Взаимное притяжение и отталкивание молекул. Агрегатные состояния вещества

Открытие Роберта Броуна стало неопровержимым доказательством того, что все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. Но самое важное, что эти что эти мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении. Причём интенсивность их движения напрямую связана с температурой вещества.

А теперь зададимся одним очень интересным вопросом. Если все предметы вокруг нас состоят из атомов и молекул, которые постоянно движутся и разделены промежутками, то почему же мы сами не рассыпаемся на отдельные частички? Почему автомобиль сохраняет свою форму автомобиля, кошка — форму кошки, а голубь — форму голубя?

Чтобы объяснить это, нам придётся предположить, что молекулы вещества притягивают друг друга.

Как проверить такую гипотезу? Верно, через эксперимент. Попробуем разбить стакан, а затем попытаемся собрать его снова. Увы, ничего не выходит. Возможно, наша гипотеза ошибочна.

Однако давайте не спешим с выводами. Проведём другой опыт. Подвесим к пружине чистую стеклянную пластину и отметим положение её нижнего конца. Затем возьмём сосуд с водой и аккуратно поднесём его к пластине так, чтобы вода коснулась стекла.

Теперь медленно опускаем сосуд. Посмотрите, пружина растягивается всё сильнее и сильнее. Это свидетельствует о притяжении частиц воды в сосуде и на поверхности стекла.

Также можно плотно прижать друг к другу два свинцовых цилиндра по свежесрезанным поверхностям. Сцепление окажется настолько сильным, что разделить цилиндры будет невозможно даже при значительной нагрузке.

Эти эксперименты подтверждают существование сил притяжения между молекулами вещества.

Но почему же нам не удалось собрать разбитый стакан? Дело в том, что притяжение между молекулами и атомами действует лишь на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами самих молекул и атомов. В самом деле, если сильно нагреть два куска стекла и плотно прижать их друг к другу, они сольются в единое целое.

А как вы думаете, есть ли между молекулами отталкивание?

Давайте проведём следующий опыт. Возьмите плотный резиновый мяч и попробуйте его сжать. Это довольно сложно сделать.

Но как только вы перестанете давить, мяч сразу вернётся к своей исходной форме. Это значит, что между частицами резины присутствует сила отталкивания. Именно она затрудняет сжатие мяча и помогает ему восстановить прежнюю форму.

Таким образом, молекулы вещества одновременно притягиваются и отталкиваются друг от друга. То, какая сила преобладает — притяжение или отталкивание, зависит непосредственно от расстояния между молекулами. На расстояниях, близких к размерам самих молекул (атомов), более заметно проявляется притяжение, но при дальнейшем сближении начинает доминировать отталкивание.

А то, что большинство тел имеют определённые размеры и формы, подтверждает, что силы притяжения и отталкивания действуют одновременно.

Взаимодействие двух молекул можно упрощённо представить как взаимодействие двух шариков, соединённых пружиной. Когда пружина растянута, шарики притягиваются друг к другу. Когда её сжать, они начинают отталкиваться. Эта модель достаточно наглядна, однако у неё есть один существенный недостаток: на больших расстояниях притяжение, создаваемое пружиной, продолжает усиливаться. А вот притяжение между молекулами на таких расстояниях практически исчезает.

Силы притяжения и отталкивания определяют взаимное расположение частиц в веществе, что в свою очередь влияет на его свойства. Например, взглянув на прозрачный и очень твёрдый алмаз и на мягкий чёрный графит, трудно поверить, что оба этих вещества состоят из одних и тех же атомов углерода. Разница заключается в том, что в графите атомы расположены иначе, чем в алмазе.

Взаимодействие частиц вещества определяет возможность его существования в различных агрегатных состояниях. Обычно выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное.

Чтобы подтвердить это, проведём простой эксперимент. Поместим кусочки льда в пробирку и начнём нагревать её на спиртовке. Через некоторое время мы увидим, как твёрдый лёд начнёт таять, переходя в жидкую воду. Если продолжать нагрев, вода в пробирке закипит, и образуется водяной пар.

Таким образом, вода способна существовать во всех трёх состояниях: в виде твёрдого тела, жидкости или газа.

Это справедливо и для других веществ. Например, железо при нормальной температуре и атмосферном давлении находится в твёрдом состоянии. При нагревании до 1539 °C оно начинает плавиться, превращаясь в жидкость. А при температуре свыше 3050 °C становится газообразным. Ещё один пример — ртуть, которую раньше использовали в медицинских термометрах. Она затвердевает при температуре ниже –39 °C. А при нагревании выше 357 °C превращается в пар.

Самое удивительное, что атомы и молекулы вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях остаются одними и теми же. Молекула воды, будь то в твёрдом (лёд), жидком (вода) или газообразном (водяной пар) состоянии, всегда состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Просто в различных агрегатных состояниях вещества молекулы ведут себя по-разному.

Для примера рассмотрим газы. В газообразном состоянии вещество не обладает ни фиксированной формой, ни постоянным объёмом. Чтобы это продемонстрировать, проведём несколько простых экспериментов. Сначала опустим пластиковую бутылку в воду и немного сожмём её.

Мы увидим, как из бутылки в воду выходят пузырьки воздуха. Это означает, что бутылка заполнена газом — воздухом.

Теперь опустим в воду закрытую пробкой пластиковую бутылку без дна. Вода не сможет свободно войти внутрь бутылки, так как ей мешает находящийся там воздух, занимающий определённый объём. Однако если проделать отверстие в пробке, вода вытеснит часть воздуха из бутылки.

Эти опыты наглядно демонстрируют, что газ не имеет ни определённой формы, ни постоянного объёма, а полностью заполняет предоставленное ему пространство.

Почему газ ведёт себя именно так? Это объясняется особенностями его внутренней структуры. В газах молекулы располагаются на расстоянии друг от друга, которое в десятки и сотни раз превышает размер самих молекул. Поэтому они почти не взаимодействуют между собой.

Беспорядочное движение молекул газа, которые практически не влияют друг на друга, приводит к тому, что они равномерно распределяются по всему доступному объёму.

Таким образом, утверждения вроде «Эта комната на половину заполнена воздухом» или «Я накачал воздух в одну треть объёма мяча» абсолютно бессмысленны. Воздух, как и любой другой газ, занимает весь объём комнаты или мяча.

— А каковы свойства твёрдых тел?

В повседневной жизни мы называем твёрдыми те тела, которые сохраняют свою форму и объём без воздействия извне. К примеру, это такие материалы, как металлы, пластик, лёд или стекло. Чтобы изменить форму твёрдого предмета, скажем, металлического стержня или деревянной доски, необходимо приложить значительное усилие. Способность сохранять форму и объём указывает на наличие притяжения между частицами твёрдого тела.

Проиллюстрируем это. Возьмём два свинцовых цилиндра с идеально выровненными торцами. Плотно прижмём их друг к другу, а затем отпустим. Оказывается, цилиндры словно склеились между собой.

Подвесим их на горизонтальный стержень штатива, а снизу прикрепим гирю. Гиря остаётся подвешенной. И всё это благодаря силам притяжения между частицами свинца.

Стоит отметить, что силы притяжения между частицами твёрдого тела становятся заметными только тогда, когда частицы находятся близко друг к другу — на расстоянии меньшем, чем размер самих частиц.

Если же это расстояние увеличить до размера частиц, то силы притяжения значительно ослабевают, и твёрдое тело может разрушиться. Восстановить предмет, например, разбитый стакан, в исходное состояние обычно не удаётся, так как мы не способны сблизить частицы твёрдого тела до прежнего минимального расстояния.

Когда твёрдое тело сжимается, то есть его частицы сближаются, возникают силы отталкивания. Эти силы взаимодействия между частицами твёрдого тела проявляются как сила упругости, возникающая при деформации объекта.

Как вам известно, в твёрдых телах также наблюдается явление диффузии, что указывает на движение частиц. Однако частицы твёрдого тела совершают колебательные движения, подобные колебаниям груза на пружине. Каждая частица колеблется возле своего положения равновесия, то есть в точке, где силы притяжения частиц друг к другу уравновешиваются силами отталкивания.

Именно поэтому твёрдые тела сохраняют и объём, и форму. Металлический шарик, например, будет сохранять свою шаровидную форму и объём независимо от того, где его разместить: в банке, на столе или даже приклеенным к потолку.

Как же тогда происходит тепловое расширение твёрдых тел?

Всё довольно просто. При повышении температуры увеличивается энергия колебаний частиц, возрастает амплитуда этих колебаний, что в конечном счёте вызывает тепловое расширение твёрдого тела.

Вещества в жидком состоянии занимают промежуточное положение между твёрдыми телами и газами, сочетая в себе некоторые характеристики обоих этих состояний.

Так, например, жидкости, как и твёрдые тела, обладают определённым объёмом. Это подтверждается следующим опытом. Возьмём трубку с поршнем, под которым находится воздух. Закрыв трубку пробкой, попробуем сжать воздух внутри.

Сделать это несложно. Но если заполнить трубку жидкостью и попытаться её сжать, то у нас практически ничего не выйдет.

Тем не менее, жидкости, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся, и могут плавно переходить в газообразное состояние.

Почему это происходит? Всё дело в том, что в жидкостях молекулы расположены достаточно близко друг к другу — расстояние между молекулами жидкости приблизительно соответствует размеру самих молекул. На таких расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, не разлетаясь в стороны. Когда же пытаются сжать жидкость (уменьшить расстояние между молекулами), возникают значительные силы отталкивания между соседними молекулами. Из-за этого сжать жидкость не удаётся — она сохраняет практически неизменный объём.

Кроме того, в плотной среде молекул жидкости нет той свободы передвижения, что у молекул газа. Молекулы жидкости двигаются, образно выражаясь, «на месте», периодически перескакивая на освободившиеся участки. Благодаря этим постоянным перемещениям жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится.

В начале нашего занятия мы провели опыт с нагреванием льда, наблюдая его постепенный переход в пар. А как вы думаете, что произойдёт, если этот пар продолжить нагревать?

Сначала ничего необычного не случится — получится просто горячий газ, похожий на тот, что возникает в бане, когда поливают водой раскалённые камни.

А что было бы, если бы камни в парилке имели температуру в несколько десятков тысяч градусов?

Сначала, при достаточном нагреве водяного пара, молекулы воды начнут распадаться на кислород и водород. Если продолжать нагрев, скорости атомов станут такими большими, что они начнут буквально «разваливаться». Точнее, не совсем разваливаться, а терять электроны. Сами атомы превратятся в положительно и отрицательно заряженные ионы.

Со временем, таким образом, мы получаем ещё одно агрегатное состояние вещества — плазму.

Плазма — это полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает.

Плазма широко используется человеком. Её применяют в производстве процессоров, телевизорах, неоновых лампах и многом другом.

В природе плазму можно наблюдать в виде огня костра, вспышки молнии. Некоторые из вас могли видеть северное сияние.

Но все это мелочи. Оказывается, что во всей Вселенной 99,9 % всего вещества находится именно в состоянии плазмы! И причиной тому звёзды. Каждая звезда — это гигантский плазменный котёл различной массы, плотности и температуры. Кроме того, плазмой заполнено всё космическое пространство между звёздами и галактиками.

В заключение отметим, что гипотеза Демокрита о строении вещества начала постепенно оформляться в последовательную научную теорию лишь в XVIII веке. Раздел физики, изучающий физические свойства веществ на основе представлений об их атомной и молекулярной структуре, получил название молекулярная физика. Основу этой науки составляет молекулярно-кинетическая теория (МКТ), в развитии которой важную роль сыграл наш выдающийся русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.