Строение вещества
Все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул или ионов. Частицы непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому строение вещества на уровне микромира объясняет его наблюдаемые свойства: объём, форму, давление, диффузию и изменение температуры.
Из чего состоит вещество
Сначала важно различать физическое тело и вещество. Физическое тело имеет форму и размеры, а вещество — материал, из которого тело изготовлено. Например, стакан — тело, а стекло — вещество.
Вещество состоит из частиц. Частица может быть атомом, молекулой или ионом. Атом — наименьшая электрически нейтральная частица химического элемента. Молекула — электрически нейтральная частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая химические свойства этого вещества. Ион — заряженная частица, образовавшаяся из атома или группы атомов.
Молекулярное строение вещества — представление о том, что вещество состоит из очень малых частиц, расстояния между которыми могут изменяться, а сами частицы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Постулаты молекулярно-кинетической теории формулируют три главные идеи. Они применимы к газам, жидкостям и твёрдым телам, хотя характер движения и расстояния между частицами различаются.
- Все вещества состоят из частиц: атомов, молекул или ионов.
- Частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Такое движение называют тепловым движением.
- Частицы взаимодействуют: притягиваются на сравнительно больших расстояниях и отталкиваются при очень сильном сближении.
Размеры частиц очень малы по сравнению с расстояниями, которые можно измерить непосредственно. Поэтому отдельные молекулы обычно не видны, но их совместное действие проявляется в опытах и наблюдениях.
Чем быстрее в среднем движутся частицы вещества, тем выше его температура. При нагревании средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц увеличивается, при охлаждении — уменьшается.
В этой формуле \(E_k\) — кинетическая энергия частицы, \(m\) — её масса, \(v\) — скорость. Для множества частиц используют средние значения: отдельные молекулы движутся с разными скоростями, но температура характеризует их среднее движение.
Как строение объясняет свойства веществ
В газах частицы находятся далеко друг от друга и почти не удерживаются соседями. Поэтому газ не сохраняет собственные форму и объём, заполняет весь сосуд и легко сжимается. При столкновениях частицы ударяются о стенки сосуда. Суммарное действие этих ударов создаёт макроскопическое давление.
Давление \(p\) равно отношению силы давления \(F\) к площади опоры или поверхности \(S\). Единица давления в СИ — паскаль: \(1\ \text{Па}=1\ \text{Н}/\text{м}^2\). В газе давление увеличивается, если частицы чаще ударяются о стенки или сильнее действуют при столкновениях.
В жидкостях частицы расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В твёрдом теле частицы расположены особенно плотно и колеблются около определённых положений. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму и объём.
| Состояние | Расположение и движение частиц | Наблюдаемые свойства |
|---|---|---|
| Твёрдое тело | Частицы близко; колеблются около положений равновесия | Сохраняет форму и объём |
| Жидкость | Частицы близко; перемещаются друг относительно друга | Сохраняет объём, принимает форму сосуда |
| Газ | Частицы далеко; движутся свободно и хаотично | Не сохраняет форму и объём, сжимается |
Перемешивание частиц бір вещества с частицами другого называют диффузией. Она происходит самопроизвольно благодаря тепловому движению. В газах диффузия идёт быстрее, чем в жидкостях, а в твёрдых телах — очень медленно.
Почему запах духов постепенно распространяется по комнате?
Доказательства существования частиц
Существование и движение частиц подтверждают диффузия и броуновское движение. Броуновское движение — беспорядочное движение очень маленьких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Например, частица пыльцы под микроскопом движется потому, что её с разных сторон неравномерно толкают невидимые молекулы жидкости.
Косвенным доказательством служит сжимаемость газа: при сжатии уменьшаются промежутки между частицами, а не сами молекулы. Расширение нагретого газа также объясняется движением частиц и увеличением расстояний между ними.
Чтобы объяснить явление с помощью строения вещества, ищите: 1) какие частицы есть; 2) как они движутся; 3) как взаимодействуют и меняются ли расстояния между ними.
Разобранный пример: нагревание газа
Сосуд закрыт, поэтому его объём и количество газа не меняются. Нужно объяснить изменение давления через движение молекул.
Итак, повышение температуры закрытого газа приводит к увеличению давления: частицы движутся быстрее и сильнее воздействуют на стенки. Если сосуд может расширяться, часть энергии уходит на увеличение объёма, поэтому результат нужно анализировать с учётом условий опыта.
Для модели идеального газа связь давления \(p\), объёма \(V\), количества вещества \(\nu\) и температуры \(T\) записывают как \(pV=\nu RT\). В школьных рассуждениях важно помнить: температура в этой формуле измеряется в кельвинах, а не в градусах Цельсия.
Не говорите, что молекулы «движутся только при нагревании»: они движутся всегда, пока температура не достигла абсолютного нуля в идеализированной модели. Не путайте молекулу с клеткой вещества — молекулы намного меньше. Не утверждайте, что между частицами всегда только притяжение: при очень малом расстоянии преобладает отталкивание. Наконец, давление — это не сила сама по себе, а сила, делённая на площадь.
Как решать тапсырмалар по теме
- Определите, о каком веществе или состоянии идёт речь.
- Назовите частицы и опишите расстояния между ними.
- Укажите характер движения: свободное, перемещение или колебания.
- Свяжите изменение температуры с изменением средней скорости частиц.
- Если речь идёт о давлении, проверьте силу ударов и площадь поверхности.
В задании на объяснение наблюдаемого явления недостаточно написать «так происходит из-за молекул». Полный ответ должен содержать цепочку: свойство частиц → их движение или взаимодействие → наблюдаемый результат.
Быстрая проверка
Главное
- Вещество состоит из атомов, молекул или ионов; частицы очень малы, но их действие можно наблюдать косвенно.
- Частицы непрерывно и хаотично движутся и взаимодействуют друг с другом.
- Температура связана со средней кинетической энергией теплового движения частиц.
- Различия между газом, жидкостью и твёрдым телом объясняются расстояниями между частицами и характером их движения.
- Диффузия, броуновское движение, сжимаемость газов и давление подтверждают молекулярное строение вещества.