Что внутри вещества?

А начнём мы наш с вами урок отрывком из стихотворения Степана Петровича Щипачёва «Читая Менделеева»:

Другого ничего в природе нет

ни здесь, ни там, в космических глубинах:

всё — от песчинок малых до планет —

из элементов состоит единых.

Как вы думаете, о каких элементах здесь идёт речь?

Вот сегодня мы и попробуем подтвердить или опровергнуть ваши предположения.

Вы уже знаете, что все окружающие нас тела состоят из каких-либо веществ. Названия многих из них вам хорошо знакомы. Например, бутылка из-под молока изготовлена из стекла, линейка изготовлена из дерева, а в мензурку налита вода.

Вещества обладают различными, только им присущими свойствами. Так, в природе существуют вещества плотные и рыхлые, упругие и хрупкие, мягкие, как пластилин, текучие, как вода, и летучие, как кислород. Объяснить эти разные свойства можно с помощью гипотезы о строении вещества: все вещества состоят из мельчайших частиц, то есть имеют дискретное (то есть прерывистое) строение.

Давайте проверим это предположение. Для чего проведём небольшой опыт. В стакан с тёплым чаем бросим кусочек сахара и понаблюдаем за ним. И что мы видим? Сахар исчез? Конечно нет. Он остался в чае, так как чай стал сладким. А что же тогда стало с сахаром? Он распался на мельчайшие частицы, которые не видны глазу.

Так, вот, мельчайшие частицы вещества, способные существовать самостоятельно и сохраняющие основные свойства вещества, называются молекулами. При этом молекулы одного и того же вещества абсолютно одинаковые, а молекулы разных веществ не похожи друг на друга.

Интересно, что гипотеза о дискретном строение вещества выдвигалась древнеиндийскими и древнегреческими философами более 25 веков назад. Среди них особо выделяется Демокрит Абдерский. По легенде он сидел у моря на камне, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас это яблоко разрежу пополам, то у меня будет половинка яблока. Если эту половинку снова разрезать пополам, то у меня будет четверть яблока. Но как долго я смогу делить этот плод? Не приведёт ли это к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?»

Таким вот образом Демокрит пришёл к выводу о том, что предел делению существует. А последнюю, уже неделимую частицу он назвал атомом.

Долгое время атом оставался неделимой частицей. И лишь в конце XIX века стало известно, что атом — это сложное образование, которое состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Затем учёным удалось доказать, что и ядро атома состоит из более мелких частиц — протонов и нейтронов.

А в конце ХХ века было доказано, что и они обладают структурой, то есть состоят из ещё более мелких — элементарных частиц, которые в физике назвали кварками. Более подробно об этом вы узнаете в процессе изучения физики.

А пока же мы с вами будем считать мельчайшей частицей вещества атом. Из атомов состоят молекулы. На рисунке вы видите модель молекулы воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но есть некоторые вещества, которые состоят только из атомов. Например, алмаз состоит только из атомов углерода.

Раз молекулы состоят из атомов, то их можно разделить. Например, если взять обычную воду и пропустить через неё электрический ток, то молекулы воды распадутся и образуют новые вещества — газы: водород и кислород. Их свойства будут существенно отличаться от свойств воды.

А вот если мы просто нагреем воду или заморозим её, то она превратиться в пар или лёд соответственно. При этом и пар, и вода, и лёд будут состоять из одинаковых молекул. Но взаимодействовать эти молекулы друг с другом будут по-разному. Поэтому и свойства воды, льда и пара различны.

Но самое главное доказательство того, что все вещества имеют дискретное строение появилось после того, как учёные смогли сфотографировать молекулы с помощью очень мощных микроскопов.

А теперь зададимся вопросом: как же ведут себя частицы вещества? Ответим на него с помощью небольшого опыта. Возьмём две мензурки с водой, тёплой и холодной, и бросим в них по паре кристалликов марганцовки. Буквально через пару минут мы заметим, как вода начнёт окрашиваться в розовый цвет. При этом видим, что в тёплой воде этот процесс идёт гораздо быстрее, чем в холодной. О чём говорят результаты опыта?

Во-первых, изменения цвета воды указывает на то, что марганцовка в ней растворяется. Окрашивание воды, как было видно, происходило по всем направлениям. А это свидетельство того, что молекулы марганцовки и воды сталкиваются между собой и движутся беспорядочно (хаотически).

Также было видно, что окрашивание тёплой воды шло быстрее. Это означает, что в тёплой воде хаотическое движение и столкновения частиц более интенсивны, чем в холодной.

Ну и самое главное, проникновение веществ друг в друга (то есть их перемешивание) говорит о том, что между молекулами вещества есть промежутки.

Беспорядочное движение частиц вещества, зависящее от степени нагретости вещества, называют тепловым.

А явление взаимного проникновения веществ друг в друга называют диффузией.

Диффузия возможна не только в жидкостях, но и в газах, а также в твёрдых телах.

Примером диффузии в газах может служить распространение запахов еды по всей квартире. Действительно, мы практически безошибочно можем определить, что готовит мама на кухне находясь в своей комнате. При этом диффузия в газах идёт значительно быстрее, чем в жидкостях.

Намного труднее наблюдать диффузию в твёрдом теле. Известен такой опыт. Взяли две гладко отшлифованные пластины: одну из свинца, а вторую — из золота. Положили их друг на друга, сверху придавили небольшим прессом и забыли про них почти на 5 лет. А когда вспомнили, достали пластины и увидели, что за это время золото и свинец проникли друг в друга примерно на 1 мм.

Диффузия играет огромную роль не только в технике, но и в природе. Например, минерализация воды, то есть растворение в ней различных неорганических (минеральных) веществ. Чистая, без этих веществ (дистиллированная), вода совершенно безвкусна и практически бесполезна для организмов.

Важна диффузия при переносе питательных веществ и кислорода в растениях и других организмах. Путём диффузии осуществляется газообмен в лёгких и тканях животных.

А теперь давайте с вами проведём такой опыт. Возьмём медную монету и доску, в которую вбито два гвоздя так, чтобы монетка еле проходила между ними.

Теперь нагреем нашу монету в пламени спиртовки и вновь попробуем протянуть её между гвоздями. Не пролазит. А почему она не пролазит?.. Правильно, потому что она увеличилась в объёме. Через некоторое время монетка остынет, уменьшится в объёме и снова легко пройдёт между гвоздями.

Объяснить это можно так. При нагревании вещества тепловое движение его молекул становится более быстрым, что приводит к увеличению расстояния между молекулами. А это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением.

При тепловом расширении твёрдых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, например, рельсы на стыках имеют зазор. А провода линий электропередачи вешают с прогибом, чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Жидкости, как и твёрдые тела, тоже умеют расширяться при нагревании. Вот у нас есть два одинаковых сосуда. Пусть в одном из них находится вода, а во втором — такое же количество спирта. Сосуды закроем пробками с трубками. Начальные уровни жидкостей отметим резиновыми колечками. Теперь поставим наши сосуды в горячую воду.

Как видно, уровень жидкостей в трубках начинает повышаться, что свидетельствует о тепловом расширении жидкостей. При этом посмотрите: уровень спирта выше, чем воды. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей, как и твёрдых веществ, неодинаково.

И давайте заодно проверим, расширяются ли газы. Возьмём колбу, внутри которой находится воздух. Закроем колбу пробкой, в которую вставлена изогнутая трубка. Воздух в колбе изолируем с помощью небольшой капельки воды. Теперь поднесём к колбе свои руки. О чудо: капелька начала перемещаться.

И чем ближе мы будем подносить руки, тем дальше будет отодвигаться капелька воды. Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причём, что интересно, все газы, в отличие от твёрдых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково.

А теперь зададимся одним очень интересным вопросом. Если все тела состоят из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении, и между которыми есть промежутки, то почему мы с вами не распадаемся на эти мельчайшие частицы? Почему, машина имеет форму машины, а собака — форму собаки?

Ответить на эти вопросы можно только предположив, что между молекулы вещества притягиваются друг к другу.

А как мы проверяем гипотезы? Правильно — с помощью опыта. Возьмём стакана и разобьём его. А теперь попробуем соединить их обратно. Что-то у нас ничего не получается. Наверное, гипотеза неверна.

Но подождите. Давайте проведём такой опыт. Подвесим к пружине чистую стеклянную пластинку. Положение нижнего конца пружины отметим указателем. Теперь возьмём сосуд с водой и поднесём его к пластинке до соприкосновения её с поверхностью воды. И будем медленно опускать сосуд.

Как видим, растяжение пружины увеличивается, что указывает на притяжение частиц воды в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

Можно также сцепить два свинцовых цилиндра, если их вплотную прижать друг к другу ровными, только что срезанными поверхностями. При этом сцепление будет таким прочным, что цилиндры не удастся разъединить даже при большой нагрузке.

Эти два опыта доказывают, что между молекулами вещества существуют силы притяжения.

— Но почему же тогда мы не смогли собрать стеклянный стакан?

Всё дело в том, что притяжение молекул и атомов друг к другу проявляется на очень маленьких расстояниях, которые сравнимы с размерами самих молекул и атомов. И действительно. Если мы сильно нагреем два куска стекла и прижмём их друг к другу, то они слипнуться в одно целое.

А вот молекулы и атомы газа практически не притягиваются друг к другу. Дело в том, что в газах частицы находятся на больших расстояниях, чем в жидкостях и твёрдых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объёму.

А как вы думаете, есть ли между молекулами отталкивание? Проведём такой опыт. Возьмём сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать. Тяжело идёт.

А стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму. Значит, между частицами резины существует отталкивание. Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика. Оно же восстановило его первоначальную форму.

Ну а то, что большинство тел обладают определёнными размерами и формой говорит о том, что силы притяжения и отталкивания действуют одновременно.

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляются лишь на малых расстояниях между ними, то есть в твёрдых телах и жидкостях.

Притяжение и отталкивание частиц определяют их взаимное расположение в веществе, от которого существенно зависят свойства этого вещества. Так, глядя на прозрачный очень твёрдый алмаз и на мягкий чёрный графит мы и не догадываемся, что оба вещества состоят из совершенно одинаковых атомов углерода. Просто в графите эти атомы расположены иначе, чем в алмазе.

Взаимодействие частиц вещества приводит к тому, что оно может находиться в различных агрегатных состояниях. Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Например, лёд, вода и пар.

В различных агрегатных состояниях вещества молекулы ведут себя по-разному. Например, в газах молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. А при редких (в масштабах молекул) столкновениях, они разлетаются в разные стороны, подобно бильярдным шарам. Поэтому газы не сохраняют ни объёма, ни формы, а занимают весь предоставленный им объём.

В жидкостях дела обстоят несколько иначе, так как их молекулы достаточно плотно упакованы. Плотная упаковка молекул приводит к тому, что при попытках уменьшить объём жидкости силы межмолекулярного отталкивания резко возрастают. Это приводит к тому, что жидкости легко сохраняют свой объём, но при этом они не могут сохранить свою форму (то есть они текучи).

Наиболее сильным является взаимодействие частиц в твёрдом теле. Оно не даёт возможности частицам разойтись. Частицы лишь совершают хаотические колебательные движения около определённых положений. Поэтому твёрдые тела сохраняют и объём, и форму.

И действительно, металлический мячик будет сохранять форму шара и свой объём, куда бы его ни поместили: в банку, на стол или приклеили бы к потолку.