Понятие о строении вещества

Урок 3: Строение вещества

Понятие о строении вещества

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).

(Источник)

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. 

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

(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.

(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.

(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.

(Источники 1 и 2)

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).

(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. 

(Источник)

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

(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.

(Источник)

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.

(Источник)

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?

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.

(Источники 1, 2 и 3)

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).

(Источник)

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).

(Источник)

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.

Источник: https://100urokov.ru/predmety/urok-3-stroenie-veshhestva

Строение вещества

Понятие о строении вещества

ВВЕДЕНИЕ

Электротехническиематериалы – это специальные материалы,из которых изготавливают электрическиемашины, аппараты, приборы и другиеэлементы электрооборудования иэлектроустановок. Все электротехническиематериалы обычно делят на четыре основныегруппы: проводники, полупроводники,диэлектрики, магнитные.

Надежностьработыэлектрических машин, аппаратов иустановок зависитот качества и правильного выборасоответствующих электротехническихматериалов.При рациональномвыборематериалов можно создать электрооборудованиемалых габаритови массы, надежное в эксплуатации.

Для этого надознать свойстваэлектротехнических материалов и ихизменениепод воздействием электрическогонапряжения температуры и других факторов.Величины,с помощью которых оцениваютте или иныесвойстваматериалов, называют характеристиками.

Чтобы полностью оценить свойства тогоили иного электрического материала,необходимо знать его механические,электрические, тепловые и физико-химическиехарактеристики. От этих свойств зависяттакие процессы в элементах приборов,как передача, генерация, выпрямление имодуляция электрического тока,преобразование электрических сигналовв звуковые, световые и т.д.

Для правильноговыбора иэффективного использованияэтих материалов необходимо знание нетолько проявления их свойств,но и причиних разнообразия, которые связаны состроениемвещества.

ВИДЫ СВЯЗИ

Все веществасостоят из атомов.

Атомпредставляет собой систему, состоящуюиз положительно заряженного ядра, вокругкоторого вращаются отрицательнозаряженные электроны. Электроныпритягиваются к ядру и отталкиваютсядруг от друга.

Расположенные ближе кядру электроны подвержены большемупритяжению, они ослабляют притяжениевнешних электронов, которые находятсяна большем расстоянии от ядра. Внешниеэлектроны могут отрываться от одногоатома и присоединяться к другому атому,изменяя число его внешних электронов.

Такие электроны называются валентными.У разных веществ атомы содержат разноечисло валентных электронов.

Рис. 1.1. Ковалентная(атомная) связь в молекуле водорода:

а– изолированные атомы; б– молекула с ковалентной связью

Атом,потерявший один или несколько электронов,становится положительно заряженным.Атом, который присоединил к себе свободныеэлектроны, становится отрицательнозаряженным. Образовавшиеся таким образомположительные и отрицательные частицыназываются ионами.

Изатомов строятся молекулы. Связи, благодарякоторым происходит объединение атомовв молекулы, называются химическими.

Способностьатомов вступать в соединения с атомамидругих веществ и образовывать молекулыопределяет химическиесвойства вещества.

Молекула являетсянаименьшей частицей вещества, котораясохраняет его химические свойства.

Химическиесвязи междуатомами вещества делят на ковалентные(атомные), ионные, металлические имолекулярные.

1)Ковалентная

Ковалентныесвязи возникают между атомами за счетобразования устойчивых пар валентныхэлектронов разных атомов (рис. 1.1).

Этипары являются общими для атомов, которыевходят в молекулу. Если двухатомнаямолекула состоит из атомов одногоэлемента (Н2,Сl2,N2),то электронная пара в одинаковой степенипринадлежит обоим атомам. В таком случаемолекулу и ковалентную связь называютнеполярнымии (или) нейтральными.В неполярных молекулах центры положительныхи отрицательных зарядов совпадают.

Еслидвухатомная молекула состоит из атомовразличных элементов, то электроннаяпара может быть смещена к одному изатомов. В этом случае ковалентную связьназывают полярной, а молекулы с полярнойсвязью, у которых центры положительныхзарядов не совпадают, – полярными илидипольными. Дипольная молекулахарактеризуется электрическим дипольныммоментом

гдеg– абсолютное значение заряда, Кл; l– расстояние между центрами положительногои отрицательного зарядов, м.

Атомнаясвязь имеет направленный характер. Этасвязь образуется в направлении наибольшейплотности объединенных электронов.Поэтому вещества с ковалентными связямиобычно характеризуются твердостью,хрупкостью, тугоплавкостью и химическойинертностью.

К ним относятся кристаллыгермания, кремния, алмаза, соединенияэлементов из средних групп таблицыД.И.Менделеева – SiC,BN.Атомные связи характерны для такихгазов, как Н2, О2, N2.

Молекулы некоторых органическихсоединений: полиэтилена (С2Н4)n,политетрафторэтилена (C2F4)n-имеют ковалентную связь, при этом междуотдельными молекулами в этих материалахобразуются молекулярные связи.

Разновидностьюковалентной связи являетсядонорно-акцепторнаясвязь, котораявозникает между атомом,способным отдать электрон (донор),и атомом,способным принять этот электрон(акцептор).Примером таких материалов являютсясоединения мышьяка -арсениды галлияGaAsи индия InAs.

2)Ионная

Ионные связиобусловлены силами электростатическогопритяжения между положительными иотрицательными ионами.

Молекулывещества с полярной связью полярны. Неимеют направленности. Соединения сионной связью обладают разными свойствами,которые характерны для типичных металлови неметаллов. Такие связи наиболеехарактерны для неорганическихдиэлектриков, которые имеют в своемсоставе ионы противоположных знаков(большинство солей и некоторые оксиды,например, ZnO,CdO,NiO,CuO2).

Ионные связи менеепрочны, чем ковалентные, поэтомусоединения, образованные ионной связью,уступают веществам с ковалентной связьюпо механической прочности и химическойстойкости.

3)Металлическая

Металлическиесвязи образуются в металлах и обусловленыособенностями поведения внешних(валентных) электронов. Атомы металловобладают способностью отдавать внешние(валентные) электроны, превращаясь вположительный ион, или присоединять ихвновь, превращаясь снова в нейтральныйатом.

Внешниеэлектроны, которые покидают атомы,становясь свободными, называютсяколлективизированными.

В результате металлпредставляет собой систему, состоящуюиз положительных ионов, которые находятсяв среде коллективизированных электронов.

В этой системеодновременно имеют место притяжениемежду ионами и свободными электронамии ковалентная связь между нейтральнымимолекулами. Наличие этих связей определяетмонолитность и прочность металлов.

Благодаря наличиюсвободных электронов металлы обладаютвысокой электро- и теплопроводностью.Металлическая связь в отличие отковалентной не имеет направленногохарактера, что придает металлам высокуюпластичность. Большинство металловимеют высокие температуры плавления икипения.

4)Молекулярная

Молекулярныесвязи образуются между отдельнымимолекулами в результате электростатическогопритяжения между зарядами противоположныхзнаков, которые имеются в молекулах.Такое электростатическое притяжениеназывают силами Ван-дер-Ваалъса. Спомощью таких сил образуются молекулыв твердом водороде Н2,азоте N2,углекислом газе СО2и других органических соединениях -полиэтилене, фторопласте и др.

Особымвидом молекулярной связи являетсяводороднаясвязь, котораяобразуется через ион водорода (протон),расположенный между двумя ионамисоседних молекул. Водородной связьюсоединяются молекулы воды и некоторыхорганических соединений.

Втвердых веществах атомы и молекулырасполагаются в строгом порядке ихаотично. Вещества с закономернымупорядоченным расположением атомовили молекул в пространстве называюткристаллическими,а вещества с беспорядочным расположениематомов или молекул – аморфными.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕВЕЩЕСТВА

К кристаллическимвеществам относятся все металлы иметаллические сплавы.

Кристалл состоитиз множества сопряженных друг с другомэлементарных кристаллических ячеек. Вэлементарной кристаллической ячейкесодержится наименьшее число атомов.

Простейшимтипом элементарной кристаллическойячейки является простая кубическаярешетка. Размеры кристаллической решеткихарактеризуются ее параметрами.

Подпараметром решетки понимают расстояниемежду ближайшими параллельными атомнымиплоскостями, образующими элементарнуюячейку. Этирасстояния очень малы и их измеряют внанометрах или ангстремах (1А = 10-10м). Параметр кубической решетки (рис.1.

5) обозначается буквой аи находится в пределах 0,28…0,6 нм. Параметррешетки хрома равен 2,9 А , алюминия – 4,04А.

Для описанияструктуры кристаллических тел пользуютсяпонятием пространственной кристаллическойрешетки, которая представляет собойпространственную сетку, в узлах которойрасполагаются частицы, образующиетвердое тело.

Вузлах ковалентных (атомных) решетокнаходятся нейтральные атомы, которыесвязаны друг с другом ковалентнойсвязью.

Вузлах ионных решетокрасположены чередуясь положительныеи отрицательные ионы, которые связаныдруг с другом ионной связью.

Вузлах металлических решетокрасположены положительные ионы, впромежутках между которыми находятсясвободные электроны. Они образуютрешетку с помощью металлических связей.

Вузлах молекулярных решетокнаходятся молекулы. Такие решеткиобразуются за счет ковалентной и ионнойсвязей.

Каждое веществообычно образует кристаллы определеннойформы.

Стремлениеатомов металлов к сближению и уплотнениюприводит к образованию более сложныхтипов решеток. Наиболее распространеннымитипами кристаллических решеток являются:

кубическаяобъемно центрированная, ее имеют-железо,хром, вольфрам, ванадий;

кубическаягранецентрированная, ее имеют -железо,медь, алюминий;

гексагональная,ее имеют бериллий, кадмий, магний идругие металлы.

Наиболее плотнои компактно размещены атомы гексагональнойи кубической гранецентрированнойрешеток.

Упорядоченноерасположение атомов в кристаллахприводит к различному расположению иплотности атомов в разных направ­лениях.Этим обусловлено различие свойствметаллов в разных на­правлениях.

Изменениесвойств кристаллов (металлов) в зависимостиот направления называют анизотропией.

Степеньанизотропности свойств металлов можетбыть значительной. Например, пределпрочности на растяжение у меди изменяетсяот 120 до 360 МПа, а относительное удлинениепри растяжении ()- до 55%.

Однако промышленныесплавы обычно состоят из большого числакристаллов, кристаллические решеткикоторых по-разному ориентированы впространстве, поэтому свойства сплавовне зависят от направления.

Всекристаллические вещества при нагреваниисохраняют твердое состояние доопределенной температуры. Атомы,находящиеся в узлах кристаллическойрешетки, совершают непрерывныеколебательные движения. Чем вышетемпература вещества, тем большеамплитуда этих колебаний.

При достиженииопределенной температуры амплитудаколебаний атомов настолько увеличивается,что происходит разрушение кристаллическойрешетки. Атомы переходят в хаотическоесостояние, а вещество превращается изтвердого в жидкое.

Температура,при которой происходит фазовое превращениетвердого вещества в жидкое, называетсятемпературой плавления Тпл.

Обратныйпереход кристаллических веществ изжидкого состояния в твердое называетсякристаллизацией.Температура, при которой происходитфазовое превращение жидких веществ вкристаллические, называется температуройкристаллизации Тк.

Дефектыкристалических решеток

Строение металлов,когда атомы образуют геометрическиправильную кристаллическую структуру,может быть только в идеальном случае.В реальных условиях кристаллы имеютбольшое число дефектов, наличие которыхоказывает существенное влияние насвойства металлов и сплавов.

Основными дефектамикристаллических решеток являютсяточечные, линейные, поверхностные иобъемные (трехмерные) несовершенства.

1)Точечные

Точечныенесовершенства появляются в результатеобразования вакансий (атомных дырок)или внедрения атомов в междуузлие (рис.1.6).

Рис1.6. Точечныенесовершенства:

1 – вакансия; 2 –дислоцированный атом; 3 – примесныйатом

Атомыметаллов находятся в колебательномдвижении относительно положенияравновесия. При нагревании амплитудаколебаний атомов возрастает.

Большинствоатомов в данной кристаллической решеткеобладает одинаковой средней энергией,поэтому амплитуда их колебаний приданной температуре одинакова, ноотдельные атомы имеют энергию, значительнопревышающую среднюю, и амплитудаколебаний их также больше среднегозначения.

Такие атомы могут перемещатьсяиз одного места в другое и выходить изузла в междуузлие. Атомы, вышедшие изузла решетки, называются дислоцированными,а места, где находились атомы, остаютсяв решетке незаполненными и называютсявакансиями.

Причинами точечныхнесовершенств являются условиякристаллизации, наличие примесей вметаллах и сплавах, неравномерноераспределение энергии между атомамикристаллической решетки.

Точечные дефектывлияют на диффузионные процессы.Например, при изготовлении полупроводниковыхинтегральных схем нагревание дотемпературы плавления приводит кувеличению вакансий на 2%.

2) Линейные

Линейныенесовершенства представляют собойизменения структуры, протяженностькоторых в одном измерении гораздобольше, чем в двух других. Такиенесовершенства называют дислокациями.Появление дислокаций вызвано воздействиямина металл напряжений разного происхождения.

При воздействии сосредоточенной нагрузкина некоторый участок происходитперераспределение напряжений в образце.Этот процесс сопровождается медленнымсдвигом атомов. Граница между сдвинутымиучастками и сохранившейся без измененияобластью является дислокацией (рис.1.7).

Дислокации бываюткраевыми, винтовыми и смешанными.

Рис. 1.7. Линейныедислокации

3)Поверхностные

Поверхностныенесовершенства характеризуютсязначительными изменениями в двухизмерениях. Примером поверхностногонесовершенства является граница междукристаллами в реальных сплавах.

Кристалл состоитиз блоков, которые по-разному ориентируютсяв пределах этого кристалла, образуямозаичную структуру. На границахповернутых друг относительно другаблоков возникают напряжения, приводящиек искажению кристаллической решетки(рис. 1.8).

Рис. 1.8. Поверхностныенесовершенста (мозаичная структуракристалла)

4)Объемные

Объемныенесовершенства кристалла имеютсущественные размеры во всех трехизмерениях. К объемным дефектам относятсяпустоты, включения отдельных кристаллическихзерен или кристаллической модификации.

По структурекристаллические материалы бываютмонокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристаллическиематериалы- это однородные анизотропные тела, укоторых атомы расположены по всемуобъему в правильном порядке. При этомсами атомы состоят из периодическиповторяющихся одинаковых кристаллическихячеек.

Поликристаллическиематериалысостоят из большого числа сросшихсямежду собой мелких кристаллическихзерен (кристаллитов), которые хаотическиориентированы в разных направлениях.

За счет усреднения свойств отдельныхкристаллов свойства тела в целом независят от направления, и поликристаллическиематериалы обычно изотропны. Однако спомощью специальной обработки (холоднаяпрокатка с последующим отжигом,намагничивание, поляризация и т.д.

)материал становится анизотропным.Материалы с искусственно созданнойанизотропией называют текстурами.

К поликристаллическимматериалам относятся металлы и многиекерамические материалы.

АМОРФНЫЕ ВЕЩЕСТВА

В аморфных веществахатомы и молекулы расположены беспорядочно.В отличие от кристаллических аморфныевещества не имеют строго определеннойтемпературы перехода из твердогосостояния в жидкое.

Этот переходосуществляется в некотором диапазонетемператур.

При понижении температурыу аморфных материалов, находящихся вжидком состоянии, происходит быстроеповышение вязкости, которое затрудняетперемещение молекул, необходимое дляформирования и роста кристаллов.

Свойства аморфныхтел не зависят от выбранного направления,так как аморфные тела изотропны. Например,при охлаждении расплавленного кристаллакварца образуется так называемыйплавленный кварц, свойства которогоодинаковы по всем направлениям и приэтом не отличаются от свойствкристаллического кварца.

Аморфные веществаделятся на две группы:

простыеаморфные, ккоторым относятся низкомолекулярныежидкости, неорганические стекла,плавленный кварц и др.;

высокополимерныесоединения,к которым относятся каучуки, резины,органические стекла, смолы.

АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕВЕЩЕСТВА

Некоторые веществамогут находиться в кристаллическом иаморфном состояниях. Аморфное состояниевещества менее устойчиво, чемкристаллическое, поэтому возможенсамопроизвольный переход вещества изаморфного состояния в кристаллическое.

Примером такого превращения служитрасстекловывание, в процессе которогопроисходит самопроизвольная кристаллизациястекла при повышенных температурах илидавлении.

В связи с образованием мелкихкристалов стекло меняет свои оптическиесвойства и превращается ваморфно-кристаллический материал,называемый ситаллом.

Аморфно-кристаллическоесостояние свойственно оксиду кремния,который встречается в природе в видекристаллов кварца, а также в аморфномсостоянии в виде минерала опал. Вопределенном интервале температур втермодинамически устойчивом состоянии,которое характерно для аморфно-кристаллическихвеществ, находятся жидкие кристаллы.

Источник: https://studfile.net/preview/2601936/

Вещество и его свойства. Атомно-молекулярное учение

Понятие о строении вещества
Химия– наука о веществах, их свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения.Вещества– это то, из чего состоят предметы (физические тела) окружающего мира. Вещества, существующие в природе, постоянно претерпевают различные изменения.

Явления– различные изменения, которые происходят с веществами.Физические явления– явления, не сопровождающиеся превращениями одних веществ, в другие (обычно изменяется агрегатное состояние веществ или их форма).Химические явления– явления, в результате которых из данных веществ образуются другие.

Иначе химические явления называют химическими реакциями.

Каждое вещество обладает строго определёнными свойствами.

Свойства веществ– признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними.

Физические свойства:

m – масса, V – объём, ρ – плотность.

Масса может быть выражена в граммах, объем в миллилитрах (если это жидкость) или литрах (если это газ).

1 мл = 1 см3, 1 л = 1 дм3, 1000 л = 1 м3

Поэтому плотность измеряют в г/мл, г/см3 (если это жидкость), или в г/л, г/дм3 (если это газ).

Если принять V = 1, то плотность – это масса единичного объёма вещества.

Химические свойства– это те химические реакции, в которые вступает данное вещество.

Так же можно сказать, что химические свойства – это те химические реакции, которые характеризуют группу веществ (класс веществ). Например, мы будем в дальнейшем изучать свойства воды, свойства класса оксидов, свойства класса алканов и т.д.

ООсновы атомно – молекулярного учения

Идея о том, что вещества состоят из мельчайших частиц возникла в Древней Греции в философских учениях Левкиппа и его ученика Демокрита. Эти частицы они назвали атомами (неделимые).

Существование атомов было доказано эмпирическим путём в конце 16 – начале 17 века Джоном Дальтоном и М. В. Ломоносовым. Ими же были заложены основы атомно – молекулярного учения.

В настоящее время, в связи с открытием делимости атома и появлением теории химической связи, основные положения атомно – молекулярного учения существенно изменились. Его суть можно свести к ряду важных положений, которые необходимо запомнить.

Все вещества, существующие в природе, представляют собой совокупность очень большого числа частиц (атомов, молекул или ионов). В зависимости от типа частиц все вещества условно подразделяют на две группы: вещества молекулярного строения и вещества немолекулярного строения (атомного или ионного).

Вещества молекулярного строения– вещества, основной структурной единицей которых является молекула.Вещества немолекулярного строения– вещества, основными структурными единицами которых являются атомы или ионы.

Частицы, из которых состоит данное вещество, взаимодействуют между собой посредством электромагнитных (кулоновских) сил и находятся в постоянном движении. Движение частиц ограничено силами взаимодействия между ними.Каждое вещество, в зависимости от условий (температуры, давления) может находиться в определённом агрегатном состоянии.

В твёрдом агрегатном состоянии вещества, составляющие его частицы находятся относительно упорядоченно (кристаллическое состояние), их кинетическая энергия (энергия движения) существенно меньше чем потенциальная (энергия покоя). В газообразном состоянии, частицы свободно движутся в предоставленном им объёме и их кинетическая энергия существенно выше чем потенциальная.

В жидкости же потенциальная энергия частиц примерно равна их кинетической энергии. Это связано с тем, что часть частиц жидкости находится относительно упорядоченно в составе так называемых кластеров(англ. cluster— скопление). Другие же частицы свободно перемещаются по объёму жидкости. Чем ниже температура жидкости, тем больше в ней кластеров и наоборот.

Рис. Кластеры воды, где число молекул 20-220

Следует отметить, что существуют еще два дополнительные “состояния”. Это жидкокристаллическое состояние и состояние плазмы.

Цитоплазматическая мембрана клетки – типичный пример жидкого кристалла. Молекулы фосфолипидов в биологической мембране относительно упорядоченно распределяются в двух слоях, но при этом могут в пределах слоя свободно перемещаться, а также “перескакивать” из одного слоя в другой.

Жидкие кристаллы имеют широкое применение в технике (напр., ЖК-мониторы компьютеров).

Плазма(от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — ионизованный газ.

Плазма в своём составе содержит свободные электроны, катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы).

Так как плазма содержит заряженные частицы, то она проводит электрический ток и на неё можно воздействовать внешним магнитным полем. Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму.

Изучает свойства плазмы наука физика.

Вещество из одного агрегатного состояния может переходить в другие агрегатные состояния при изменении внешних условий – температуры (T) и давления (P). Такие переходы принято называть фазовыми переходами.

Так, при повышении температуры, твердое вещество превращается в жидкость, а жидкость при ещё большей температуре превращается в газ. Дальнейшее повышение температуры переводит газ в плазму. При таких переходах вещество в другие вещества не превращается. Напомним, что такие явления мы называем физическими. Поэтому фазовые переходы – это физические явления.

При понижении температуры происходят обратные фазовые переходы – газ превращается в жидкость, а жидкость переходит в твердое состояние.

Фазовые переходы имеют названия.

Твердое —> Жидкое (плавление, обратный переход – кристаллизация)

Жидкое —> Газообразное (испарение, обратный переход – конденсация)

Газообразное —> Плазма (ионизация, обратный переход – деионизация)

Твердое —> Газообразное (сублимация или возгонка, обратный переход – десублимация)

Вещество– совокупность большого числа частиц, находящаяся в определённом агрегатном состоянии в зависимости от условий (температуры и давления).

Поэтому, например, такая фраза как: “Вода – жидкое вещество”, является некорректной. Если мы говорим об агрегатном состоянии вещества, то следует обязательно уточнить условия в которых находится вещество – температуру и давление. Такая фраза как: “При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, вода – жидкое по агрегатному состоянию вещество”, является правильной.

С точки зрения физики, что более точно, вещество – это форма материи, состоящая из частиц, обладающих массой покоя. Существуют частицы, не обладающие массой покоя, например, фотоны. Материя, состоящая из частиц, не обладающих массой покоя называется поле.

Протоны, нейтроны, электроны – это частицы, обладающие массой покоя, следовательно это частицы вещества. Но химия не изучает вещество, состоящее, к примеру, из электронов (электронный газ), или вещество, состоящее из нейтронов (нейтронный газ). Это удел физики.

Химия изучает вещества, состоящие из атомов, молекул или ионов.

Ввиду этого вещество условно можно подразделить на физическое (электронный газ в проводнике, нейтронный газ и т.д.) и химическое (состоящее из атомов, молекул, ионов, свободных радикалов).

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5d72342f394b2a00afea90b6/5d740cd70a451800aee10cc3

Строение вещества. Диффузия. урок. Физика 7 Класс

Понятие о строении вещества

Все, что нас окружает, состоит из веществ и их смесей. Ваза состоит из стекла, стол состоит из дерева (Рис. 1). Но из чего состоят сами вещества? Например, если мы разобьём вазу, то получим много осколков стекла (Рис. 2). Свойства строения потерялись (ведь если мы соберем осколки, то ваза уже не получится), но материал остался тем же – осколки по-прежнему состоят из стекла.

Рис. 1. Стеклянная ваза

Рис. 2. Осколки стекла

Измельчим осколки – получим еще что-то более мелкое, но это по-прежнему будет стекло (Рис. 3). И возникает вопрос: а до каких пор мы можем так «измельчать» вещество? Есть какой-то предел? Оказывается, такой предел есть. Дойдя до него, мы можем продолжать и дальше, однако уже потеряем свойства вещества.

Самая маленькая частица, обладающая свойствами вещества, – называется молекулой (Рис. 4). Конечно, наука не стоит на месте. И сейчас нам известно, что и молекулы можно разделить на атомы (Рис. 5), а атомы, в свою очередь, можно разделить на протоны (Рис. 6), нейтроны, электроны, и эта цепочка продолжает расти до сих пор.

Но важно то, что, переступив предел, мы уже потеряем свойства вещества.

Рис. 3. Измельченное стекло

Рис. 4. Молекула

Рис. 5. Атом

Рис. 6. Состав атома

Немного о молекулах и атомах

Итак, мельчайшие частицы, из которых состоят различные вещества, мы назвали молекулами и говорили о том, что молекулы можно поделить на атомы. Атомы бывают разных типов, которые называются химическими элементами. В одних случаях, например у паров металлов, инертных газов (Рис. 7), таких как гелий, неон, аргон и т.д.

, молекулы вещества состоят из отдельных атомов. В других случаях мельчайшие частицы вещества состоят из нескольких атомов (Рис. 8): например, у водорода, кислорода и азота – из двух атомов, у воды и углекислого газа – из трех и т.д. Молекулы сложных веществ – не элементов – состоят из атомов элементов, входящих в их состав.

Рис. 7. Инертные газы

Рис. 8. Молекулы, состоящие из нескольких атомов

Интересный пример: и алмаз, и графит (Рис. 9) – это разные формы одного и того же элемента (углерода). И мягкий, крошащийся графит, и очень твердый кристалл, алмаз, состоят из одних и тех же атомов углерода (Рис. 10).

В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу (Рис. 11). Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости.

Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый.

Рис. 9. Алмаз и графит

Рис. 10. Атомы углерода в составе алмаза и графита

Рис. 11. Пространственная структура кристаллических решеток алмаза и графита

Алмазная решетка построена по принципу объемных связей, каждый атом прочно связан с несколькими соседними (Рис. 11). Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом из них окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что все атомы в веществе прочно связаны между собой. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.

Чтобы лучше понять разницу, сравните стопку из листов бумаги и книгу такой же толщины (Рис. 12). Между листами бумаги в стопке связей нет, поэтому она легко рассыпается – взять один лист легко. В книге все листы связаны, поэтому для того чтобы «взять» один лист, надо приложить значительные усилия.

Рис. 12. Листы бумаги и книга

Понятие «молекула» условно (Рис. 13). Это наименьшая частица, которая сохраняет свойства вещества. Но некоторые вещества, например, уже упомянутые инертные газы или большинство металлов, можно разделить до атомов, и мы всё равно точно скажем, что это, например, медь или аргон (Рис. 14). Выходит, один атом в таких веществах можно считать молекулой.

Если же мы возьмём один атом углерода, мы не скажем, это был графит или алмаз. Причем нет четкого ответа, сколько точно должно быть атомов углерода, чтобы стало понятно, что это за вещество, поэтому понятие молекулы для этих веществ четко не определено.

То есть молекула, как и любой другой термин, придуманный человеком, имеет ограничения для своего применения.

Рис. 13. Понятие молекулы

Рис. 14. Частицы аргона и меди

Рис. 15. Атом углерода в структуре алмаза и графита

Древнегреческая теория о строении вещества

Слово «атом» – греческого происхождения, переводится оно как «неделимый». Считается, что идею о том, что материя, кажущаяся непрерывной, на самом деле состоит из огромного количества мельчайших и оттого невидимых частиц, предложил древнегреческий философ Демокрит.

Логика рассуждений Демокрита была достаточно проста. Представим, что у нас есть самый острый нож в мире (Рис. 16). Берем первый попавшийся под руку предмет и разрезаем его пополам, потом получившуюся половинку разрезаем еще пополам, получившуюся четвертинку разрезаем еще пополам и т.д.

Рано или поздно у нас получится настолько мелкая частица материи, что она уже не будет поддаваться дальнейшему делению. Это и будет неделимый атом материи. Конечно, от древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве только название «атом».

Сейчас мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц, которые в свою очередь тоже можно разделить.

Рис. 16. Бесконечно ли можно делить яблоко?

А как оценить размеры молекул? Человеческий глаз – это прибор, у которого есть предел. Как и лупа, бинокль. И размеры молекул настолько малы, что ни глаз, ни бинокль, ни лупа не помогут нам увидеть их по отдельности.

Чтобы представить себе, насколько маленькой является молекула воды (Рис. 17), давайте мысленно увеличим каплю воды до размеров Земли (Рис. 18). Теперь будет возможно разглядеть молекулы, из которых она состоит, – они будут размером с яблоко. И таких молекул в этой капле будет почти четыре секстиллиона.

Это число с 21 нулем после четверки. Это значит, что в одной такой капле воды столько же молекул, сколько капель воды в Черном море (Рис. 19). Но, кроме самих молекул в капле воды, между ними много пустого места, свободного пространства.

Мы привыкли, что пустота ассоциируется с воздухом: вот пустая коробка, ведь она заполнена только воздухом (Рис. 20). А пространство между молекулами разве может быть заполнено воздухом? Нет. Воздух – это не что иное, как вещество, смесь разных газов, а значит, молекул, между которыми так же пусто (Рис. 21).

Трудно поверить, но пространство между молекулами – это действительно пустота. Там нет ничего.

Рис. 17. Молекулы воды

Рис. 18. Размер молекулы воды

Рис. 19. Сравнения количества молекул в капли воды с количеством капель воды

в море

Рис. 20. Пустая коробка

Рис. 21. Молекулы газов в составе воздуха

Состав воздуха

Воздух – это естественная смесь газов (Рис. 22). Каждый из компонентов имеет свое значение. Всем известно, что мы дышим кислородом. Отсюда ошибочное предположение, что его в составе воздуха больше всего. На самом же деле около 78% воздуха составляет азот, чуть больше 20% кислород, и еще около 2 процента приходится на другие газы, в частности, углекислый газ (который мы выдыхаем).

Рис. 22. Состав воздуха

Если бы в воздухе был только кислород, мы бы погибли: в чистом виде кислород – взрывоопасный газ (Рис. 23). В частности, горение – это соединение с кислородом, поэтому при пожаре нельзя открывать окна (кроме экстренных случаев эвакуации), так как приток воздуха и, как следствие, кислорода лишь усиливает горение.

Рис. 23. Процесс горения

Азот () – является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота. Биологическая роль азота заключается главным образом в том, что он является разбавителем кислорода, поскольку в чистом кислороде жизнь невозможна. Но при чрезмерном увеличении количества азота может наступить смерть.

С другой стороны, это и хорошо, ведь в азоте тогда можно хранить продукты (бактерии не выживают).

Пустота в веществе

Эрнест Резерфорд исследовал строение вещества (Рис. 24). Он наблюдал, как ведут себя частицы при прохождении через сплошное однородное вещество.

Установка представляла из себя следующее: экран, окружающий тонкую пластинку золотой фольги и источник излучения частиц, много меньших, чем атомы золота (Рис. 25). С помощью этой установки можно было определить, что случилось с частицами по «следам» на экране (Рис. 26).

Эксперимент показал, что некоторые частицы отклоняются и отталкиваются от фольги.

Но большинство частиц проходит сквозь слой металла, вообще не меняя своего направления! Без дополнительных исследований трудно сказать, пролетают частицы между атомами или сквозь пустое пространство внутри атомов. Но в любом случае, поскольку большинство частиц пролетает сквозь вещество беспрепятственно, значит, в веществе значительная часть пространства пуста.

Рис. 24. Эрнест Резерфорд

Рис. 25. Установка для опыта Резерфорда

Рис. 26. Прохождение частиц сквозь фольгу

Как мы уже говорили, глаз человека не способен разглядеть молекулы и промежутки между ними. Поэтому любое вещество кажется нам сплошным. Однако мы сами можем наглядно показать, что эта пустота есть. Возьмем воздушный шарик (Рис. 27). В нем ограниченное количество воздуха, а значит, хоть и огромное, но ограниченное количество молекул.

Теперь сдавим его в руках. Он стал меньше, это видно, однако воздух из него ведь никуда не делся. Ну, конечно, если он не лопнул в процессе. Получается, что и количество молекул в нем осталось тем же.

Между ними уже изначально была пустота, поэтому практически ничего не мешало тому, чтобы расстояние между ними уменьшилось и объём шарика стал меньше. А теперь возьмем кусок камня или кирпич и попытаемся так же его сжать (Рис. 28). У нас это вряд ли получится.

А вот если взять и растянуть, например, резинку, то это получается достаточно легко (Рис. 29). Ну а если взять, например, железное кольцо (Рис. 30) и попытаться растянуть – тут нас ждет неудача, вряд ли у кого получится сделать это руками.

Рис. 27. Воздушный шар

Рис. 28. Камень

Рис. 29.  Растягивание резинки

Рис. 30. Железное кольцо

Почему же у разных веществ такие разные свойства? Здесь как раз роль играет расстояние и взаимодействие между молекулами. Дело в том, что во всех веществах молекулы непрерывно движутся, взаимодействуют друг с другом, притягиваются и отталкиваются одна от другой.

Это как наблюдать за жизнью где-то в мегаполисе с вертолета (Рис. 31). В твёрдых телах движение молекул почти незаметное. Свободного места мало, а притяжение между ними сильное. В жидких веществах расстояние между молекулами больше, а притяжение меньше.

Такие вещества легко перелить из одной посудины в другую.

Рис. 31. Мегаполис

В газообразных веществах расстояние между молекулами в тысячи раз больше. На таких расстояниях притяжение очень слабое. Поэтому ничто не мешает молекулам быстро двигаться. Вот газы и заполняют все возможное пространство.

Представим: сейчас сидя перед компьютером в своей комнате, вы вдруг понимаете, что на кухне мама готовит вашу любимую жареную картошку (Рис. 32). Интуиция? Или мама днем предупредила о заманчивом обеде? Нет, всё намного проще, вы почувствовали запах.

Как это произошло? Обед, который заботливо готовит ваша мама, состоит из огромного количества разных молекул. Эти молекулы довольно беспокойные, они постоянно движутся и сталкиваются друг с другом. Картошка, специи, масло… При сильном нагревании некоторые молекулы из этого множества испарились, отделились от остального вещества.

Они затерялись среди молекул воздуха и теперь перемещаются по квартире. И какие-то из этих молекул, попав на рецепторы у нас в носу, вызывают чувство запаха. Но ведь они испарились на кухне, а запах вы почувствовали в комнате. Как так? Это явление – пример так называемой диффузии.

Это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. В нашем случае молекулы, вызывающие запах, смешались с молекулами воздуха, пролетая в свободном пространстве между ними. Таким образом, постоянно перемещаясь, эти молекулы добрались до комнаты.

Конечно, в распространении запаха большую роль играют потоки воздуха, это другое явление (оно называется конвекция), но сейчас речь не о ней. Кстати, диффузия происходит не только в газах, но и в жидкости, и в твердых телах, только медленнее.

Рис. 32. Иллюстрация к примеру о жареной картошке

Молекулы любого вещества постоянно и хаотично движутся. Например, в куске льда молекулы дрожат и подпрыгивают, тесно прижавшись друг к другу (Рис. 33). Это похоже на пассажиров, держащихся друг за друга в тесном утреннем автобусе. Диффузия здесь протекает медленнее всего.

А, например, в котелке с водой молекулы движутся намного свободнее (Рис. 34). Это как если бы час пик прошел, и появилось много свободного места, поэтому пассажиры разошлись друг от друга. А в водяном паре молекулы движутся на огромном расстоянии друг от друга (Рис. 35). Получается, что диффузия быстрее всего протекает в газах.

Медленнее – в жидкости. И очень медленно – в твердых телах.

Рис. 33. Движение молекул льда

Рис. 34. Движение молекул жидкости

Рис. 35. Движение молекул газа

Теперь давайте вспомним утро. Тяжело вставать в такую рань, особенно с мыслями о предстоящей учебе. Радует то, что можно сделать себе вкусный ароматный кофе. Правда, для этого приходится ждать, пока вода в чайнике закипит (Рис. 36). А потом, как ни забавно, приходится ждать, пока кофе остынет.

Мы знаем, что температура кипения воды 100 градусов. И так же мы знаем, что пить слишком горячие напитки опасно и вредно. Но зачем же тогда ждать кипения? Все дело в том, что температура играет важную роль в диффузии. Чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы, перемешиваясь между собой (Рис. 37).

Если бросить в кипяток ложку кофе и сахара, то достаточно пары движений – и напиток готов. Но если вы попытаетесь приготовить напиток с остывшей водой, то тогда растворимый кофе может склеиться комочками, а сахар вообще остаться на дне (Рис. 38).

Тогда придется ускорить процесс диффузии с помощью помешивания напитка, что тоже займет определенное время.

Рис. 36. Кипение воды

Рис. 37. «Промешивание» молекул в кипятке

Рис. 38. «Промешивание» молекул в остывшей воде

Тот факт, что вещества состоят из молекул, позволяет объяснить очень многие явления, такие как диффузия, которую мы обсудили, выпадение осадков. Также это используется и в технике: холодная сварка, тепловой двигатель и т.д. Всё это нам предстоит изучить в старших классах.

Домашнее задание

  1. Что такое диффузия? Приведите несколько примеров
  2. От чего зависит скорость диффузии? Приведите пример
  3. Продолжите предложение. Самая маленькая частица, обладающая свойствами вещества, – это…
  4. Кто из физиков (назовите имя и фамилию) исследовал строение вещества, наблюдая, как ведут себя частицы при прохождении через сплошное однородное вещество?

Список рекомендованной литературы

  1. Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика. Учеб. для 7 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1989.
  2. Громов С.В., Родина Н.А. Физика. М.: Просвещение, 2002.
  3. Перышкин А.В. Физика 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2006.

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/7-klass/pervonachalnye-svedeniya-o-stroenii-vewestva/stroenie-veschestva-diffuziya

Vse-referaty
Добавить комментарий