится (Рис. 24).
Рис. 23. Притягивание жидкости к земле
Рис. 24. Форма жидкости
Молекулы в жидкости расположены достаточно близко, поэтому их взаимодействие ощутимо. Поэтому у вас ничего не получится при сжатии воды в шприце.
Взаимодействие молекул в жидкости
Кроме несжимаемости, можно привести еще несколько примеров взаимодействия молекул в жидкости. Так, молекулы на поверхности жидкости притягиваются достаточно сильно, чтобы удержать небольшое тело (Рис. 25). Например, на поверхность воды можно положить иголку и даже монетку, и они не утонут (Рис. 26). Это похоже на то, как гамак удерживает человека.
Рис. 25. Притяжение молекул на поверхности жидкости
Рис. 26. Монета на поверхности воды
Еще один пример: жидкость в состоянии невесомости всегда принимает форму шара (Рис. 27). Ведь для изменения формы должны действовать силы. А в невесомости все внешние силы скомпенсированы, поэтому форму изменять могут только силы взаимодействия между молекулами. Выделенного направления нет, поэтому форма должна быть симметричной во всех направлениях, а это форма шара.
Рис. 27. Форма жидкости в невесомости
Газообразное состояние вещества
Как было сказано выше, твердые тела и жидкости не меняют своего объема при малых воздействиях. Есть состояние вещества, при котором его объем можно легко изменить, – это газообразное состояние.
Газ – это агрегатное состояние вещества, для которого характерно изменение и формы, и объема. Гелий в воздушном шарике, неон в лампах, составляющие воздуха: кислород, азот – все это примеры газов (Рис. 28).
Рис. 28. Примеры газов
Продемонстрировать изменение формы и объема газа можно с помощью газового огнетушителя (Рис. 29). Сначала углекислый газ в нём занимает немного места. При использовании огнетушителя газ под давлением выходит из него (Рис. 30) и очень сильно расширяется. Форма газа, очевидно, тоже меняется.
Рис. 29. Углекислый газ в огнетушителе
Рис. 30. Расширение газа при использовании огнетушителя
Молекулы в газе как люди на большой площади, движутся в различных направлениях, расстояния между ними достаточно большие (Рис. 31). И, чем больше расстояние, тем людям сложнее взаимодействовать друг с другом: приходится кричать, хуже видно собеседника. Аналогично и в газе: взаимодействие молекул уменьшается при увеличении расстоянии. Именно поэтому газ легко изменяет свою форму и объем.
Рис. 31. Движение молекул газа
Условность разделения на агрегатные состояния
В некоторых случаях достаточно сложно отнести вещество к какому-то конкретному агрегатному состоянию.
Существует целый класс веществ, которые называются аморфными. К ним, например, относится стекло и смола (Рис. 32). Аморфные тела не имеют четкой температуры перехода от твердого состояния к жидкому. Так, в обычном состоянии стекло можно считать твердым телом, ведь его форму изменить достаточно сложно. Однако при высокой температуре оно легко меняет форму, это пользуется при изготовлении стеклянных изделий. То есть, получается, его можно назвать жидкостью. А в процессе нагревания очень сложно определить состояние стекла. С одной стороны, оно остаётся твердым, но уже и приобретает текучесть.
Рис. 32. Смола
И вообще для любой жидкости и газа существуют условия, которые называются критическими. При достижении определенной температуры и давления уже нельзя однозначно сказать, в каком из состояний находится данное вещество.
Помимо этого, выбор агрегатного состояния может зависеть от условий решаемой задачи. Например, если рассматривать поведение асфальта, когда по нему проезжает автомобиль, мы будем считать его твердым телом. Но если рассмотреть асфальт в течение длительного времени, то тогда он растекается по неровностям поверхности. То есть ремонтники дорог могут считать тот же асфальт уже жидкостью.
По сути мы выбираем физическую модель: твердое тело, жидкость или газ. В некоторых случаях выбор однозначен. Но в некоторых мы можем использовать разные модели для решения разных задач, как в примере с асфальтом. Еще одним хороший пример – песок. Многие согласятся, что это измельченное твердое тело. Однако в песочных часах, где он перетекает из одной части в другую, более точным было бы применить к нему модель именно жидкости.
Выводы
Выводы
На этом уроке мы познакомились с тремя агрегатными состояниями вещества. Мы описали, как движутся и взаимодействуют молекулы в этих состояниях.
Домашнее задание
- Назовите несколько свойств, которыми обладают аморфные тела.
- В каких агрегатных состояниях может находиться углекислый газ?
- Что такое аллотропия?
Список рекомендованной литературы
- Шахмаев Н.М., Дик Ю.И. Учебник. М.: Мнемозина, 2007.
- Перышкин А. В., Родина Н. А. Учеб. для 7 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989.
Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
