Ахлебінін А, Габрієлян О, Остроумов І, Старт в хімію, Журнал «Хімія» № 4
Продовження. Початок див. у № 1, 2, 3/2006
Розділ 1. Хімія у центрі природознавства
§ 5. Хімія та фізика
До загальних питань хімії та фізики відносяться будова речовин та рух тих частинок, з яких речовини побудовані. Показово, що перші кроки у вивченні фізики ви робите, знайомлячись з молекулярно-кінетичною теорією, що має безпосереднє відношення як до фізики, так і до хімії.
Основне положення цієї теорії: речовини складаються з найдрібніших частинок. Це можуть бути молекули, атоми чи іони.
Молекула - це найдрібніша частка речовини, що визначає його властивості.З молекул складаються такі добре знайомі вам речовини, як вода та оцтова кислота, цукор і вуглекислий газ.
Більшість твердих речовин перебуває у кристалічному стані. Частинки речовини в кристалах розташовані в певному порядку. Якщо з'єднати їх уявними лініями, виходить правильна геометрична фігура, звана кристалічною решіткою . На рис. 34 представлені модель кристалічної решітки йоду та зразок цієї речовини. Ви думали, що йод – це рідина? Не слід плутати: у домашній аптечці є йодна настойка – розчин кристалічної речовини йоду в етиловому спирті. Подвійні кульки в моделі кристалічних ґрат – це і є молекули йоду I2.
Мал. 34. Модель кристалічної решітки йоду і кристали цієї речовини
Доказом того, що багато речовин складаються з молекул, може бути явище дифузії.Самомивільне поширення частинок однієї речовини між частинками іншої називається дифузією.
Мал. 35. Балончик дезодоранту
Явище дифузії можна пояснити тільки тим, що між молекулами речовини є проміжки,які можуть проникати молекули іншої речовини. Тому, наприклад, газоподібна речовина поширюється у повітрі без участі, тобто. мимовільно.
Приблизно те саме відбувається при розчиненні у воді цукру.
Явище дифузії доводить, що частинки, у тому числі складається речовина, перебувають у безперервному русі. Це зумовлює ще одне цікаве фізичне явище – броунівський рух.
Англійський ботанік Роберт Броун у 1827 р. вивчав будову пилку рослин. Спостерігаючи в мікроскоп за крупинками пилку в краплі води, учений з подивом помітив, що порошинки хаотично переміщаються, наче живі.Безладний рух дрібних частинок у рідкому або газоподібному середовищі називається броунівським рухом.
Можливо, крупинки квіткового пилку справді можуть рухатися без сторонньої допомоги? Перевіримо це за допомогою лабораторного експерименту. Для цього вам знадобиться мікроскоп та трохи чорної туші.
Нанесіть на предметне скло краплю чистої води і за допомогою пензлика підфарбуйте її невеликою кількістю чорної туші, попередньо розведеною водою до світло-сірого кольору. Накрийте краплю покривним склом. Переміщаючи мікроскопний тубус, досягайте чіткого зображення. Ви побачите, як чорні частинки туші роблять мимовільний рух. Але ж їх точно не можна назвати живими! Такий досвід поставив видатний французький учений Ж.Б.Перрен. Він замалював рух частинок приблизно так, як показано на рис. 36.
Мал. 36. Броунівський рух частинок туші у воді
Досвід Перрена став ще одним переконливим доказом існування молекул. Він показав, що причина броунівського руху полягає в безперервному, ніколи не припиняється рух молекул рідини або газу. Зрозуміло,що крупинки твердої речовини у багато разів більші за молекули, які не можна побачити в мікроскоп. Однак вони відчувають постійні зіткнення з молекулами рідини, що змушує їх переміщатися.
Молекули речовин складаються із ще дрібніших частинок – атомів.Атоми - це дрібні електронейтральні частинки, з яких складаються молекули речовин.
Є речовини, які складаються не з молекул, та якщо з атомів. До них відносяться алмаз, графіт, кремній, кварц, сапфір та рубін. З окремих атомів складаються гази, які називають шляхетними (гелій, неон). Моделі кристалічних ґрат деяких речовин атомної будови та їх зразки зображені на рис. 37.
Мал. 37.
Кристалічні грати та зразки: а – алмаз; б – графіт; в – кварц
Багато речовин складаються не з молекул чи атомів, та якщо з іонів.Іони - це позитивно або негативно заряджені частинки, що утворилися з атомів.Кухонна сіль, сода, марганцівка - це речовини, що складаються з іонів.
Моделі кристалічних грат речовин іонної будови та зразки відповідних природних мінералів ви можете розглянути на рис. 38.
Мал. 38. Моделі кристалічних решіток і зразки природних мінералів: а – фторид кальцію (мінерал флюорит); б - хлорид натрію (мінерал галіт)
У попередньому експерименті ви спостерігали дифузію «ароматних» молекул у повітрі. Неважко побачити дифузію у водному розчині речовин, що складаються з іонів.
Мал. 39. Дифузія забарвлених іонів речовини у водному розчині
На швидкість дифузії речовин істотно впливає температура. Попередній експеримент можна провести у двох судинах, один з яких помістити в холодильник, другий залишити у кімнаті. Як ви думаєте, в якій із судинрозчин стане однорідним швидше?
Таким чином, за складом розрізняють речовини молекулярної та немолекулярної будови.
1.Які частки називають молекулами, а які – атомами?
2.Що таке дифузія? Як виявляється дифузія пахучих речовин? Чому ми відчуваємо запахи з відривом?
3.Що таке іони? Які речовини складаються з іонів? Чи характерна дифузія для таких речовин?
4.Що таке броунівський рух? Як досвідченим шляхом змоделювати броунівський рух? Що доводить цей рух?
5.Яке обладнання потрібно використовувати для спостереження броунівського руху?
6.Візьміть півсклянки кип'яченої води і додайте чайну ложку цукру. Не перемішуючи вміст склянки, спробуйте воду на смак.
Поступово при розчиненні кристаликів цукру молекули цієї речовини проникають між молекулами води. Процеси розчинення та дифузії прискорюються при перемішуванні. Періодично спробуйте смак розчину. Як він змінюється?
§ 6. Агрегатні стани речовин
Одна й та сама речовина в залежності від умов може перебувати в кожному з трьох станів: газоподібному, рідкому та твердому. Такі стани прийнято називати агрегатними. Приклад: твердий агрегатний стан води – це лід, а також дуже невеликі кристалики, наприклад, сніжинки, які, однак, можуть бути спресовані у величезні брили – айсберги (рис. 40).
Мал. 40. Крижаний візерунок на склі і гігантські айсберги - це твердий агрегатний стан води
При температурі 0 °С лід починає плавитися і перетворюється на рідину (рис. 41). Подальше нагрівання призведе до того, що за 100 °С вода закипить і перейде в третій агрегатний стан - газоподібний. Часто ми називаємо цей станпором, однак майте на увазі, що побачити воду в газоподібному стані не можна. Ті білясті «хмарки», які ми називаємо парою та появою яких супроводжується кипіння води, – це найдрібніші водяні крапельки. Скупчення таких крапельок в атмосфері є добре знайомими вам хмарами (рис. 42).
Мал. 41. Танення льоду
Більшість газоподібних речовин є безбарвними, побачити їх непросто. Гази приймають форму тієї судини, в якій вони знаходяться, а їх обсяг залежить від температури і тиску, а тому стискаються гази.
Мал. 42. Хмари – це мільярди найдрібніших крапельок води
Газоподібні речовини тільки здаються такими «м'якими» та невагомими. За великих тисків це дуже потужна сила. Наприклад, за допомогою стисненого повітря зачиняються і відчиняються двері в автобусах, потік розпечених газів реактивного двигуна піднімає вгору літаки, купол парашута, обіймаючи пружне повітря, дозволяє плавно опуститися на землю не тільки парашутисту, а й космічному апарату з космонавтами.
"Невагомість" газів - поняття відносне. У цьому легко переконатись у простому досвіді.
Звичніше для нас переливати не гази, а рідини. Речовини в рідкому агрегатному стані набувають форми тієї посудини, в яку їх налили. Це одна з найважливіших властивостей рідини – плинність (рис. 43). Одні речовини більш текучи, вони швидко розтікаються плоскою поверхнею, наприклад, вода, спирт, бензин, ацетон. Різні рідини мають різну плинність. Крапля рідкого меду на склі не перетворюється на тонку плівку, і щоб змусити її текти, скло доведеться поставити майже вертикально.
Мал. 43. Плинність - важлива властивість рідин
На відміну від газів рідини практично стисливі. Якщо з розмаху грюкнути долонею по поверхніводи, ефект буде таким самим, як при ударі по кришці столу.
При охолодженні рідкі речовини переходять у твердий агрегатний стан. Разом із рідиною зникає та її найважливіша властивість – плинність. Тверді тіла зберігають як свій об'єм (вони також майже стисливі), так і форму. У яку б ємність ви не пересипали кубики льоду з морозильника, вони так і залишаться кубиками, поки не розтануть (див. рис. 41).
Перехід речовин з одного агрегатного стану в інший, а також дифузію та броунівський рух відносять до фізичних явищ. Адже при цьому немає перетворень речовин, руйнування їх молекул.
Явища, у яких змінюються агрегатний стан речовини, форма чи розміри тіл, побудованих із цієї речовини, але зберігається її хімічний склад, називаютьсяфизическими.
І все-таки більш правильно аналізувати агрегатний стан речовини, орієнтуючись не так на зовнішню форму, але в його внутрішню будову.
У газах відстань між молекулами дуже велика проти розмірами самих молекул. Саме тому гази легко стискаються. Молекули газоподібних речовин дуже слабо пов'язані один з одним, вони стикаються і розлітаються подібно до більярдних куль, не «зчіпляючись» між собою.
Повною протилежністю газам є тверді речовини, в яких частинки «вишикувалися» в строгому порядку, подібно до солдатів у строю. Така впорядкована будова, як ви вже знаєте, мають кристали. Сили взаємного тяжіння частинок такі великі, що відірвати одну від іншої дуже непросто.
Рідкі речовини – щось середнє між газами та кристалами, якщо брати до уваги відстань між частинками та їхнє взаємне тяжіння.
Існують речовини настільки в'язкі, що довго зберігають свою форму і не розтікаються.Отже, їх можна зарахувати до твердих речовин. Однак, подібно до звичайних рідин, розташування частинок у них не впорядковане. Такі речовини називаютьаморфними. До них відносяться бурштин, віск, скло, смоли, багато пластмас (рис. 44).
Мал. 44. Бурштин, віск, скло – аморфні речовини
Як же відрізнити кристалічну речовину від аморфної? Якщо скло нагрівати, воно поступово розм'якшується, стає дедалі текучим, доки перетвориться на типову рідину. Це якраз і показує, що різкої межі між аморфними та рідкими речовинами немає. Кожна кристалічна речовина має певну температуру (або точку) плавлення, при якій вона переходить з твердого стану в рідке.
1.Назвіть три агрегатні стани речовини.
2.Як агрегатний стан води пов'язаний з її кругообігом?
3.Чим відрізняється будова газоподібної речовини від рідкої? Що спільного між газами та рідинами?
4.Що характеризує твердий станречовини?
5.Які явища називають фізичними?
6.Наведіть приклади фізичних явищ, відомих вам із повсякденного життя або спостережень за природними явищами.
7.Чим відрізняються тверді кристалічні речовини від твердих аморфних? Наведіть приклади тих та інших, відомих вам із повсякденного життя.
8.Порожню пластикову пляшку щільно закрийте пробкою і поставте в холодильник. Буквально за хвилину ви побачите, що стінки пляшки втягнулися всередину, ніби хтось відкачав із неї частину повітря. Чому так сталося? Чи набуде пляшка колишню форму, якщо її вийняти з холодильника?