Тема 02 · Физика · подтема 4 из 4
Взаимодействие молекул
Строение вещества. 100 заданий.
Простыми словами
Капните духи в углу комнаты — через минуту запах почувствуют у двери. Никто его не нёс: крошечные частицы духов сами «разбежались» между частицами воздуха. Так проявляется главное: всё состоит из частиц, и они всё время движутся.
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул (а молекулы — из атомов); между молекулами есть промежутки.
2. Молекулы непрерывно и хаотично движутся — это тепловое движение; чем выше температура, тем быстрее.
3. Молекулы взаимодействуют: одновременно притягиваются и отталкиваются.
Молекулы и промежутки
Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекулы одного вещества одинаковы, разных веществ — различны. Они очень малы: их не видно даже в обычный микроскоп.
Доказательства промежутков: тела при нагревании расширяются (промежутки растут), при охлаждении сжимаются; газ легко сжать; при смешивании спирта и воды объём смеси меньше суммы объёмов.
Диффузия
Диффузия — взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого за счёт их теплового движения.
При нагревании диффузия ускоряется: молекулы движутся быстрее. Сахар растворяется в горячем чае быстрее, чем в холодном.
Порядок «газ → жидкость → твёрдое» — от быстрой диффузии к медленной, как и от больших промежутков к малым.
Взаимодействие молекул
Между молекулами действуют одновременно силы притяжения и отталкивания. На очень малых расстояниях сильнее отталкивание (поэтому твёрдое тело и жидкость трудно сжать), на чуть больших — притяжение (поэтому тело трудно разорвать, а капли сливаются).
Притяжение заметно только на расстояниях порядка размера молекул. Осколки чашки не склеиваются, если их прижать: слишком мало точек, где молекулы подходят так близко. Свинцовые цилиндры со свежими гладкими срезами — «слипаются».
Ответ «между молекулами действует только притяжение» — неверный. Силы притяжения и отталкивания действуют вместе.
Агрегатные состояния
| Состояние | Молекулы | Форма | Объём |
|---|---|---|---|
| Твёрдое | в строгом порядке, колеблются около своих мест; притяжение велико | сохраняет | сохраняет |
| Жидкое | близко, но без порядка; перескакивают с места на место | форма сосуда | сохраняет |
| Газ | далеко друг от друга (много больше их размеров), притяжение слабое | не сохраняет | занимает весь сосуд |
Твёрдое тело сохраняет форму, потому что силы притяжения между его молекулами велики и удерживают их около определённых положений. Газ заполняет весь сосуд, потому что притяжение между далёкими молекулами почти не действует.
Молекулы льда, воды и пара — одинаковые. Различаются расположение, движение и взаимодействие молекул, а не сами молекулы.
Молекулы, атомы, тепловое расширение
- Атом — мельчайшая частица химического элемента; видов атомов — сто с лишним, а веществ гораздо больше: атомы соединяются в молекулы в разных сочетаниях. Молекула воды — 2 атома водорода и 1 кислорода, углекислого газа — 1 углерода и 2 кислорода; кислород состоит из одинаковых атомов. Молекулы разных веществ отличаются составом и строением; на атомы они делятся при химических реакциях; плавление льда молекулы не меняет. Кислород — примерно пятая часть воздуха.
- Размер молекулы — порядка десятимиллионной доли миллиметра; их не видно в оптический микроскоп, отдельные атомы и молекулы удалось увидеть в электронный (ионный) микроскоп. Капля масла растекается по воде лишь до определённой площади — слой не может стать тоньше молекулы. Идею о «корпускулах» в XVIII веке высказывал М. В. Ломоносов.
- Движение молекул хаотичное (беспорядочное); скорость каждой меняется от столкновений; при нагревании растёт, при охлаждении уменьшается, но не прекращается. Броуновское движение открыл Роберт Броун (пыльца в воде); заметнее у самых мелких частиц и при высокой температуре.
- При нагревании промежутки между молекулами растут (размер самих молекул не меняется), масса не меняется, растёт объём: шарик в горячей воде раздувается, на морозе сжимается; накачанный на солнце мяч твердеет; провода летом провисают; между рельсами и секциями бетонных плит оставляют зазоры; стакан ополаскивают тёплой водой перед кипятком. Опыты: капля в трубке колбы с воздухом сдвигается, если колбу согреть рукой; уровень подкрашенной воды в трубке поднимается при нагревании. Вода при замерзании расширяется — бутылка с водой на морозе лопается.
- Одно вещество бывает в разных состояниях (лёд, вода, пар); при обычных условиях жидкий металл — ртуть. Жидкость можно перелить: её молекулы перемещаются друг относительно друга; при испарении молекулы воды удаляются друг от друга.
Диффузия вокруг нас
- Диффузия — явление самопроизвольное: вещества перемешиваются сами, молекулы остаются прежними; это доказывает их движение. Когда краска распределилась равномерно, диффузия не прекращается — молекулы движутся, но окраска уже не меняется; обратно в каплю краска не соберётся.
- Примеры: в газах — запах пирога в соседней комнате, нашатырный спирт в классе, запах в газопроводе (добавляют, чтобы заметить утечку), запах лака после ремонта, кофе выдыхается из открытой банки, горячий хлеб пахнет сильнее; в жидкостях — капля чернил окрашивает воду, медный купорос под водой за недели смешивается, засолка огурцов и капусты, варенье, сахар в чае без размешивания (размешивание ускоряет перемешивание), пятна от ягод и цветное бельё; в твёрдых — пластины золота и свинца за годы, границы покрытий металлов.
- Скорость растёт с температурой (летом в тёплой комнате запах распространяется быстрее); лёгкий водород диффундирует быстрее углекислого газа. Молекулы духов движутся быстро, но распространяются медленно — постоянно сталкиваются. Ветер переносит запах быстрее диффузии. Измельчённый сахар растворяется быстрее — больше поверхность.
- Роль в природе: дыхание (кислород из лёгочных пузырьков в кровь), питание растений; вред — загрязнение водоёмов. Перемешивание супа ложкой — не диффузия. Продукты в холодильнике хранят закрытыми, чтобы не смешивались запахи.
Притяжение частиц: смачивание и слипание
- Притяжение быстро ослабевает с расстоянием и наименьшее в газах; при сильном сжатии растут силы отталкивания (воду в закрытом шприце трудно сжать). Твёрдое тело трудно растянуть (мешает притяжение) и сжать (мешает отталкивание). Свинцовые цилиндры и плитки Иогансона слипаются, гладкие стёкла в стопке слипаются; мел и графит оставляют след; пружина не рвётся сразу; мыльный пузырь держится; капли на стекле сливаются. Обломки, опилки, концы верёвки нельзя соединить — частицы не сблизить до нужного расстояния; поэтому клей наносят жидким, кирпичи скрепляют раствором, металлы сваривают и паяют, стекло соединяют, расплавив края. Пластилин прилипает — он деформируется, и частицы сближаются. При деформации из-за взаимодействия частиц возникает сила упругости (мяч отскакивает), стекло хрупкое — раскалывается.
- Смачивание — растекание жидкости по твёрдой поверхности из-за притяжения молекул: спирт и вода смачивают стекло, масло — ткань, чернила — бумагу, вода — полотенце, хлопок, нить, фитиль (керосин поднимается по фитилю), узкие трубки и сосуды растений, песок (мокрый держит форму), снег (мокрый лепится). Несмачивание: ртуть на стекле собирается в шарик; вода на жирной поверхности, на листьях капусты с восковым налётом, на перьях утки, на пропитанной воском обуви и непромокаемой ткани; водомерка бегает по воде, стальная иголка лежит на поверхности — поверхностный слой упругий. Стеклянная пластинка, касающаяся воды, при отрыве увеличивает показание динамометра.
Посмотреть и посчитать