Три состояния вещества: молекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов. Строение газообразных, жидких и твердых тел — Гипермаркет знаний
1. Существует множество явлений природы, которые можно понять, лишь зная строение вещества. К таким явлениям относятся, например, процессы нагревания и охлаждения тел, превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое и газообразное, образования тумана и др.
Вопрос о том, какое строение имеют вещества, занимал людей ещё в древности. Так, в V в. до н.э. древнегреческий мыслитель Демокрит высказал мысль о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, невидимых глазом. Он считал, что существует предел деления вещества. Эту последнюю неделимую частичку, сохраняющую свойства вещества, он назвал «атомом». Демокрит также полагал, что атомы непрерывно движутся и что вещества различаются числом атомов, их размерами, формой, порядком расположения.
Догадка древних мыслителей не сразу превратилась в научную идею. У неё было много противников: Аристотель, в частности, считал, что тело можно делить до бесконечности. Справедливость той или иной гипотезы мог подтвердить только опыт; осуществить же его в то время было невозможно. Поэтому идеи Демокрита были на какое-то время забыты. К ним вернулись в эпоху Возрождения. В XVII-XVIII вв. были изучены свойства газов, а затем в XIX в. построена теория строения вещества в газообразном состоянии. Большой вклад в развитие теории строения вещества внёс русский учёный М.В. Ломоносов (1711 -1765 г.г.), который считал, что вещество состоит из атомов, и, используя эти представления, сумел объяснить такие явления, как испарение, теплопроводность и др.
2. В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения.
Положение 1. Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки. Такими частицами могут быть молекулы, атомы, ионы.
Доказательством этого положения служат факты, установленные в ходе наблюдений и экспериментов. К таким фактам относятся сжимаемость тел, растворимость веществ в воде и др. Так, если растворить немного краски в воде, то вода окрасится. Если каплю этой воды поместить в другой стакан с чистой водой, то эта вода также окрасится, только цвет её будет менее насыщенным. Можно повторить эту операцию ещё несколько раз. В каждом случае раствор будет окрашен, только более слабо, чем в предыдущем. Это значит, что капля краски делится на частицы. Приведённые факты и описанный опыт позволяют сделать вывод о том, что тела не сплошные, они состоят из маленьких частиц.
О том, что тела не сплошные, а между частицами, из которых они состоят, существуют промежутки, свидетельствует то, что газ в цилиндре можно сжать поршнем, можно сжать воздух в воздушном шаре, ластик или кусок резины, тела сжимаются при охлаждении и расширяются при нагревании. Так, ненагретый шарик свободно проходит через кольцо, диаметр которого чуть больше диаметра шарика. Если шарик нагреть в пламени спиртовки, то он в кольцо не пройдет.
3. Из опытов, которые были рассмотрены выше, следует, что вещество можно разделить на отдельные частицы, сохраняющие его свойства. Однако существует определённый предел деления вещества, т.е. существует самая маленькая частица вещества, которая сохраняет его свойства. Меньшей частицы, которая сохраняет свойства данного вещества, просто не существует.
Наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства, называется молекулой.
Слова «химические свойства» означают следующее. Поваренная соль - это вещество, представляющее собой соединение натрия и хлора (NaCl). Это соединение имеет определённые химические свойства, в частности, оно может вступать в реакцию с каким-либо другим веществом. При этом и кристалл соли, и молекула этого химического соединения будут вести себя в реакции одинаково. В этом смысле и говорят, что молекула сохраняет химические свойства данного вещества.
4. Опыты, которые были описаны, говорят о том, что молекулы имеют маленькие размеры. Увидеть их невооруженным глазом невозможно. Диаметр крупных молекул примерно 10 -8 см.
Поскольку молекулы так малы, то в телах их содержится очень много. Так, в 1 см 3 воздуха содержится 27·10 18 молекул.
Масса молекул, так же как и её размеры, очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна 3,3·10 -24 г или 3,3·10 -27 кг, а масса одной молекулы воды - 3·10 -26 кг. Масса молекул одного и того же вещества одинакова. В настоящее время масса и размеры молекул различных веществ определены достаточно точно.
5. Молекулы состоят из ещё более мелких частиц, которые называются атомами . Например, молекулу воды можно разделить на водород и кислород. Однако водород и кислород уже другие вещества, и они обладают свойствами, отличными от свойств воды. Разложить молекулу воды на такие вещества можно в процессе химической реакции.
Атом - наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли - из одного атома натрия и одного атома хлора. Молекула сахара более сложная: она состоит из б атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода, а молекула белков состоит из тысячи атомов.
Существуют вещества, молекулы которых содержат однородные атомы. Например, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода - из двух атомов кислорода.
В природе есть вещества, которые состоят не из молекул, а из атомов. Их называют простыми. Примерами таких веществ могут служить алюминий, железо, ртуть, олово и др.
Любое вещество, независимо от того, как оно получено, содержит одни и те же атомы. Например, молекула воды, полученная при таянии льда, или из сока ягод, или налитая из-под крана, содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекула кислорода, извлечённая из атмосферного воздуха или полученная в ходе какой-либо химической реакции, содержит два атома кислорода.
6. Положение 2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении . Поскольку молекулы малы, то непосредственно наблюдать и доказать их движение невозможно. Однако целый ряд экспериментальных фактов и наблюдаемых явлений является следствием движения молекул. К ним относятся прежде всего броуновское движение и диффузия.
7. Положение 3. Молекулы взаимодействуют между собой, между ними действуют силы и притяжения и отталкивания.
Наблюдения показывают, что тела не распадаются на отдельные молекулы. Твёрдые тела, например деревянную палку, металлический стержень, трудно растянуть или сломать. Их также трудно и сжать. Нелегко сжать и жидкость в сосуде. Газы сжать легче, но всё равно нужно приложить для этого некоторое усилие.
Если тела не распадаются на молекулы, то очевидно, что молекулы притягиваются друг к другу . Взаимное притяжение удерживает молекулы друг около друга.
Если взять два свинцовых цилиндра и прижать их друг к другу, а затем отпустить, то они разъединятся. Если поверхности цилиндров зачистить и вновь прижать их друг к другу, то цилиндры «слипнутся». Они не разъединятся даже в том случае, если к нижнему цилиндру подвесить груз массой несколько килограммов. Этот результат можно объяснить так: цилиндры удерживаются вместе, поскольку между молекулами действуют силы притяжения.
До того, как цилиндры зачистили, они разъединялись, поскольку поверхности цилиндров имели неровности, которые были устранены при зачистке. Поверхности стали гладкими, и это привело к уменьшению расстояний между молекулами, находящимися на поверхностях цилиндров, когда их прижали друг к другу. Следовательно, силы притяжения между молекулами действуют на малых расстояниях . Эти расстояния равны примерно размерам молекулы. Именно поэтому нельзя разбив чашку и соединив осколки, получить целую чашку. Нельзя, разломив палку на две части и соединив их, получить целую палку.
Наряду с силами притяжения, между молекулами действуют силы отталкивания, которые препятствуют сближению молекул. Это объясняет то, что тела трудно сжать, сжатая пружина принимает первоначальную форму после прекращения действия на неё внешней силы. Это происходит потому, что при сжатии молекулы сближаются и силы отталкивания, действующие между ними, возрастают. Они и приводят пружину в первоначальное состояние.
При растяжении тела сила отталкивания уменьшается в большей степени, чем сила притяжения. При сжатии тела сила отталкивания увеличивается в большей степени, чем сила притяжения.
8. Вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Свойства тел в разных агрегатных состояниях различны.
Так, твёрдое тело имеет определённую форму и определённый объём. Его трудно сжать или растянуть; если его сжать, а потом отпустить, то оно, как правило, восстанавливает свою форму и объём. Исключение составляют некоторые вещества, твёрдое состояние которых близко по своим свойствам к жидкостям (пластилин, воск, вар).
Жидкость принимает форму сосуда, в который она налита. Это говорит о том, что жидкость в условиях Земли не имеет своей формы. Только очень маленькие капли жидкости имеют свою форму - форму шара.
Объём жидкости изменить чрезвычайно трудно. Так, если набрать воду в насос, закрыть отверстие внизу и попытаться сжать воду, вряд ли это удастся. Это означает, что жидкость имеет собственный объём.
В отличие от жидкости объём газа изменить довольно легко. Это можно сделать, сжав руками мяч или воздушный шарик. Газ не имеет собственного объёма, он занимает полностью объём сосуда, в котором находится. То же можно сказать и о форме газа.
Таким образом, твёрдые тела имеют собственные форму и объём, жидкости имеют собственный объём, но не имеют собственной формы, газы не имеют ни собственного объёма, ни собственной формы . Твёрдые тела и жидкости трудно сжать, газы легко сжимаемы.
Объяснить эти свойства тел можно, используя знания о строении вещества.
Поскольку газы занимают весь предоставленный им объём, то очевидно, что силы притяжения между молекулами газа малы. А это значит, что молекулы находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. В среднем они в десятки раз больше расстояний между молекулами жидкости. Это подтверждается тем, что газы легко сжимаемы.
Малые силы притяжения влияют и на характер движения молекул газа. Молекула газа движется прямолинейно до столкновения с другой молекулой, в результате чего меняет направление своего движения и движется прямолинейно до следующего столкновения.
Твёрдые тела трудно сжать. Это связано с тем, что молекулы находятся близко друг от друга и при небольшом изменении расстояния между ними резко возрастают силы отталкивания. Сравнительно большое притяжение между молекулами твёрдых тел приводит к тому, что они сохраняют форму и объём.
Атомы или молекулы большинства твёрдых тел расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решетку . На рисунке 63 изображена кристаллическая решётка поваренной соли. В узлах кристаллической решётки находятся атомы натрия (Na) и хлора (Cl). Частицы твёрдого тела (атомы или молекулы) совершают колебательное движение относительно узла кристаллической решётки.
В жидкостях молекулы расположены также довольно близко друг к другу. Поэтому их трудно сжать, и они имеют свой объём. Однако силы притяжения между молекулами жидкости не настолько велики, чтобы жидкость сохраняла свою форму.
Характер движения молекул жидкости очень сложен. Они располагаются не так упорядоченно, как молекулы твёрдых тел, но в большем порядке, чем молекулы газов. Молекулы жидкости совершают колебательное движение относительно положений равновесия, однако с течением времени эти положения равновесия смещаются.
На рисунке 64 показано расположение молекул воды в разных агрегатных состояниях: в твёрдом (в), жидком (б), газообразном (а).
Часть 1
1. Молекула - это
1) мельчайшая частица вещества
2) частица вещества, сохраняющая его химические свойства
3) мельчайшая частица вещества, сохраняющая все его свойства
4) мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства
2. О том, что между частицами вещества существуют промежутки, свидетельствуют:
А. Сжимаемость газов
Б. Разделение вещества на части
Правильный ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
3. При нагревании столбика воды в чайнике
1) уменьшается среднее расстояние между молекулами воды
2) увеличивается среднее расстояние между молекулами воды
3) увеличивается объём молекул воды
4) уменьшается объём молекул воды
4. При растяжении медной проволоки между молекулами
1) действуют только силы притяжения
2) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы притяжения больше сил отталкивания
3) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы отталкивания больше сил притяжения
4) действуют только силы отталкивания
5. Твёрдое упругое тело сжали, поставив на него груз. Как изменились силы взаимодействия между молекулами вещества этого тела?
1) увеличились только силы притяжения
2) увеличились только силы отталкивания
3) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы притяжения стали больше, чем силы отталкивания
4) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы отталкивания стали больше, чем силы притяжения
6. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет собственной формы, но имеет собственный объём?
1) только в жидком
2) только в газообразном
3) в жидком или газообразном
4) только в твёрдом
7. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет ни собственной формы, ни собственного объёма?
1) только в жидком
2) только в газообразном
3) в жидком или газообразном
4) только в твёрдом
8. Наименьшая упорядоченность в расположении частиц характерна для
1) газов
2) жидкостей
3) кристаллических тел
4) аморфных тел
9. В процессе перехода воды из жидкого состояния в кристаллическое
1) увеличивается расстояние между молекулами
2) молекулы начинают притягиваться друг к другу
3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул
4) уменьшается расстояние между молекулами
10. При превращении леденца из аморфного состояния в кристаллическое на его поверхности образуются кристаллики сахара. При этом
1) существенно увеличиваютcя расстояния между молекулами сахара
2) молекулы сахара перестают хаотически двигаться
3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул сахара
4) существенно уменьшаются расстояния между молекулами сахара
11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Молекула - мельчайшая частица вещества.
2) Передача давления жидкостью и газом обусловлена подвижностью их молекул.
3) В не деформированном теле силы притяжения между молекулами равны силам отталкивания.
4) На малых расстояниях между молекулами действуют только силы отталкивания.
5) Взаимодействие между молекулами имеет гравитационную природу.
12. Из приведённых утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Вода при переливании из одного сосуда в другой принимает форму сосуда.
2) Диффузия в жидкостях происходит быстрее, чем в газах.
3) Молекулы вещества находятся в непрерывном направленном движении.
4) При данной температуре все молекулы движутся с одинаковыми скоростями.
5) Вода растекается по деревянному столу, так как силы взаимодействия между молекулами воды меньше, чем силы взаимодействия между молекулами воды и дерева.
Ответы
Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.
Свойства жидкостей.
Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.
Поверхность жидкости, не соприкасающаяся со стенками сосуда, называется свободной повер-хностью . Она образуется в результате действия силы тяжести на молекулы жидкости.
Строение жидкостей.
Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молеку-лами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Объяснение поведения жидкостей на основе характера молекулярного движения жидкости было дано советским ученым Я. И. Френкелем. Оно заклю-чается в следующем. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. вре-мя колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10 -11 с. Время одного колебания значительно меньше — 10 -12 - 10 -13 .
Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объ-ясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.
Все предметы и вещи, которые окружают нас каждый день, состоят из различных веществ. При этом мы привыкли считать предметами и вещами только что-то твердое - например, стол, стул, чашку, ручку, книгу и так далее.
Три состояния вещества
А воду из-под крана или пар, идущий от горячего чая, мы за предметы и вещи как бы не считаем. Но ведь всё это также является частью физического мира, просто жидкости и газы находятся в другом состоянии вещества. Итак, существует три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. И любое вещество может находиться в каждом из этих состояний по очереди. Если мы достанем куб льда из морозильника и будем его нагревать, то он растает и превратится в воду. Если же мы оставим конфорку включенной, то вода нагреется до 100 градусов по Цельсию и вскоре превратится в пар. Таким образом, одно и то же вещество, то есть один и тот же набор молекул, мы по очереди наблюдали в разных состояниях вещества. Но если молекулы остаются одни и те же, что же тогда меняется? Почему лед - твердый и сохраняет свою форму, вода - легко принимает форму чашки, а пар - и вовсе разлетается в разные стороны? Всё дело в молекулярном строении.
Молекулярное строение твердых тел таково, что молекулы расположены друг к другу очень близко (расстояние между молекулами намного меньше размеров самих молекул), а сдвинуть с места молекулы при таком расположении очень трудно. Поэтому твердые тела сохраняют объем и держат форму. Молекулярное строение жидкости характеризуется тем, что расстояние между молекулами приблизительно равно размеру самих молекул, то есть молекулы расположены уже не так близко, как в твердых телах. А значит, их легче двигать друг относительно друга (поэтому жидкости так легко принимают другую форму), но сила притяжения молекул все еще достаточна, чтобы молекулы не разлетались и сохраняли объем. А вот молекулярное строение газа , напротив, не позволяет газу ни держать объем, ни сохранять форму. Причина в том, что расстояние между молекулами газа намного больше размеров самих молекул, и даже малейшие силы способный разрушить эту шаткую систему.
Причина перехода вещества в другое состояние
Теперь выясним в чем же причина перехода вещества из одного состояния в другое. Например, почему лед при нагревании становится водой. Ответ прост: тепловая энергия конфорки переходит во внутреннюю энергию молекул льда. Получив эту энергию, молекулы льда начинают колебаться все быстрее и быстрее и, в конце концов, выходят из подчинения соседних молекул. Если мы выключим нагревательный прибор, то вода так и останется водой, если же оставим включенным, то вода превратится в пар по уже известной там причине.
Из-за того, что твердые тела сохраняют объем и форму, именно они у нас ассоциируются с окружающим миром. Но если мы посмотрим внимательно, то обнаружим, что газы и жидкости также занимают важную часть физического мира. Например, окружающий нас воздух состоит из смеси газов, главный из которых, азот, тоже может быть жидкостью - но для этого его надо охладить до температуры почти минус 200 градусов по Цельсию. А вот главный элемент обычной лапочки - вольфрамовую нить - можно расплавить, то есть превратить в жидкость, наоборот только при температуре 3422 градусов по Цельсию.
1. Модель строения жидкостей. Насыщенные и ненасыщенные пары; зависимость давления насыщенного пара от температуры; кипение. Влажность воздуха; точка росы, гигрометр, психрометр.
Испарение - парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. При тепловом движении при любой температуре кинетическая энергия молекул жидкости не значительно превышает потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости.
Конденсация
- процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие
между процессами испарения и конденсации вещества.
Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром . (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.
Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью . Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р).
Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е.
Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40-60%.
Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения.
Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.
Модели строения газов, жидкостей и твёрдых тел
Все вещества могут существовать в трёхагрегатных состояниях .
Газ – агрегатное состояние, в котором вещество не имеет определённого объёма и формы. В газах частицы вещества удалены на расстояния, значительно превышающие размер частицы. Силы притяжения между частицами малы и не могут удерживать их друг возле друга. Потенциальная энергия взаимодействия частиц считается равной нулю, то есть она много меньше кинетической энергии движения частиц. Частицы хаотично разлетаются, занимая весь объём сосуда, в котором находится газ. Траектории частиц газа представляют собой ломаные линии (от одного удара до другого частица движется равномерно и прямолинейно). Газы легко сжимаются.
Жидкость – агрегатное состояние, в котором вещество имеет определённый объём, но не сохраняет своей формы. В жидкостях расстояния между частицами сравнимы с размерами частиц, поэтому силы взаимодействия частиц в жидкостях велики. Потенциальная энергия взаимодействия частиц сравнима с их кинетической энергией. Но этого не достаточно для упорядоченного расположения частиц. В жидкостях наблюдается лишь взаимная ориентация соседних частиц. Частицы жидкостей совершают хаотические колебания около некоторых положений равновесия и через некоторое время меняются местами с соседями. Эти скачки объясняют текучесть жидкостей.
Твёрдое тело – агрегатное состояние, в котором вещество имеет определённый объём и сохраняет свою форму. В твёрдых телах расстояния между частицами сравнимы с размерами частиц, но меньше, чем у жидкостей, поэтому силы взаимодействия частиц огромны, что и позволяет веществу сохранять форму. Потенциальная энергия взаимодействия частиц больше их кинетической энергией, поэтому в твёрдых телах наблюдается упорядоченное расположение частиц, называемое кристаллической решёткой. Частицы твёрдых тел совершают хаотические колебания около положения равновесия (узла кристаллической решётки) и очень редко меняются местами с соседями. Кристаллы обладают характерным свойством – анизотропией – зависимостью физических свойств от выбора направления в кристалле.
