Г лава 2. Строение вещества

§ 12. Атомы и молекулы

Человечество издавна интересовалось тайной строение вещества. Любознательность человека постоянно толкала его на решение многих проблем, в том числе и решение задачи о том, как устроено вещество. Методом проб и ошибок человек продвигается вперед в этом направлении. Решение задачи об устройстве вещества не только утоляло любопытство человека, но и помогало решать многие практические задачи. Так, для построения зданий, кораблей, создание скульптур, гончарных и медных изделий человеку были необходимы материалы, обладающие определенными свойствами. Одни из них должны были быть прочными и легкими, а другие пористыми и плохо проводящими тепло, третьи должны были быть прозрачными, четвертые упругими, пятые не должны были пропускать воду или свет и т.д.

Зная внутреннее строение веществ, можно не только судить об их свойствах и возможном применении, но и создавать новые материалы, обладающие строго определенными свойства, например, жароустойчивые материалы, пластмассы, стекла, пропускающие свет только в одном направлении и т.д.

Сведения о разного рода материалах: углеродистая нить прочная, керамика в ДВС, вещества, пропускающие через себя только определенные молекулы (нанотехнологии) и т.д.

Одним из первых, кто выдвинул гипотезу о строении вещества, был древнегреческий мыслитель Демокрит. Он размышлял следующим образом: если разорвать лист дерева пополам, то у обеих половинок останутся свойства первоначального листка. Разделив пополам одну из половинок, мы получим две четвертинки со свойствами начального листка. А до каких пор можно делить листок?

Демокрит жил в древней Греции в 460 – 370 годы до н.э. Демокрит был родом из фракийского города Абдера. Он любил путешествовать, философствовать. Им написано около 70 сочинений, но ни одно из них не дошло до наших дней. Демокрит не признавал существование нематериальных объектов. По Демокриту даже душа состоит из атомов.

Рис.2.1

Демокрит выдвинул гипотезу о том, что вещество можно делить не до бесконечности, а до мельчайших частиц, которые несут свойства этого вещества. Он назвал их атомами. По-гречески «атом» означает «неделимый». Так появилась гипотеза об атомарном строении веществ:

все вещества состоят из атомов, которые необнаружимы из-за своей малости.

Приводим некоторые высказывания Демокрита:

1. Из ничего ничего не бывает: ничто из того, что есть, не может быть уничтожено.

2. Всякое изменение есть только соединение и разделение частей.

3. Ничего не существует кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение.

4. Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по форме.

5. Бесконечные миры возникают и снова исчезают друг возле друга и друг после друга.

6. Различие всех предметов зависит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке;

7. Атомы не имеют внутреннего строения, качественного различия атомов не существует.

Там же, в древней Греции, была высказана гипотеза о том, что атомы в веществе движутся.

Гипотеза Демокрита об атомах так и осталась гипотезой, так как не получила опытного подтверждения в то время. Верность предположения Демокрита о строении вещества было экспериментально доказано только в начале 20 века.

В 1026 году во Франции высшим судом атомистическое учение было запрещено, как противоречащее религиозному учению. Это, естественно, затормозило изучение строения тел.

Только в 18 веке французский физик Гассенди возродил атомистику. Именно в его трудах впервые появилось слово молекула (от латинского слова «молес» - маленькая масса).

На качественно более высоком уровне учение о строении вещества было продолжено великим русским ученым М.В. Ломоносовым, который опытным путем доказал, что любое тело состоит из микрочастиц. По Ломоносову микрочастицы в теле непрерывно и хаотично движутся и взаимодействуют друг с другом. Это было подтверждено экспериментами и наблюдениями. Со времен Ломоносова мельчайшую частицу вещества стали называть молекулой.

называть молекулой.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711 – 1765 гг) – выдающийся русский ученый. Его работы посвящены физике, химии, астрономии, горному делу, металлургии и др. Экспериментально доказал закон сохранения количества вещества. Представлял природу как единое целое, где все взаимосвязано. Основоположник молекулярно-кинетической теории строения вещества. Теплоту связывал с движением молекул в теле. Много работ по оптике. Сконструировал телескоп-рефрактор, при помощи которого открыл атмосферу на Венере. Исследовал электрические явления, в том числе и атмосферное.

Рис.2.2

Приведем примеры, которые доказывают, что вещества не сплошные, а состоят из молекул, между которыми есть промежутки.

1. Делимость вещества. При делении вещества размеры тела уменьшаются, а его физические и химические свойства не изменяются. Значит, действительно все тела состоят из частиц, несущих на себе его свойства.

2. Свойство газа занимать весь предоставленный ему объем. Это говорит о том, что между атомами и молекулами есть промежутки. При сжатии они уменьшаются, при расширении газа они увеличиваются.

3. Если в чугунный цилиндр поместить масло и сжимать его под большим давлением, то масло будет постепенно вытекать из цилиндра. Это объясняется тем, что молекулы чугуна расположены не вплотную и между ними есть пустое пространство. Молекулы же масла «протискиваются» между молекулами чугуна, выходя наружу.

4. Испарение и кипение жидкостей доказывает, что атомы и молекулы вылетают из жидкости по отдельности, т.е. тело не сплошное.

Следовательно, все тела состоят из атомов, которые могут объединяться друг с другом, образуя молекулы. Именно разнообразием соединений атомов объясняется разнообразие веществ в природе. Исходя из этого, мы можем сказать, что любое вещество может состоять как из атомов, так и из их соединений. Различные соединения атомов друг с другом образуют различные молекулы.

Молекулой называют мельчайшую частицу вещества, которая несет на себе его свойства.

Для того, чтобы понять что из себя представляет молекула, проведем следующие мысленные эксперименты.

Пусть в нашем распоряжении имеются три сосуда с различными газами: кислородом, водяным паром и парами спирта и один пустой сосуд. Газы состоят из молекул. Молекулы кислорода одинаковы, но отличаются от молекул водяного пара и молекул спирта, как по форме, так и по массе. Если бы мы смогли выделить одну молекулу каждого газа и рассмотреть их под большим увеличением, то увидели бы их различие (см. рис. 2.3).

1 - азот, 2 - кислород, 3 - аргон, 4 - углекислый газ, 5 - вода, 6 - озон (образуется из кислорода при грозовых разрядах), 7 - терпинеол (выделяется хвойными деревьями).

Рис. 2.3

Молекулы разных веществ различны, следовательно, различны и свойства веществ, которые они образуют. Если же собрать вместе большое число молекул одного газа (например, спирта) в пустой сосуд, то в нем мы обнаружим именно этот газ (в данном случае пары спирта), а не какой-то другой газ.

Теперь возьмем три сосуда с различными жидкостями: водой, спиртом и бензином и один пустой сосуд. Выделив из каждой жидкости отдельную молекулу, мы обнаружим, что молекулы воды и водяного пара абсолютно одинаковы, так же как одинаковы и молекулы спирта и паров спирта. Зато молекулы бензина сильно отличаются как от молекул кислорода, так и от молекул воды и спирта (рис.2.4).

Молекулы спирта и бензина

Рис. 2.4 (фото молекул этих жидкостей)

Если собрать большое количество молекул воды, взятых из различных водоемов и поместить их в наш пустой сосуд, то в нем мы обнаружим воду в том количестве, которое будет определяться количеством молекул, собранных нами.

Если взять три различных твердых тела: кусок льда, кусок поваренной соли и кусок золота. Если бы мы смогли выделить отдельные молекулы изо льда, поваренной соли и золота, то мы снова обнаружили бы их отличие друг от друга (рис.2.5 стр.70(золото) и стр.75 (соль) большая книга.).

Рис. 2.5 (фото молекул этих тел)

Молекулы льда такие же, как и молекулы водяного пара и молекулы воды.

Эти мысленные эксперименты говорят о том, что молекула является мельчайшей частицей вещества, переносящей его свойства.

В ходе проведенных мысленных экспериментов мы обнаружили, что молекулы водяного пара, воды и льда абсолютно одинаковы. То есть это одно и то же вещество. Но находится оно в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.

Если провести такие же исследования с другими веществами, то можно сделать аналогичные выводы. Следовательно, любые вещества в природе могут находиться в трех агрегатных состояниях. Структура их молекул при этом не изменяется, но какие-то изменения в веществе все-таки происходят потому, что свойства газов, жидкостей и твердых тел различны.

Современные технологии позволяют с помощью особых приборов (электронный микроскоп, ионный проектор, туннельный микроскоп) получить фотографии крупных молекул. Изучая эти фотографии (см. рис.2.3,рис. 2.4, рис. 2.5) можно увидеть, что молекулы состоят из более мелких частиц. Ученые смогли расщепить молекулы воды на частицы, из которых они состоят. В результате этого появились два газа: кислород и водород (см.рис.2.6).

Рис.2.6 (фото молекул кислорода и водорода)

Обращаем ваше внимание на то, что и в молекуле кислорода и в молекуле водорода и в молекуле воды имеются более мелкие частицы. Эти частицы назвали атомами потому, что считали, что в отличие от молекул их разделить нельзя. Атомы несут на себе информацию не о веществе, а о химическом элементе.

Химическими элементами назвали те вещества, которые состоят из атомов одного сорта.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга массой и размерами. Размеры и масса молекул очень малы.

Если молекулу воды увеличить в миллион раз (10⁶), то она будет иметь размер в половину точки печатного шрифта этого учебника (0,3 мм). При таком увеличении толщина волоса (0,1 мм) окажется равной 100 м, диаметр вишни (1 см) – 10 км, рост человека (170 см) – 1700 км. Чтобы представить себе число молекул вокруг нас, приведем такое сравнение: в 1 см³ воздуха содержится такое число молекул, что если сложить столько же песчинок, то получится гора высотой около 100 м ??, в основании которой лежит круг радиусом 20 км.

Приводим размеры и массы атомов некоторых химических элементов:

1. водород: d =0,275 нм; m = 1,6710^-27 кг

2. кислород: d =0,374 нм; m = 6,610^-27 кг

3. железо: d =10^-10 м; m = 92,810^-27 кг

4. ртуть: d =10^-10 м; m = 33310^-27 кг

5. золото: d =10^-10 м; m = 32710^-27 кг

6. частица пыли: d 50 мкм; m = ?10^-27 кг

На сегодняшний день на Земле обнаружено 105 химических элементов. Русский ученый Д.И. Менделеев в 1869 году сумел классифицировать эти элементы, расположив их в особую таблицу, которую назвал периодической системой химических элементов. С этой таблицей вы познакомитесь при изучении курса химии.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что мы понимаем под молекулой?

2. Почему мы уверены в существовании атомов и молекул, ведь мы их не видим?

3. Для чего нужно знать строение вещества?

4. Какие доказательства существования молекул вы знаете?

5. В чем состоит отличие атома от молекулы?

6. Какова роль Демокрита, Ломоносова в изучении строении вещества?