Учение о строении вещества кратко

Обновлено: 02.07.2024

1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов любого другого вида (элемента).
3. При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
4. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических - разрушаются; при химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.
5. Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.

О том, что все тела состоят из отдельных частиц, когда-то задумался Демокрит, философ из Древней Греции. По его представлению, эти частицы между собой сцепляются, как пазлы и образуют материальные тела. Эти предположения ученые смогли подтвердить только в восемнадцатом веке. В настоящее время этот раздел физики хорошо изучен. Первоначальные сведения о строении вещества школьники получают в 7 классе.

Строение физических тел

На сегодняшний день есть научно доказанная теория о строении материи. Кратко основные положения по этому поводу таковы:

Все физические тела состоят из вещества. Например, ножницы состоят из металла, стакан из стекла и т. д. Различаются они еще и своим состоянием, т. е. некоторые могут быть представлены в твердом, жидком и газообразном виде, например, вода. Лед — твердый вид воды, собственно вода — это жидкий вид и пар — газообразный. Все они имеют разные свойства.
Все состоит из частиц. Между частицами есть расстояния, поэтому они могут сдвигаться относительно друг друга, при этом объем веществ увеличивается или уменьшается. Частицы, из которых состоят вещества очень малы, а значит твердые и жидкие тела выглядят сплошными.

Молекулы

Мельчайшую частицу вещества называют молекулой. Наименьшая частица воды или кислорода — молекулы воды или кислорода.

Ученые доказали, что молекулы одного и того же вещества одинаковы, т. е. лед, вода и водяной пар имеют одинаковый молекулярный состав.

Григорий Остер по этому поводу придумал вот такую загадку:

С разных концов медного провода длиной в тысячу километров парочка физиков отколупнула по одной молекуле меди. Чем отличаются эти молекулы?

И правильный ответ на этот вопрос — они ничем не отличаются. Они совершенно одинаковы, а еще они не статичны:

Все молекулы постоянно находятся в движении. Скорость движения зависит от температуры вещества. Чем выше температура, тем быстрей их движение. В твердых материях амплитуда движения молекул гораздо меньше, чем у веществ в жидком и газообразном состоянии.
Молекулы совершают колебательные движения, и твердый предмет сохраняет свою форму почти неизменной. А еще известно, что когда вещество нагревается, расстояния между его частицами увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются. Соответственно, при изменении температуры некоторые предметы либо увеличивают свой объем, либо уменьшают. В качестве примера можно привести подъем столбика в медицинском ртутном термометре при увеличении температуры тела.

Атомы

Отчего же физики, зная о существовании атома, называют мельчайшей частицей молекулу? А все потому что в целом виде она может быть самостоятельной и с присущими лично ей химическими свойствами, а если ее разделить, эти свойства теряются.

Зачем все это знать

Зная о строении вещества, можно объяснить различные физические явления. Например, почему вода в чайнике выкипает и ее количество уменьшается? А потому что молекулы воды при нагреве испаряются, т. е. переходят в газообразное состояние. Именно поэтому их количество в чайнике постепенно уменьшается и, соответственно, уменьшается и объем воды. Почему снашивается и уменьшается подошва на ботинке? Потому что при трении о поверхность (асфальт, пол, песок и т. д. ) часть молекул остается там, а их количество в подошве становится меньше.

Первоначальные сведения о строении вещества в 7 классе изучаются подробно, что позволяет объяснять различные физические явления. Человечеству в целом это помогает создавать новые материалы с заданными нужными свойствами.

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям :

Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ из различных атомов.

Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:

Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.

Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.

Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.

Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в газах.

Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.

Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами.

При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.

У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решето находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления.

У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.

Объяснение физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения. Физические и химические явления получают объяснение с позиций атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами (атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы (атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием других веществ.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Траектория броуновской частицы

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Робертом Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис. 3.1.1). Теория броуновского движения была создана А.Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Жана Перрена, проведенных в 1908–1911 гг.

Главный вывод теории А. Эйнштейна состоит в том, что квадрат смещения 2 > броуновской частицы от начального положения, усредненный по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения t.

Это соотношение выражает так называемый диффузионный закон. Как следует из теории коэффициент пропорциональности D монотонно возрастает с увеличением температуры.

Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O₂ и водород H₂, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друг в друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа. Этот процесс идет и в том случае, когда легкий газ (водород) находится в верхней половине сосуда, а более тяжелый (вислород) – в нижней.

Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях.

В реальных условиях диффузия в жидкостях и газах маскируется более быстрыми процессами перемешивания, например, из-за возникновения конвекционных потоков.

Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла.

Диффузия и броуновское движение – родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.

Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания. Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии E_р взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рис. 3.1.2. При некотором расстоянии r = r₀ сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = r₀ минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r₀, нужно сообщить им дополнительную энергию E₀. Величина E₀ называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи.

Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия E_р двух молекул. F > 0 – сила отталкивания, F –10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы E₀. В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно r₀. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше E₀, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10 –8 м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12 C. Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро N_А:

Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро N_А:

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M. Молярная масса равна произведению массы m₀ одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро:

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

1 а. е. м. = 1,66·10 –27 кг.

Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12 C называется относительной массой.

Читайте также: