Г л а в а XII. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ

§ 213. Молекулы и атомы. В настоящем разделе книги мы изучаем изменение теплового состояния тел, характеризуемого их температурой, переход тел из твердого состояния в жидкое, из жидкого — в газообразное и обратно и т. д. Естественно возникает вопрос: что происходит внутри тел, когда меняется их температура, когда они плавятся или испаряются, и т. д. Ответы на этот вопрос, равно как и на ряд других, относящихся к свойствам вещества, дает молекулярная теория.

Уже в глубокой древности, за две с половиной тысячи лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах.

Молекулами называются мельчайшие частицы, из которых состоят различные вещества. При этом в одних случаях, например у паров металлов, у инертных газов (гелий, аргон

идр.), мельчайшие частицы вещества представляют собой отдельные атомы; в других же случаях подобные частицы состоят из нескольких атомов, например: у водорода, кислорода и азота

— из двух, у углекислоты — из трех и т. д. Молекулы сложных веществ — не элементов — состоят из атомов различных элементов, входящих в их состав. Такое представление о строении тел позволило объяснить основные законы химии: закон постоянных отношений и закон кратных отношений.

Закон постоянных отношений состоит в том, что при образовании любого количества какого-либо химического соединения массы соединяющихся веществ всегда находятся в совершенно определенном отношении. Например, при образовании воды из водорода и кислорода массы входящих в соединение водорода

икислорода всегда относятся, как 1:8. С точки зрения представлений об атомах и молекулах этот опытный факт сразу становится понятным. В самом деле, например, для образования воды два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, т. е. молекула воды имеет состав H2O. Отношение масс водорода

и кислорода должно быть равно отношению удвоенной массы атома водорода к массе атома кислорода и потому всегда будет одним и тем же, каково бы ни было количество образовавшейся воды. Это связано с тем, что все атомы водорода одинаковы и их масса всегда одна и та же и что все атомы кислорода тоже не отличаются по массе один от другого.

Закон кратных отношений состоит в том, что, когда два элемента образуют несколько соединений, массы одного из элементов в разных соединениях относятся, как целые числа. Например, азот и кислород дают пять соединений. Массы кислорода в них, приходящиеся на одну и ту же массу азота, относятся, как целые числа — как 1:2:3:4:5. Этот факт объясняется тем, что одно и то же число атомов одного элемента (2 атома азота в нашем примере) в молекулах разных соединений связано с разным числом атомов другого элемента (в нашем примере с 1, 2, 3, 4 и 5 атомами кислорода). Эти соединения имеют состав: N2O, N2O2, N2O3, N2O4, N2O5.

§ 214. Размеры атомов и молекул. Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: мы не наблюдаем этих отдельных частиц, тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. М. В. Ломоносов в одной из своих работ писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит; кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек вещества движение скрывается от взоров». Итак, причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы чрезвычайно малы.

В лучший оптический микроскоп, который дает возможность различать предметы, размеры которых не меньше (2–3) · 10−7 м, рассмотреть отдельные молекулы, даже самые крупные, нельзя. Однако целый ряд косвенных методов позволил не только надежно доказать существование молекул и атомов, но даже установить их размеры. Так, размер атома водорода можно считать равным 1,2 · 10−10 м; длина молекулы водорода, т. е. расстояние между центрами двух атомов, ее составляющих, равна 2,3 · 10−10 м. Существуют более крупные молекулы, например молекулы белка (альбумин) имеют размеры 4,3 · 10−6 м. В последние годы благодаря устройству специального прибора, позволяющего исследовать объекты чрезвычайно малых размеров, —

410 Гл. XII. Молекулярная теория

электронного микроскопа — оказалось возможным сфотографировать не только крупные молекулы, но и атомы.

О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно судить и без измерений, исходя из возможности получать очень малые количества разных веществ. Разведя 1 мл чернил (например, зеленых) в литре чистой воды, а затем разведя 1 мл этого раствора еще раз в литре воды, мы получим разведение в 1 000 000 раз. И все же мы увидим, что последний раствор имеет заметную зеленую окраску и вместе с тем вполне однороден. Следовательно, в самом малом объеме, который еще может

На рисунках мы будем изображать молекулы в виде шариков. Однако молекулы (а также, как увидим дальше, и атомы) имеют строение, различное у разных веществ, часто довольно сложное. Известны, например, форма и строение не только таких простых молекул, как H2O и CO2 (рис. 370), но и несравненно более сложных, содержащих многие тысячи атомов.

§ 215. Микромир. Успехи в изучении строения вещества, о которых говорилось в предыдущих параграфах, раскрыли перед исследователями природы новый мир — мир мельчайших частиц. Его называют микромиром; в отличие от мира крупных тел, или макромира (от греческих слов: «микрос»´ — малый, «м´акрос» — большой), микромир недоступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы. Микромир оказался чрезвычайно сложным. Как уже говорилось, любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул. Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц — атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказа-

лись сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра — состоящими из различных частиц, о которых будет рассказано в последнем томе нашего учебника.

Конечно, все, что происходит и наблюдается в макромире, взаимосвязано с состоянием частиц микромира и с их изменениями. Изменения теплового состояния тел — температурные изменения и переход тел из одного состояния в другое, например из твердого в жидкое, — оказались связанными, в основном,

сизменениями движения молекул и их взаимного расположения. Химические превращения, наблюдаемые в микромире, связаны

сизменениями атомного состава молекул.

Строение молекул или атомов, а также движения атомов, составляющих молекулы, и движения частиц, образующих атомы, проявляются в макромире в электрических, магнитных, оптических и других явлениях. Эта необычайная сложность микромира представила бы непреодолимые трудности для его познания, если бы не удалось разумно расчленить задачу. Оказывается возможным выделить более простые явления, обусловленные, например, молекулярными движениями, при изучении которых можно пренебречь более тонкими процессами микромира; далее следует перейти к изучению более тонких процессов и движений, связанных со структурой атомов и молекул, оставляя в стороне внутриядерные процессы, и т. д.

Таким образом, переходя от изучения более простых процессов и движений к более сложным, мы постепенно составляем себе все более детальную и глубокую картину микромира. Начнем с таких явлений, при которых можно не обращать внимания на внутреннюю структуру молекул, на движение составляющих молекулы атомов и на еще более тонкие внутриатомные и внутриядерные процессы и движения. Сюда относится обширная группа тепловых явлений, при которых молекулы можно рассматривать как неизменные малые тельца.

Итак, приступая к изучению микромира, ограничимся сначала изучением движения и расположения молекул, не рассматривая их внутреннего строения.

§ 216. Внутренняя энергия с точки зрения молекулярной теории. В предыдущей главе мы пришли к выводу, что, кроме механической энергии некоторой системы тел, зависящей от их скоростей (кинетическая энергия) и от их взаимного расположения (потенциальная энергия), каждому из тел, составляющих систему, присуща его внутренняя энергия, зависящая от состояния этого тела. Теперь можно уточнить понятие

внутренней энергии. Внутренняя энергия есть кинетическая

ипотенциальная энергия частиц, составляющих микромир: молекул, из которых состоят макротела, атомов, из которых состоят молекулы, электронов и других частиц, составляющих атомы. В предыдущем параграфе мы указали, что в основном тепловые явления можно связать только с движением и расположением молекул как неизменных простых частиц. Поэтому, изучая простые явления, мы будем интересоваться только частью внутренней энергии тел, а именно, только кинетической энергией молекул, зависящей от скоростей их беспорядочного движения,

ипотенциальной энергией молекул, зависящей от их взаимного расположения.

Вслучае газов изменение внутренней энергии есть, в основном, изменение кинетической энергии беспорядочного движения их молекул; дело в том, что в газах взаимодействие между молекулами мало и изменениями потенциальной энергии при движении молекул можно пренебречь. В жидкостях и твердых телах взаимодействие молекул весьма велико, и изменение расстояния между молекулами резко изменяет потенциальную энергию их взаимодействия. Поэтому в случае жидких и твердых тел изменение внутренней энергии состоит и в изменении кинетической энергии беспорядочного движения молекул, и в изменении потенциальной энергии их взаимодействия.

Всвете молекулярных представлений становится ясно, что происходит, когда вследствие теплопроводности внутренняя энергия горячего тела (или горячей части тела) уменьшается, а холодного (или холодной части тела) увеличивается. При взаимодействии молекул происходит обмен их скоростями, подобно тому как происходит обмен скоростями при ударе упругих шаров (§ 102); а обмен скоростями связан с обменом кинетическими энергиями. В результате этого внутренняя энергия горячего тела уменьшается, а холодного — увеличивается, т. е. происходит выравнивание внутренней энергии, точнее, той ее части, которая является кинетической энергией молекул. Отсюда следует вывод, что температура тела связана с кинетической энергией молекул, из которых оно состоит. Подробнее будем говорить об этом далее (§ 243).

§ 217. Молекулярное движение. Сопоставим несколько простых фактов, позволяющих сделать заключение о движении молекул. Положим в стакан холодного чая кусок сахара. Сахар растает и образует густой сироп на дне стакана. Этот сироп хорошо виден, если посмотреть сквозь стакан на свет. Оставим

стакан в покое на несколько часов. Останется ли сироп на дне стакана? Нет, он постепенно разойдется по всему стакану. Это распространение сахара по объему стакана происходит самопроизвольно, так как никто чая не перемешивал. Точно так же расходится по комнате запах (например, если открыть флакон с духами); это происходит даже и в том случае, если воздух в комнате совершенно неподвижен.

Произведем еще такой опыт: уравновесим на весах большой открытый сверху сосуд. Если в этот сосуд напустить углекислый газ, то равновесие нарушится, так как углекислый газ тяжелее воздуха. Однако через некоторое время равновесие восстановится. Дело в том, что углекислый газ разойдется по всему помещению, а сосуд будет заполнен воздухом с очень малой примесью углекислого газа. Во всех этих случаях одно вещество (сахар, пары ароматических веществ, углекислый газ) распространяется в другом (в воде, в воздухе). Это явление, при котором два вещества сами собой смешиваются друг с другом, называется диффузией. При диффузии вещество распространяется во все стороны, также и вверх, т. е. против силы тяжести. Явление диффузии показывает, что молекулы вещества все время движутся. Например, при диффузии сахара в воде разные молекулы растворенного сахара движутся в разные стороны между тоже движущимися молекулами воды, и, таким образом, сахар постепенно распространяется по всему сосуду, заполненному водой.

Итак, явление диффузии явно показывает, что молекулы все время движутся и притом в различных направлениях. Такое движение молекул можно обнаружить не только в газах и в жидкостях, но также и в твердых телах. Оно называется молекуляр-

ным тепловым движением.

Здесь может возникнуть вопрос: почему же мы при обычном наблюдении не замечаем этого движения в телах? То есть почему тело не движется как целое, хотя все его молекулы находятся

вдвижении? Объяснение лежит в том, что при молекулярном движении разные молекулы движутся в самых разнообразных направлениях, так что тело в целом покоится. При полной беспорядочности движения молекул и громадности их числа для любой молекулы найдется другая молекула, летящая приблизительно в противоположную сторону с той же скоростью. Так как газ заключен в оболочку, не дающую молекулам разлететься, то

вгазе движение молекул сводится к беспорядочному движению туда и обратно, по всем направлениям. Поэтому нет движения

вкакую-либо сторону.

Представление о теплоте как о движении частичек тела было развито задолго до создания молекулярной теории М. В. Ломоносовым.

§ 219. Броуновское движение. Как мы видели, давление газа на стенку вызывается ударами молекул об нее. Но ведь число этих ударов за единицу времени случайно может оказаться то больше, то меньше. Поэтому можно предполагать, что сила давления газа на стенку не всегда должна иметь одно и то же значение: иногда она немного больше, иногда меньше. Так ли это? Можно ли обнаружить эти отклонения давления от постоянного значения? Непосредственно измерить эти колебания давления газа на стенку не удается — они слишком малы; но есть явления, которые можно наблюдать и которые объясняются именно наличием колебаний в числе и силе ударов молекул. Это, прежде всего, явление так называемого броуновского движения.

Если наблюдать в сильный микроскоп любые маленькие частицы, находящиеся даже в совершенно спокойной жидкости или газе (например, капельки жира в воде, частицы, из которых состоит дым, или капельки тумана в воздухе), то обнаруживается, что эти частицы непрерывно движутся, причем направление движения изменяется случайным образом. Движение меньших частиц сильнее, чем б´ольших. Это явление, открытое в 1827 г. английским ботаником Робертом Броуном (1773–1858), получило название броуновского движения. Причина явления очень долго оставалась непонятной, пока не было доказано, что это движение частиц вызвано толчками окружающих молекул жидкости или газа. Хотя молекулы жидкости (или газа) ударяют частицы со всех сторон, но все же их удары не уравновешивают полностью друг друга. Случайно иногда действие ударов на частицу с какой-нибудь стороны окажется несколько сильнее, чем с других сторон, в результате чего частица начнет двигаться в некотором направлении. Затем перевесят удары с ка- кой-нибудь другой стороны, и частица начнет двигаться в новом направлении. Результатом является беспорядочное движение частицы.

Подробное изучение этого явления не только подтвердило правильность такого объяснения, но его результаты позволили определить число молекул в единице объема жидкости и газа. Таким образом, броуновское движение явилось одним из наиболее непосредственных и ярких обоснований молекулярных представлений.

соединяющей вверху два баллона, один из которых наполнен газом, а другой — пустой, то часть газа из первого немедленно перейдет во второй. Вещество, находящееся в газовом состоянии, всегда полностью занимает предоставленный ему объем. Если же первый баллон будет наполнен жидкостью или твердым телом, перехода вещества во второй (пустой) баллон не произойдет. Если пренебречь незначительным испарением, то и жидкость, и твердое тело останутся на своих местах.

Чем объясняется эта разница между поведением газов и жидкостей? Когда вещество находится в жидком состоянии, между его молекулами действуют силы, мешающие молекулам вещества разлетаться во все стороны. Будем называть эти силы молекулярными силами или силами сцепления. Весьма наглядно видно проявление сил сцепления, когда капельки дождя повисают

что в газах и парах молекулы удалены друг от друга, вообще говоря, на значительно большее расстояние, чем молекулы

вжидкостях и твердых телах. Естественно предположить, что силы сцепления быстро убывают с расстоянием и поэтому заметно действуют лишь на небольших расстояниях между молекулами; этим и объясняется, что они почти не проявляют себя

вгазах.

Это предположение может быть подкреплено следующими наблюдениями. Части стеклянного стакана прочно сцеплены между собой, и для их разъединения, т. е. для разрушения стакана, требуется значительная сила. Однако стоит стакану разбиться — и разбитые части уже не взаимодействуют между собой, если их прикладывать друг к другу. Дело в том, что, прикладывая части разбитого стакана друг к другу, мы сближаем лишь ничтожное число молекул. Остальные молекулы остаются на расстоянии хотя и небольшом, однако достаточном для того, чтобы взаимодействие молекул было ничтожно малым. Но нагретые и вследствие