БУДОВА РЕЧОВИНИ. МОЛЕКУЛИ. АТОМИ
РОЗДІЛ 1 ФІЗИКА ЯК ПРИРОДНИЧА НАУКА. ПІЗНАННЯ ПРИРОДИ
& 2. БУДОВА РЕЧОВИНИ. МОЛЕКУЛИ. АТОМИ
На уроках природознавства у 5 класі ви дізналися, що всі речовини складаються з дрібних частинок – молекул, атомів. Ви також знаєте, що атомам надані спеціальні назви та символи для позначення, наприклад: Гідроген (H), Оксиген (O), карбон (C), Сульфур (S).
Зараз науці відомі 118 різних видів атомів і при цьому – мільйони різних молекул. Як же пояснити такі розбіжності в цифрах? З’ясуємо.
1. Розрізняємо атом і молекулу
Кожна речовина складається
Перш ніж почати вивчення будови молекули, згадаємо українську абетку. Вона має лише 33 букви, проте кожен із вас може скласти з них тисячі слів. Проведіть аналогію: буква – атом, слово – молекула. Кожне слово – це певна комбінація букв. Так само кожна молекула – це певна комбінація атомів.
Використовуючи цю аналогію, розглянемо схематичне зображення двох різних молекул – молекули мурашиної кислоти і молекули метанолу (рис. 2.1, а, б).
Бачимо,
Отже, кожна нова комбінація навіть тих самих видів атомів відповідає новій молекулі. Кількість атомів, що складають різні молекули, може бути й однаковою, – так само як існує безліч слів, що мають однакову кількість букв.
Таким чином, із 118 видів атомів можна скласти мільйони різноманітних молекул і, відповідно, отримати мільйони різноманітних речовин.
Рис. 2.1. Схематичне зображення молекул деяких речовин: а – мурашиної кислоти (HCOOH); б – метанолу (CH3OH); в – кисню (O2); г – метану (CH4); д – етану (C2H6); е – води (H2O).
Сині кульки – моделі атомів Гідрогену, сірі – карбону, червоні – Оксигену
Розгляньте рис. 2.1. Скільки видів атомів містить кожна молекула?
Яка кількість атомів у кожній молекулі? Чи може молекула складатися з однакових атомів? Чи може в різних молекулах бути однаковою кількість атомів? Проведіть аналогії з абеткою.
2. Намагаємося уявити розміри атомів
Світ молекул, атомів і їхніх складників називають мікросвітом. Характеризуючи об’єкти мікросвіту, вчені використовують числа, що суттєво відрізняються від тих, з якими людина має справу в повсякденному житті. Для короткого запису таких чисел використовують степінь числа 10*. Так, розмір атома приблизно дорівнює 0,000 000 0001 м, або 1 ∙ 10-10 м. Щоб уявити, наскільки малим є це значення, наведемо приклади.
Приклад 1. Якщо з балона зі стисненим повітрям через мікроскопічну тріщину буде витікати щосекунди мільярд молекул, з яких складається повітря, то за 650 років маса балона зменшиться лише на 0,001 г.
Приклад 2. Головка сталевої шпильки, радіус якої 1 мм, містить близько 100 000 000 000 000 000 000, або 1 ∙ 1020, атомів заліза. Якщо ці атоми розмістити один за одним, то отримаємо ланцюжок завдовжки 20 мільйонів кілометрів, що приблизно в 50 разів більше за відстань між Землею і Місяцем.
Побачити окремі атоми та молекули навіть у найпотужніший оптичний мікроскоп неможливо, але в ХХ ст. вчені створили прилади, які дозволяють не тільки бачити окремі атоми, а навіть переміщати їх з місця на місце.
3. Згадуємо будову атома
Атом, як і молекула, має складну структуру. Атом являє собою ядро, оточене легкими частинками – електронами. Діаметр ядра атома набагато менший, ніж діаметр власне атома, – приблизно у стільки разів, у скільки розмір горошини менший за розмір футбольного поля. Внутрішню будову атома наочно описати неможливо, тому для пояснення процесів, які відбуваються в атомі, створено його фізичні моделі*, наприклад планетарну модель атома (рис. 2.2).
Електрони можуть залишати одні атоми та приєднуватися до інших. Якщо атом втратив один або кілька електронів, то атом перетворюється на позитивний йон. Якщо ж до атома приєднались один або кілька електронів, то атом перетворюється на негативний йон.
* Такий запис називають стандартним виглядом числа, тобто це запис числа у вигляді добутку a 10n, де 1 < a < 10 , n - ціле число. число n називають порядком числа. наприклад, порядок числа, що передає розмір атома, становить -10.
* Докладніше про фізичні моделі ви дізнаєтесь у & 3.
4. Переконуємось у наявності проміжків між молекулами
Як ви вважаєте: якщо змішати 100 мл води та 100 мл спирту, яким буде об’єм суміші? Насправді він буде меншим, ніж 200 мл! Річ у тім, що між молекулами існують проміжки і в ході змішування рідин молекули води потрапляють у проміжки між молекулами спирту. Цей дослід добре моделюється за допомогою пшона та гороху (рис. 2.3).
Рис. 2.2. Планетарна модель атома. насправді відстань від ядра до електронів перевищує розмір ядра в 100 000 разів
5. Знайомимося з тепловим рухом
Із 5 класу ви знаєте таке явище, як дифузія (від лат. diffusio – поширення, розтікання).
Дифузія – процес самовільного проникнення молекул (атомів, йонів) однієї речовини в проміжки між молекулами (атомами, йонами) іншої речовини, внаслідок чого відбувається перемішування дотичних речовин.
Проведемо дослід. У прозору посудину з водою наллємо водний розчин мідного купоросу так, щоб рідини не змішалися (рис. 2.4). Спочатку спостерігатимемо чітку межу між водою і розчином, проте, залишивши посудину в спокої на кілька днів, побачимо, що вся рідина набула бірюзового кольору (рис. 2.5).
Причиною дифузії є безперервний хаотичний рух частинок речовини (молекул, атомів, йонів). Завдяки такому рухові речовини перемішуються без жодного зовнішнього втручання.
Безперервний хаотичний рух частинок речовини називають тепловим рухом, оскільки збільшення (зменшення) температури речовини спричиняє збільшення (зменшення) середньої швидкості руху її частинок. Так, якщо налити розчин мідного купоросу не в одну, а в дві посудини з водою і одну посудину розташувати в теплому місці, а другу – в холодному, то через деякий час побачимо, що в теплому місці дифузія відбувається набагато швидше.
Рис. 2.3. Об’єм суміші гороху та пшона менший, ніж сума об’ємів компонентів цієї суміші: крупинки пшона потрапили в проміжки між горошинами
Рис. 2.4. За допомогою лійки можна акуратно налити розчин мідного купоросу на дно склянки з водою
Рис. 2.5. Процес дифузії та його схематичне зображення: молекули на межі розподілу речовин міняються місцями, і в результаті з часом речовини повністю перемішуються
6. Підтверджуємо взаємодію молекул
Ми з’ясували, що молекули перебувають у безперервному хаотичному русі. Чому ж вони не розлітаються навсібіч? Понад те, тіла не тільки не розсипаються на окремі молекули, а навпаки, щоб їх розтягти, зламати, розірвати, потрібно докласти зусиль. Причина криється в притяганні між молекулами. Саме завдяки міжмолекулярному притяганню тверді тіла зберігають свою форму, рідина збирається в краплини (рис. 2.6), клей прилипає до паперу, розтягнута пружина набуває вихідної форми.
Якщо між молекулами є притягання, то чому розбита чашка не стає цілою після того, як її уламки притиснуть один до одного? Пояснити це можна тим, що міжмолекулярне притягання стає помітним тільки на дуже малих відстанях – таких, які можна порівняти з розмірами самих частинок. Коли ми притискаємо один до одного уламки чашки, то через нерівність поверхні на зазначені відстані зближується незначна кількість молекул. А відстань між більшою їх частиною залишається такою, що молекули майже не взаємодіють.
Рис. 2.6. Провислу краплю води деякий час утримують від падіння сили притягання між молекулами
Спробуйте стиснути, наприклад, закриту пластикову пляшку, доверху заповнену водою, або монетку – ви відчуєте, що зробити це без додаткових засобів неможливо. Річ у тім, що молекули не тільки притягаються одна до одної, але й відштовхуються. Зазвичай у рідинах і твердих тілах притягання врівноважується відштовхуванням. Але якщо стискати рідину або тверде тіло, то відстань між молекулами зменшиться й міжмолекулярне відштовхування стане сильнішим, ніж притягання.
7. Формулюємо основні положення молекулярно-кінетичної теорії
Понад 25 століть тому давньогрецький філософ Демокріт (бл. 460-370 рр. до н. е.) висловив ідею, що всі тіла складаються з маленьких тілець (учений назвав їх атомами – у перекладі з грецької це слово означає “неподільний”). А от підтвердження існування так званих атомів і молекул було отримано тільки в XIX ст. Саме тоді з’явилася й була дослідно обгрунтована молекулярно-кінетична теорія, яка розглядає будову речовини з точки зору таких трьох основних положень.
1. Усі речовини складаються з частинок – молекул, атомів, йонів; між частинками є проміжки.
2. Частинки речовини перебувають у безперервному безладному (хаотичному) русі; такий рух називають тепловим.
3. Частинки взаємодіють одна з одною (притягуються та відштовхуються).
Підбиваємо підсумки
Усі речовини складаються з дрібних частинок – молекул, атомів, йонів. Між частинками існують проміжки.
Частинки, з яких складається речовина, перебувають у безперервному хаотичному русі. Такий рух називають тепловим. Збільшення (зменшення) температури речовини спричиняє збільшення (зменшення) середньої швидкості руху її частинок. Одним із доказів руху молекул є дифузія. Дифузія – процес самовільного перемішування дотичних речовин, який відбувається внаслідок теплового руху їх молекул.
Частинки речовини взаємодіють – вони відштовхуються та притягуються. Взаємодія частинок виявляється на відстанях, які можна порівняти з розмірами самих молекул, атомів, йонів.
Контрольні запитання
1. Скільки видів атомів відомо науці? 2. Чим пояснюється той факт, що існують мільйони різних речовин? 3. Що ви знаєте про розмір атомів і молекул? 4. Як можна довести, що між частинками речовини існують проміжки? 5. Що називають тепловим рухом? 6. Дайте означення дифузії. 7. Наведіть приклади дифузії. 8. Чому тверді тіла та рідини не розпадаються на окремі частинки? 9. За якої умови взаємодія між молекулами стає помітною?
Вправа № 2
1. Чи можемо ми змінити об’єм тіла, не змінюючи кількості молекул у ньому? Якщо так, то як це зробити?
2. Чому для того, щоб розірвати нитку, потрібно докласти зусиль?
3. Чи можна наведене нижче твердження вважати істинним? Відповідь обгрунтуйте.
Із двох уламків лінійки неможливо без сторонніх засобів отримати єдине ціле, оскільки між молекулами лінійки діють сили відштовхування.
4. Подайте у стандартному вигляді числа: 10 000 000; 5000; 2500; 400.
5. Обчисліть, скільки приблизно молекул можна розмістити вздовж відрізка завдовжки 0,5 мм. Вважайте, що діаметр молекули дорівнює 0,000 000 0001 м.
6. Площа плівки, утвореної на поверхні води краплею олії об’ємом 0,005 мм3, не може бути більшою за 50 см2. Який висновок щодо розміру молекул олії випливає з цього факту?
7. Згадайте та опишіть по два приклади спостережень і експериментів, які ви проводили у 5 або 6 класі. У чому, на вашу думку, полягає головна відмінність між спостереженням і експериментом?
Експериментальні завдання
1. Візьміть дві неглибокі тарілки. В одну налийте тонким шаром холодну воду, в другу – гарячу. За допомогою піпетки помістить у центр кожної тарілки кілька крапель міцно завареного чаю. Поясніть результат.
2. Використовуючи м’яку пружинку (або тонку гумову стрічку), чисту металеву (або скляну) пластинку та блюдце з водою, продемонструйте, що між молекулами води і металу (скла) існують сили притягання. Опишіть свої дії або проілюструйте їх схематичними рисунками (фотографіями).
Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.
