Физика (7 класс)/Начальные сведения о веществе

Строение вещества.

Еще в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые ученые высказывали предположение о строении вещества. Греческий ученый Демокрит ( 460 - 370 лет до н. э.) считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта идея превратилась только в 18 в. и получила дальнейшее развитие в 19 в. Появление представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие явления, но и предсказать, как они будут протекать в тех или иных условия.

Многие опыты подтверждают представления о строении вещества. Рассмотрим некоторые из них.

Попытаемся сжать теннисный мячик. При этом объем воздуха, который заполняет мяч, уменьшится. Можно уменьшить и объем надувного шарика, и кусочка воска, если приложить некоторое усилие.

Объем тела изменяется также при его нагревании и охлаждении.

Проделаем опыт. Возьмем медный или латунный шарик, который в не нагретом состоянии проходит сквозь кольцо. Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозь кольцо не пройдет. Через некоторое время шарик, охладившись (а значит и уменьшившись в размере), и частично нагрев кольцо, (а значит, увеличив его), он вновь пройдет сквозь кольцо.

На этой иллюстрации показано, что в не нагретом состоянии, латунный шарик легко проходит сквозь кольцо.

Здесь мы видим, что в нагретом состоянии, расширившись, он не проходит сквозь кольцо, а задерживается.

С помощью опыта определим, как меняется объем жидкости при нагревании.

Колбу, наполненную доверху водой, плотно закроем пробкой. Сквозь пробку пропускаем стеклянную трубочку. Вода частично заполнит трубочку. Отметим уровень жидкости в трубке. Нагревая колбу, мы заметим, что через некоторое время уровень воды в ней повысится.(иллюстрация к опыту)

Вода находится в не нагретом состоянии, и лишь частично заполнила трубку. Уровень воды в трубке низкий.

Воду нагрели, она стала расширяться и заполнять свободное пространство. Уровень воды в трубке поднялся.

Значит, при нагревании объем тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.

Попытаемся объяснить, почему происходит изменение объема тела.

По-видимому, все вещества состоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицы удаляются друг от друга, то объем тела увеличиваются. И если частички сближаются, объем тела уменьшается.

Тогда возникает вопрос: если тела состоят из мельчайших частичек, почему они кажутся нам сплошными?

Современная наука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.

Для того, чтобы убедиться в том, что частицы вещества малы, проделаем опыт.

В сосуде с водой растворим маленькую крупинку гуаши. Через некоторое время вода в нем станет синей. Отольем немного воды в другой сосуд и дольем в него чистую воду. Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом. Потом повторим всю операцию, но уже с водой из второго сосуда. В третьем сосуде вода будет окрашена еще слабее чем во втором, и гораздо слабее, чем в первом.

Опыт с гуашью.

Поскольку в воде растворили очень маленькую крупинку гуаши и только часть ее попала в третий сосуд, можно предположить, что крупинка состояла из большого числа мельчайших частичек, как, впрочем, и вода, в которой растворили гуашь. Это называется диффузией, но об этом позже.

Этот опыт, как и многие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц.

Молекулы.

Все вещества состоят из отдельных частиц - это было доказано современной наукой. Эти частицы были названы молекулами (в переводе с латинского "маленькая масса").

Расположение молекул белка.

Молекула вещества - это мельчайшая частица данного вещества.

Например, самая маленькая частица воды - это молекула воды. Наименьшая частица соли - это молекула соли.

Попытаемся представить себе, каковы размеры молекул.

Если можно было бы уложить в один ряд вплотную друг к другу 10 000 000 (или 10-7 степени) молекул воды, то получилось бы ниточка всего в 2мм. Малый размер молекул позволяет получить тонкие пленки различных веществ. Капля масла, например, может растекаться по воде слоем толщиной всего в 0,000002 м (или 2 · 10-6 степени).

Даже небольшие тела состоят из огромного вещества молекул. Так, например, в крупинке соли или сахара содержится очень большое число молекул. Подсчитано, что в 1 см³ воздуха находится около 27 · 1018 степени молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим следующее. Через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдет через отверстие за время 840 000 лет.

Из-за очень малых размеров молекулы невидимы невооруженным глазом или в обычные микроскопы. Но при помощи специального прибора - электронного микроскопа - удалось сфотографировать наиболее крупные из них. На рисунке показано расположение молекул белка.

Окружающие нас тела, даже похожие на первый взгляд, будут различны. В природе вы не встретите двух совершенно одинаковых снежинок или песчинок, людей, животных и пр.

Ученые с помощью опытов доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Например, воду, полученную из сока или молока, нельзя отличить от воды, полученной путем перегонки из морской воды. Молекулы воды одинаковы. Из таких молекул не может состоять никакое другое вещество.

Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц - атомов.

Например, наименьшая частица воды - это молекула воды. Она состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода. Из курса химии вы узнаете, что воду обозначают H2O. H - атом водорода, O - атом кислорода.

Молекулы принято изображать схематически, т. е. с помощью моделей молекул. Две молекулы воды показаны на рисунке. Если разделить две молекулы воды, то образуется два атома кислорода и четыре атома водорода. На следующем рисунке показано, что каждые два атома водорода могут соединиться в молекулу водорода, а атомы кислорода - в молекулу кислорода.

Две молекулы воды.

Одна молекула кислорода, и две водорода.

Атомы тоже состоят из более мелких частиц, но об этом вы узнаете в курсе химии 8 класса.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах.

Диффузия в мензурке. Медный купорос и вода.

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например, духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов (или нафталина) движутся.

Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время.

Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.

Проделаем опыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении.

Нальем в мензурку (или стакан) немного медного купороса, имеющего темно-голубой цвет. Сверху осторожно добавим чистой воды.

Диффузия. Золото и свинец.

Вначале между водой и медным купоросом будет видна резкая границ, которая через несколько дней станет не такой резкой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой, исчезнет через 2-3 недели. В сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета. Это значит, что жидкости перемешались.

Наблюдаемое явление объясняется тем, что молекулы воды и медного купороса, которые расположены возле границы раздела этих жидкостей, поменялись местами. Граница раздела стала расплывчатой. Молекулы медного купороса оказались в нижнем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой медного купороса.

Если дать мензурке постоять 2-3 недели, то граница между ними будет еще более расплывчатой и постепенно совсем исчезнет. Вся вода окрасится в голубой цвет. Это происходит потому, что молекулы, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему. Жидкость в сосуде становится однородной.

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

В твердых телах также происходит диффузия, но только еще медленнее.

Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз. (Пластинку золота, как более тяжелую, располагают внизу.) При комнатной температуре (20°С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1мм. Во всех приведенных опытах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздух вблизи поверхности Земли. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений и т.д.

Взаимное притяжение и отталкивание молекул.

Если все тела состоят из мельчайших частиц (молекул или атомов), почему же твердые и жидкости не распадаются на отдельные молекулы или атомы? Что заставляет их держаться вместе, ведь молекулы разделены между собой промежутками и находятся в непрерывном беспорядочном движении?

Притяжение между молекулами.

Дело в том, что между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекула притягивает к себе все соседние молекулы и сама притягивается ими.

Когда мы разрываем нить, ломаем палку или отрываем кусочек бумаги, то преодолеваем силы притяжение между молекулами.

Заметить притяжение между двумя молекулами совершенно невозможно. Когда же притягиваются многие миллионы таких частиц, взаимное притяжение становится значительным. Поэтому трудно разорвать руками веревку или стальную проволоку.

Притяжение между молекулами в разных веществах неодинаково. Этим объясняется различная прочность тел. Например, стальная проволока прочнее медной. Это значит, что частицы стали притягиваться друг к другу сильнее, чем частицы меди.

Притяжение между молекулами становится заметным только тогда, когда они находятся очень близко друг к другу. На расстоянии, превышающем размеры самих молекул, притяжение ослабевает. Две капли воды сливаются друг с другом, если они соприкасаются. Два свинцовых цилиндра сцепляются вместе, если их вплотную прижать друг к другу ровными, только что срезанными поверхностями. При этом сцепление может быть настолько прочным, что цилиндры не удается оторвать друг от друга даже при большой нагрузке.

Однако осколки стекла нельзя срастить, даже плотно прижимая их. Из-за неровностей не удается их сблизить на то расстояние, на котором частица могут притянуться друг к другу. Но если размягчить стекло путем нагрева (плавление), то различные части можно сблизить и стекло в этом случае спаивается.

Это значит, что частицы стекла оказались на таком расстоянии, когда действует притяжение между ними.

Соединение кусков металла при сварке или при спайке, а также склеивание основано на притяжении молекул друг к другу.

Следовательно, между двумя молекулами (атомами) существует взаимное притяжение, которое заметно только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов).

Тогда попытаемся выяснить, почему между молекулами имеются промежутки. Если молекулы притягиваются друг к другу, то они должны как-то слипнуться. Этого не происходит потому, что между молекулами (атомами) в то же время существует отталкивание.

На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении - отталкивание.

Многие наблюдаемые явления подтверждают существование отталкивания между молекулами.

Так, например, сжатое тело распрямляется. Это происходит потому, что при сжатии молекулы оказываются на таком расстоянии друг от друга, когда начинает проявляться отталкивание.

Некоторые явление в природе можно объяснить притяжением молекул друг к другу, например смачивание твердого тела жидкостью.

Опыт. К пружине подвешиваем на нитке стеклянную пластинку так, чтобы ее нижняя поверхность была расположена горизонтально. Эту пластинку подносим к сосуду с водой так, чтобы она легла на поверхность воды. При отрывании пластинки от воды, пружинка заметно растянется. Это доказывает существование притяжения между молекулами. По растяжению пружины, можно видеть насколько оно велико. Оторвав пластинку от воды, можно увидеть, что на ней остается тонкий слой воды, т.е. пластинка смочена водой. Значит, при отрывании пластины, мы преодолеваем притяжение между молекулами воды. Разрыв произошел не там, где соприкасаются молекулы воды с частицами стекла, а там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом.

Смачивание водой, а

Смачивание водой, б

Смачивание водой, в

Во многих случаях, вода может и не смачивать тела. Например, если в воду опустить кусочек воска или парафина, а затем вынуть, то они окажутся сухими. Вода не смачивает и жирные поверхности тел.

Если жидкость смачивает твердое тело, это значит, что молекулы воды притягиваются слабее, чем к молекулам тела. И наоборот, когда молекулы воды не смачивают какое-либо тело, значит что молекулы воды притягиваются сильнее друг к другу, чем к молекулам твердого тела.

В быту мы часто сталкиваемся с явлениями смачивания и не смачивания.

Так, например, благодаря явлению смачивания мы можем писать, вытирать мокрые предметы и т. д.

Три состояния вещества

Жидкость меняет форму, но сохраняет объем.

В природе вещества встречаются в трех состояниях: твердое, жидкое и газообразное. Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях. В градуснике ртуть - это жидкость. Над поверхностью ртути находятся ее пары, а при температуре -39°С ртуть превращается в твердое тело.

В различных состояниях вещества обладают разными свойствами. Большинство окружающих нас тел состоят из твердых веществ. Это дома, машины, инструменты и др. Форму твердого тела можно изменить, но для этого необходимо приложить усилие. Например, чтобы согнуть гвоздь, нужно довольно большое усилие.

Изготовление предметов из расплавленного стекла.

Для придания твердым телам нужной формы и объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках: токарных, строгальных, шлифовальных.

Твердое тело имеет собственную форму и объем.

В отличие от твердых тел, жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют свой объем. Они принимают форму сосуда, в котором находятся.

Например, чай, наполняющий чайник, имеет форму чайника. Налитый же в чашку он принимает форму чашки. Но, изменяя свою форму, жидкость сохраняет свой объем.

В обычных условиях только маленькие капельки жидкости имеют свою форму - форму шара. Это, например, капли дождя или капли, на которые разбивается струя жидкости.

Опыт с газом и жидкостью.

На свойстве жидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов из расплавленного стекла.

Жидкость легко меняет свою форму, но сохраняет объем.

Воздух, которым мы дышим, является газообразным веществом, или газом. Поскольку большинство газов бесцветны и прозрачны, мы их невидим. Обнаружить наличие воздуха можно, если в комнате будет сквозняк, а также его присутствие можно почувствовать, стоя у открытого окна движущегося поезда. Наличие воздуха в окружающем нас мире можно доказать с помощью простых опытов.

Если стакан перевернуть вверх дном и поставить его в воду, то вода не заполнит стакан, поскольку он заполнен воздухом, и для воздуха нет путей к отступлению.

Теперь опустим в воду воронку, которая соединена резиновым шлангом со стеклянной трубочкой, в свою очередь помещенной в сосуд с водой. Мы увидим, как воздух из ворони начнет выходить через эту трубочку в воду.

Газы в отличие от жидкостей легко изменяют свой объем. Когда мы сжимаем теннисный мячик, мы тем самым меняем (в данном случае - уменьшаем) объем воздуха, наполняющего мяч. Газ, помещенный в сосуд заполняет его весь целиком. Нельзя наполнить половину бутылки так, как это можно сделать жидкостью.

Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объем.

Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов.

Одно и то же вещество может находиться в различных состояниях. Объяснить свойства веществ можно, если знать их молекулярное строение.

Так, например, вода, замерзая, становится твердым телом (лед), а при кипении обращается в газообразное состояние (пар). Это три состояния одного и того же вещества (воды), т.е. жидкое, твердое и газообразное. А если все три состояния воды - это состояния одного и того же вещества, значит, и молекулы его не отличаются друг от друга. Дело в том, что различные свойства вещества во всех состояниях определяются тем, что его молекулы расположены иначе, и двигаются по-разному.

Если газ сжимается и объем его уменьшается, следовательно, в газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. Поскольку в среднем расстояния между молекулами в десятки раз больше размера молекул, то они слабо притягиваются друг к другу. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объема.

Молекулы газа, двигаясь во всех направлениях, почти не притягиваются друг к другу и заполняют весь сосуд.

Молекулы жидкости расположены близко друг к другу. Расстояния между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул, поэтому притяжение между ними становится значительным.

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем.

Поскольку притяжение между молекулами жидкости не так велико, то они могут скачками менять свое положение. Жидкость не имеет свою форму, и принимает форму сосуда. Они текучи, их легко перелить из одного сосуда в другой.

Жидкость с трудом сжимается, так как при этом молекулы сближаются на расстояние, когда заметно проявляется отталкивание.

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) еще больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.

Три состояния вещества. Твердое, жидкое и газообразное.

В твердых телах молекулы (атомы) расположены в определенном порядке. Это лед, соль, металлы и др. Такие тела называются кристаллами.

Молекулы или атомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Твердое тело поэтому сохраняет не только объем, но и форму.

Расположение молекул воды в трех разных состояниях показано на рисунке: газообразном - водяной пар (рис, а), жидком - вода (рис, б) и твердом - лед (рис, в)