Физика

Урок 3: Строение вещества

Строение вещества

Как растворяется сахар-рафинад в кружке с чаем? Сладкий кусочек разваливается на мелкие частички, которые постепенно становятся невидимыми. Точно так же растворяется в воде соль, сода и некоторые другие вещества. И любое тело можно разобрать на мелкие детали, которые в дальнейшем можно разрушить на еще более мелкие крупинки. Где же предел этому делению?

План урока:

Из чего все состоит. Молекулы

Движение молекул

Температура

Взаимодействие молекул

Три агрегатных состояния

 

Из чего все состоит. Молекулы

Сейчас тела рассматривают при помощи очень мощных электронных микроскопов. Через них видно, что вещество представлено множеством мельчайших подвижных «кирпичиков». У разных веществ эти «кирпичики» различны. Их называют молекулами. А если представить, что глаза – это «глаза-микроскопы», то мысленно можно увидеть эти маленькие частички.

Молекулы, оказывается, состоят из атомов, а они еще более мелкие частицы. Например, атомы кислорода и водорода, объединившись, образуют знаменитую молекулу воды. Существует шутливая фраза: «Сапоги мои того – пропускают Н2О». Н2О – химическая формула молекулы вода. Н – обозначение водорода, О – кислорода. Индекс 2 в данному случае обозначает число атомов водорода в составе молекулы воды. Молекулы газов водорода и кислорода уже новые. В них по два атома водорода и кислорода (Н2 и О2).

1
 

Существуют вещества, состоящие только из атомов. Это металлы и инертные газы (например, неон в рекламной иллюминации). Различные комбинации атомов порождают новые вещества, существующие в природе.

Люди очень давно предполагали, что вещества составлены из молекул и атомов. Еще в пятом веке до нашей эры ученый Древней Греции Демокрит высказал такую гипотезу. В России учение о молекулярном строении вещества развил М.В. Ломоносов в восемнадцатом веке.

 

Как же оценить размеры загадочных маленьких частиц?

Следуя правилу измерения, их нужно с чем-то сравнить. Интересен такой мысленный эксперимент: семиклассник и молекула. Если молекулу увеличить в несколько раз так, чтобы она стала размером с семиклассника, но и его увеличить во столько же раз, то семиклассник может достать до Солнца. Наука, конечно, не пользуется такими сравнениями. Современные приборы - микроскопы позволяют найти размеры атомов и молекул довольно точно. Существует возможность подсчитать и количество маленьких частиц в любом теле.

Легко догадаться, что число молекул вещества огромно. И опять интересное сравнение: если бы людей на планете Земля было столько, сколько молекул в одном кубическом сантиметре воздуха, то на одном квадратном километре Земли могли бы уместиться пять тысяч человек.

Итак, вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов;

  •  разные вещества по структуре имеют разные молекулы (комбинации атомов);
  •  молекулы микроскопически малы, а в теле их огромное количество.

 

Движение молекул

Будет ли чай в стакане сладким, если сахар в нем не перемешивать? Да, конечно. Но через определенное время, за которое молекулы сахара со дна стакана поднимутся в верхние слои жидкости. Значит, молекулы движутся. Как они движутся и где?

 

Простой опыт:

Если в полстакана крупы засыпать без перемешивания полстакана гороха, получится целый стакан. Крупинки и горошинки небольшие, но не могут «протиснуться» в пустые промежутки.

А если в мензурку налить по одинаковому количеству воды и спирта? Увеличения смеси в два раза, как в первом случае, не получится. Почему?                           
Молекулы воды и спирта совершенно разные. Между молекулами воды расстояния больше, чем между молекулами спирта. Вот эти промежутки частично и заполняются, уменьшая объем смеси. 

2

Таким же образом молекулы сахара «разбегаются» по всему объему, делая чай сладким.

3(Источники 1 и 2)

Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого называется диффузией.

В газах диффузия – тоже довольно частый процесс. Проходя мимо кондитерской фабрики, люди наслаждаются запахом карамели, зефира, шоколада, входя в парикмахерскую, ощущают аромат духов, одеколона, туалетной воды. Человека постоянно сопровождают запахи. Они несут важную информацию о веществе, благодаря диффузии. В газах она протекает быстрее, чем в жидкостях, и вот почему. Межмолекулярные расстояния в газах больше, чем в жидкостях, отсюда возможности для движения больше.

А возможна ли диффузия в твердых телах? Нужно учитывать, что твердое тело держит форму без изменения, благодаря расстояниям, близким к размерам самих молекул или даже меньше их. Могут ли туда проникнуть «чужие» молекулы? Оказывается, диффузия в твердых телах тоже возможна, но при условии, что они находятся в очень тесном контакте друг с другом. Процесс длится очень медленно, и время измеряется годами. Известен опыт с двумя отшлифованными телами из золота и свинца. Их плотно прижали друг к другу и оставили под наблюдением. Диффузия произошла. Всего на 1 мм за пять лет.

4
(Источник)

Движение молекул и промежутки между ними объясняют диффузию. Гипотезу об этом впервые высказал греческий ученый Эпикур в III веке до н.э.

Опытным путем доказал это в 1827 г. Броун, знаменитый английский ботаник. Он рассмотрел через микроскоп споры растения плаун, находящегося в воде, и заметил, что эти маленькие частички постоянно двигаются в разных направлениях. Безостановочное, беспорядочное движение продолжалось и днем, и ночью, в любое время года. Почему же двигались споры растения? А двигались они потому, что их толкали и заставляли двигаться невидимые в простой микроскоп молекулы воды.

Молекулы движутся постоянно, сближаются друг с другом и, отталкиваясь, приобретают новое направление движения. Их много в веществе, и встречи, изменяющие направление, происходят очень часто. Суммарный удар нескольких молекул приводит в движение небольшие частицы, попавшие в воду. Движение этих частиц назвали броуновским движением, а сами частицы – броуновскими.

5
(Источник)

Итак, следует запомнить:

  • Между молекулами существуют промежутки
  • Молекулы движутся хаотично и постоянно
  • Явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого называется диффузией.  

 

Температура

Благодаря комбинациям атомов у разных веществ молекулы неодинаковы. А если рассмотреть одно вещество, но в разных ситуациях, например, воду из водопроводного крана, в кружке чая или весеннем ручейке. Во всех трех случаях молекулы одни и те же, но ведут они себя по-разному. В горячем чае молекулы движутся наиболее быстро. В холодном ручейке гораздо медленнее. А в воде из крана молекулы движутся медленнее, чем в горячем чае, но быстрее, чем в ручейке.

6

Конечно, речь здесь идет о таких скоростях, с которыми человек не может передвигаться. Человек может идти со скоростью 4 – 7 км/ч. Скорость молекулы воды при комнатной температуре в среднем 590 м/с = 2124 км/ч (в кипящей воде - ≈ 2340км/ч) Это надо понимать, когда говорят, что одни молекулы движутся быстро, а другие медленно.

Когда говорят «холодно», «тепло», «горячо», то сравнивают температуру. Определяется температура любого тела тем, как движутся молекулы этого тела: быстро или медленно. Температура тем выше, чем быстрее передвигаются молекулы. Если же молекулы начинают двигаться медленнее, то и температура тела понижается.

Окружающая нас природа зависит от температуры. С понижением ее приходит осень, а потом зима. С ростом температуры зима уступает место весне, а весна – лету.

Свойства вещества также зависят от температуры. Например, мягкая резина на холоде становится твердой, а твердый лед превращается в жидкость, если его занести в теплую комнату.

Температура характеризует свойства живой и неживой природы. Значит, о ней многое нужно знать. Главное надо запомнить это: скорость движения молекул, образующих вещество, определяет его температуру.

Чтобы измерить температуру, используют приборы – термометры. Термометры бывают по назначению:

  • лабораторные;
  • медицинские;
  • уличные;
  • комнатные;
  • технические.

по конструкции:

  • жидкостные;
  • газовые;
  • механические;
  • электрические;
  • оптические.

Температура измеряется в градусах. В 1742 году шведский геолог, метеоролог и астроном Андрес Цельсий придумал шкалу, в основе которой лежат отсчетные точки: температура таяния льда (0 градусов) и температура кипения воды (100 градусов).

7
(Источник)

В 1848 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) ввел понятие абсолютного нуля температуры (-273 градуса, минимальная возможная температура во Вселенной). При этом, температура таяния льда уже 273 градуса и соответственно кипения воды 373 градуса. 

8
(Источник)

В 1724 году польско-немецкий ученый Даниель Габриель Фаренгейт создал свою шкалу, которая использовала в англоязычных странах. Сейчас она используется только в США.

9
(Источник)

На всех трех шкалах используются две основные точки – температуры перехода выбранного вещества из одного состояния в другое.

На шкалах Цельсия и Кельвина этим веществом выбраны вода, а две точки – это температура таяния льда и кипения воды. Промежуток между этими температурами разделен на 100 частей, таким образом получен 1 градус.

Цельсий выбрал за 0о температуру плавления льда. Кельвин обозначил нулем минимальную возможную температуру (когда движение молекул прекращено). Тогда по Цельсию лед плавится при 0о С (по Кельвину при - 273о К), вода кипит при 100о С, а по Кельвину при 373о К, так как нуль Кельвина ниже нуля Цельсия на 273о. При переходе от градусов Цельсия к градусам Кельвина нужно прибавлять 273 градуса.

Фаренгейт основными точками назвал температуру, близкую к температуре застывания ртути и нормальную температуру человеческого тела. В результате температура таяния льда Фаренгейта выше примерно на 32 градуса температуры Цельсия.

Пример перехода от одной шкалы к другой:

     нормальная комнатная температура

  • по шкале Цельсия – 20о С;
  • по шкале Кельвина – оС + 273о = 20о С + 273о = 293о К;
  • по шкале Фаренгейта – о С ∙ 9/5 + 32о = 20о С ∙ 9/5 + 32о = 68о F.

Наиболее рациональной и простой в использовании считается шкала Цельсия.

(Подробно температура изучается в старших классах в разделах «Тепловые явления» и «Термодинамика»).

Молекулы в любых условиях движутся постоянно и хаотично. Движение влияет на температуру, поэтому называется оно тепловым. Тепловое движение передается и броуновским частицам. Определение этого явления: движение частиц твердого вещества, попавших в жидкость, под действием теплового движения молекул жидкости называется броуновским движением.

Итак:

  • Движение молекул определяет температуру тела
  • Температура измеряется термометром по шкалам Цельсия, Кельвина, Фаренгейта
  • Температура – физическая характеристика тела

 

Взаимодействие молекул

Все тела состоят из движущихся молекул. Между ними есть промежутки. Встает вопрос: почему тела не рассыпаются на молекулы или мелкие крошки? Наоборот, ломая деревянную палку, надо сильно потрудиться.

10

Молекулы крепко удерживаются вместе. А если попытаться соединить две части сломанной палки, она целой не станет. Значит, между молекулами есть постоянная связь (взаимодействие).

Тела не распадаются на отдельные частички, благодаря притяжению молекул и атомов. С другой стороны, если бы существовало только межмолекулярное притяжение, то не было бы среди молекул промежутков, а они есть. Значит, должно быть и отталкивание. Но оно начинает проявляться при условии, когда молекулы сближаются на расстояния, меньшие размеров самих молекул. Чем ближе сдвигаются молекулы, тем сильнее они отталкиваются.

В случае со сломанной палкой края обломков разрушились, и человек не может просто так, одними руками, соединить их так близко, чтобы молекулы начали взаимодействовать. Поэтому результат опыта будет нулевым.

А теперь другой эксперимент. Нужно разъединить два стеклянных листа, лежащих друг на друге.

11

Сделать это не просто. Почему? Нетрудно догадаться. Молекулы обоих листов достаточно близки, так как листы очень гладкие. Наступает взаимодействие (притяжение молекул).

Влажный бумажный лист гораздо труднее поднять, чем сухой с полированной крышки стола. В жидкости молекулы легче сдвинуть на расстояния, когда начинает возникать притяжение. Если две отдельные капельки воды соединить, то они сольются в одну.

Наблюдается взаимное притяжение жидкости к твердому телу. Оно называется смачиванием. Например, вода смачивает многие ткани, дерево, бумагу, но к пластилину, воску, жирным поверхностям не притягивается. Этот процесс называется несмачиванием. Смачивание и несмачивание встречается в быту, технике, живой и неживой природе.

В каких случаях будет наблюдаться смачивание, а в каких несмачивание?

12

13

Итак:

  • Между молекулами действует взаимное притяжение и отталкивание
  • Величина притяжения и отталкивания определяется расстоянием между молекулами
  • Взаимодействовать друг с другом могут молекулы и атомы различных веществ

 

Три агрегатных состояния

Какое вещество на Земле самое привычное и распространенное? Конечно, вода. Вода встречается повсюду, причем в разном виде (лед или снег, жидкость, пар). Это агрегатные состояния воды.

14

Абсолютно все вещества меняют внешний вид и свойства. Происходит это при определенной для каждого вещества температуре. Кислород, если его охладить до – 183о С бывает голубой жидкостью, а железо кипит при 2750о С. Непривычно, но это так.

 

Каковы же свойства и отличие агрегатных состояний?

Например, воздух. Пусть в квартире в одну из комнат воздух не попал. Такого не может быть. Воздух – смесь нескольких газов, но, как и любой газ, занимает всю емкость предоставленную ему. Расстояние между соседними молекулами газа или пара намного больше самих молекул. Поэтому взаимодействие между молекулами не существует. Они разлетаются по всему пространству, которое им предоставляется (в квартире все комнаты заполняется воздухом).

На больших расстояниях молекулы легко можно сближать, силы отталкивания мешать не будут. Значит, газы легко сжимаемы. Воздушный шарик легко сжимается. Камеру велосипеда сжать труднее, а баллон автомобиля тем более. Чем больше молекул газа содержится в единице объема (а в камеры велосипеда и автомобиля их накачивают насосами специально), тем они плотнее друг к другу, а значит, и сблизить их можно лишь чуть-чуть.

Молекулы жидкости располагаются близко. Они не летают свободно, как в газе, но и не стоят на месте, а как будто топчутся, затем перескакивают на небольшое расстояние, затем снова меняют место, и так без конца.

Почему жидкости почти несжимаемы? Стоит сблизить молекулы, как сразу начинает действовать отталкивание. Вода текуча и принимает форму сосуда, где находится. Если ее вылить на пол, то растечется по нему. Но зато, жидкость в разных по форме сосудах имеет одинаковый объем. Если литровую банку молока перелить в трехлитровую, то в ней так и останется один литр молока.

Внутри твердого вещества молекулы располагаются на своих, строго определенных местах. Это вовсе не значит, что они не движутся. Они постоянно колеблются, участвуя в тепловом движении. Такое расположение называется кристаллической решеткой, а тела – кристаллами. Форма и объем у твердых тел сохраняются (не разлетаются и не растекаются).

15
(Источник)

16

Для наглядности три возможных состояния вещества можно сравнить с людьми. Люди, бродящие по базару, кто куда хочет – «газ», люди на митинге – «жидкость», участники парада – «твердое тело».

Греческий ученый Эмпедокл (врач, поэт, музыкант, основатель Сицилийской медицинской школы) в V веке до нашей эры впервые выдвинул такую интересную гипотезу: весь мир состоит из воздуха, воды, земли и огня.

Первые три элемента соответствуют трем агрегатным состояниям.

А как быть с огнем? Огонь – это четвертое состояние вещества, называется словом «плазма». (Физические свойства плазмы сложны, изучается это понятие позднее).

17

Итак:

  • Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Плазма - это отдельное состояние вещества;
  • При определенных условиях тело может переходить из одного состояния в другое;
  • Агрегатное состояние определяется движением и взаимодействие молекул вещества.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Машинное масло растекается по поверхности воды, образуя радужную пленку. Какова может быть минимальная толщина получившейся пленки?
1Равна 1 мм
2Равна 1 мкм
3Равна размеру одной молекулы масла
Ответить
3
Вопрос: 2
Диффузия - это
1Беспорядочное движение молекул разных веществ
2Проникновение молекул одного вещества в молекулы другого
3Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого
Ответить
3
Вопрос: 3
Карлсон и Малыш очень любили сливки. У кого из них сливки образуются раньше, если Карлсон ставил молоко туда, где потеплее, а Малыш туда, где холоднее?
1У обоих одновременно, так как молекулы молока одинаковы
2У Малыша, так как молекулы сливок в холоде двигаются медленнее и, попадая вверх, накапливаются там
3У Карлсона, так как молекулы сливок двигаются в тепле быстрее и могут попасть вверх быстрее
Ответить
2
Вопрос: 4
Существует такая поговорка: «Как с гуся вода». Это значит, что человек никак не реагирует на замечания или обращенные к нему слова. Какое физическое явление взято в основу этой поговорки?
1Отталкивание молекул разных веществ
2Несмачивание воды и жира
3Смачивание воды и других веществ
Ответить
2
Вопрос: 5
В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно меняет форму, но не меняет объем?
1В жидком
2В газообразном
3В твёрдом
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Машинное масло растекается по поверхности воды, образуя радужную пленку. Какова может быть минимальная толщина получившейся пленки?
1) Равна 1 мм 2) Равна 1 мкм 3) Равна размеру одной молекулы масла
2 вопрос:

Диффузия - это
1) Беспорядочное движение молекул разных веществ 2) Проникновение молекул одного вещества в молекулы другого 3) Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого
3 вопрос:

Карлсон и Малыш очень любили сливки. У кого из них сливки образуются раньше, если Карлсон ставил молоко туда, где потеплее, а Малыш туда, где холоднее?
1) У обоих одновременно, так как молекулы молока одинаковы 2) У Малыша, так как молекулы сливок в холоде двигаются медленнее и, попадая вверх, накапливаются там 3) У Карлсона, так как молекулы сливок двигаются в тепле быстрее и могут попасть вверх быстрее
4 вопрос:

Существует такая поговорка: «Как с гуся вода». Это значит, что человек никак не реагирует на замечания или обращенные к нему слова. Какое физическое явление взято в основу этой поговорки?
1) Отталкивание молекул разных веществ 2) Несмачивание воды и жира 3) Смачивание воды и других веществ
5 вопрос:

В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно меняет форму, но не меняет объем?
1) В жидком 2) В газообразном 3) В твёрдом
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Равна размеру одной молекулы масла
2 вопрос: Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого
3 вопрос: У Малыша, так как молекулы сливок в холоде двигаются медленнее и, попадая вверх, накапливаются там
4 вопрос: Несмачивание воды и жира
5 вопрос: В жидком