Строение вещества

Вы уже знаете, что любые тела состоят из определённых веществ. Например, ручка сделана из пластмассы, карандаш — из дерева и графита. Каждое вещество обладает своими уникальными характеристиками: цветом, запахом, плотностью, текучестью и другими свойствами. Но есть ли что-то общее у всех этих веществ?

Попробуем провести небольшой опыт. Возьмём стакан чая и добавим туда немного сахара, после чего хорошо перемешаем. Сахарные крупинки стали незаметными.

Зато чай приобрёл сладкий вкус. Значит, сахар не исчез — он всё ещё присутствует в напитке. Но почему же мы больше не видим крупинок? Дело в том, что они рассыпались на мельчайшие частицы, которые невозможно увидеть невооружённым глазом.

На протяжении всей истории человечества людей интересовало не только наблюдение и описание физических явлений окружающего мира, но и понимание их причин. Например, почему разлитая вода быстро расплывается, тогда как рассыпанный песок ведёт себя иначе? Или почему тёплый кусочек пластилина легко сжимается рукой, в отличие от холодного? Чтобы найти ответы на такие вопросы, необходимо знать, из чего состоят вещества.

Ещё в V веке до нашей эры древнегреческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из крошечных частиц. Согласно легенде, однажды он сидел на берегу моря, держа в руках яблоко, и задумался: «Если я разрежу это яблоко пополам, у меня останется половина яблока. Если я потом ещё раз разделю эту половину на две части, останется четверть яблока. Но если я продолжу так делить, не наступит ли момент, когда оставшаяся часть перестанет быть яблоком?»

Демокрит пришёл к выводу, что рано или поздно придётся столкнуться с такой частицей, которая уже не может быть поделена далее без потери своих свойств. Эту последнюю частицу философ назвал атомом.

Этот подход стал важным шагом в развитии представлений о структуре вещества. Но эта идея Демокрита стала основой научной теории лишь в период с XVIII по XX века. Сегодня благодаря этим знаниям мы можем не только объяснять множество природных явлений, но и прогнозировать их развитие со временем. Такие открытия позволяют нам создавать новые материалы и технологии, которые находят применение в различных сферах жизни, включая медицину, технику и повседневные нужды.

Если бы у нас был микроскоп, способный увеличивать изображение в миллиарды раз, мы могли бы увидеть отдельные атомы и молекулы, составляющие окружающие нас предметы.

Многочисленные наблюдения показывают, что все вещества образованы из мельчайших частиц. Например, кусок резины, из которого изготовлен мячик, кажется нам цельным. Однако при надувании мяча или его сжатии толщина резины уменьшается. Аналогично, кусок глины под воздействием механических усилий меняет свою форму. Это происходит потому, что Изменение объёма тела связано с изменением расстояний между этими частицами.

Давайте проведём небольшой эксперимент. Возьмите медную монету и доску с двумя вбитыми гвоздями таким образом, чтобы монета едва могла пройти между ними

Теперь нагрейте монету любым удобным для вас способом (например, на спиртовке или с помощью свечи) и попробуйте снова провести её между гвоздями Она больше не проходит! Почему же так произошло? Потому что монета увеличилась в объёме. Спустя какое-то время, когда монета остынет, она уменьшится в размере и снова свободно пройдёт между гвоздями.

Или вот ещё один похожий опыт. Возьмём стальной шарик и металлическое кольцо, через которое шарик может беспрепятственно проходить. Однако, если мы нагреем шарик, то он расширится и не сможет пройти через кольцо. Когда же шарик немного остынет, а кольцо, нагревшись о шарик, немного расширится, шарик провалится сквозь кольцо.

Это явление объясняется следующим образом. Когда вещество нагревается, скорость движения его частиц увеличивается, что ведёт к увеличению расстояния между ними. В результате размеры самого тела увеличиваются.

Этот процесс увеличения размеров тела при нагревании называется тепловым расширением.

Однако отметим, что тепловое расширение разных твёрдых тел различно.

При проектировании и строительстве различных инженерных объектов необходимо учитывать способность материалов менять объём при изменении температуры. Например, электрические провода на линиях передач закрепляют с небольшим провисом, чтобы избежать разрыва проводов зимой, когда они сокращаются от холода. Железнодорожные рельсы укладывают с небольшими зазорами между стыками, иначе летом, при расширении металла, рельсы могут искривиться. Мосты строят из отдельных секций, чтобы предотвратить повреждения конструкции из-за колебаний температуры. А трубопроводы оснащают специальными компенсаторами в виде изгибов, которые позволяют им безопасно реагировать на расширение и сжатие материала при изменениях температуры.

Как и твёрдые вещества, жидкости также способны увеличиваться в объёме под воздействием тепла. Докажем это. Вот у нас на штативе установлена колба, наполненная слегка подкрашенной водой. Она плотно закрыта пробкой, сквозь которую проходит тонкая стеклянная трубка. Вода в трубке находится чуть выше уровня воды в самой колбе. Отметим начальное положение уровня воды в трубке.

Затем мы начинаем подогревать колбу с водой над спиртовой лампой. Видно, что по мере нагрева вода в трубке поднимается вверх. Этот эксперимент подтверждает, что жидкость расширяется при повышении температуры.

А теперь давайте посмотрим, одинаково ли расширяются жидкости. Возьмём два одинаковых сосуда. Пусть один заполнен подкрашенной водой, другой — таким же количеством спирта. Оба сосуда закрыты пробками с трубками. Начальные уровни жидкостей отметим резиновыми кольцами. Теперь поместим сосуды в горячую воду.

Смотрите, уровни жидкостей в трубках постепенно поднимаются, демонстрируя их тепловое расширение. Интересно отметить, что уровень спирта оказывается выше, чем уровень воды. Это говорит о том, что спирт расширяется сильнее. Следовательно, разные жидкости, как и твёрдые вещества, расширяются по-разному.

Давайте теперь исследуем, подвержены ли газы тепловому расширению. Для этого возьмём колбу, содержащую воздух. Закроем её пробкой с изогнутой трубочкой.

Обратите внимание, что в трубочке находится небольшая капля воды. Она служит для изоляции воздуха внутри колбы. Теперь поднесём свои руки к колбе. Что за чудеса? Капелька начинает двигаться! И чем ближе мы подносим руки, тем дальше она смещается. Это показывает, что воздух действительно расширяется при нагревании, причём даже при незначительном.

А теперь возьмём наполненный воздухом воздушный шарик. Вынесем его на холод и понаблюдаем за ним. Хорошо видно, что объём шарика начинает достаточно быстро уменьшаться. Значит, из-за воздействия холода воздух внутри него сжимается. Но стоит нам внести шарик опять в тёплое помещение, как он вновь восстановит свой прежний размер.

Важно отметить, что в отличие от твёрдых тел и жидкостей, все газы расширяются и сжимаются примерно одинаково при одинаковых начальных условиях.

Таким образом мы с вами выяснили, что при повышении температуры объём тела увеличивается, тогда как при её понижении он уменьшается. Это явление объясняется тем, что любое вещество состоит из мельчайших частиц, разделённых между собой промежутками (говорят, что вещество имеет дискретное, то есть прерывистое строение). Когда температура меняется, эти промежутки также изменяются, что приводит к соответствующему изменению объёма тела.

Докажем, что между частицами вещества есть промежутки. Для этого проведём такой эксперимент. Возьмём мензурку со 100 миллилитрами воды и добавим ещё 100 миллилитров воды. Чему равен общий объём жидкости?

Конечно же, общий объём будет равен 200 миллилитрам.

Теперь нальём в другую мензурку 100 миллилитров воды. И добавим в неё ещё 100 миллилитров спирта. Ну-ка посмотрите, чему теперь равен объём полученной смеси.

Действительно, около 19) миллилитров, а не 200 мл как было в предыдущем опыте. Объяснить это можно только тем, что при смешивании жидкостей их частицы перемешиваются, и более мелкие частицы воды занимают промежутки между более крупными частицами спирта. Это заполнение пустот и приводит к уменьшению общего объёма смеси.

Частицы, составляющие вещество, настолько малы, что даже самый маленький кусочек содержит их в огромном количестве (превышает миллиард в десятки тысяч миллиардов раз). Например, в одной капле воды находится порядка 10²² таких частиц.

Для того чтобы наглядно продемонстрировать этот факт, проведём следующий опыт. Растворим несколько кристаллов перманганата калия (марганцовки) в воде. Вода приобретёт ярко-малиновый оттенок. Далее отольём небольшую порцию этой подкрашенной воды во второй сосуд и добавим туда чистую воду. Видим, что полученная смесь имеет менее насыщенный цвет по сравнению с первым раствором.

Повторив эту процедуру несколько раз, в конечном итоге мы получим слабо окрашенный раствор в последнем сосуде. Даже несмотря на незначительное количество марганцовки в начале эксперимента, она равномерно распределяется по всем сосудам, подтверждая, что каждый кристалл марганцовки состоит из множества мельчайших частиц.

Чтобы понять, насколько велико число частиц в веществе, давайте представим, что мы нанизали на невидимую нить все частички из 1 см³ воздуха, так чтобы они касались друг друга. Длина этой нити оказалась бы настолько большой, что ей можно было бы обернуть земной шар по экватору целых 200 раз! Это демонстрирует, насколько огромным является количество молекул даже в таком небольшом объёме воздуха.

Только благодаря созданию микроскопов с чрезвычайно высокой степенью увеличения учёным удалось наблюдать дискретное строение веществ. На экране вы видите фотографии некоторых атомов и молекул. Эти изображения были получены с использованием самых современных приборов (туннельного и атомно-силового микроскопов), обладающих очень мощным увеличением.