Строение веществ. Молекулы

Познать сущее нельзя извне, можно только изнутри Николай Бердяев

Еще в древности люди высказывали предположения о том, что все вещества состоят из очень маленьких частичек. Так, например, древнегреческий ученый Демокрит (460-370 г до н. э.) считал, что любое вещество состоит из неделимых частиц. Однако в течении длительного времени предположения Демокрита оставались без внимания. И лишь в восемнадцатом веке эти предположения сложились в более или менее стройную теорию. Представления о строении вещества помогли людям не только понять и объяснить те или иные физические явления, но и влиять на происхождение явлений, предсказывать поведение различных веществ при изменении внешних условий. Более того, люди научились сами получать вещества с заданными свойствами.

Некоторые явления можно легко предсказать, опираясь на свой повседневный опыт. Например, если сжать руками воздушный шарик, то он изменит свой объем и форму.

Если развязать шарик, то из него выйдет воздух. Если капнуть каплю краски в воду, то вода окрасится. Если нагреть лед, то он растает и превратится в воду.

Рассмотрим несколько целенаправленных опытов, которые дадут некоторые сведения о строении вещества. Возьмем самый обычный листочек с дерева. Можно ли его разделить? Конечно, легко можно его разорвать. Полученные кусочки можно разорвать ещё и ещё. Если растереть маленький кусочек листика пальцами, то можно увидеть, мелкие частички, оставшиеся у вас на пальцах. Можно провести аналогичный опыт с водой. Если взять бутылку, в которой находится некоторое количество воды.

Легко можно перелить часть воды в другую ёмкость, а из этой ёмкости – в еще одну, и так далее. Подобные опыты говорят нам, что самые различные вещества состоят из частиц.

Сжимая шарик, можно добиться уменьшения его объёма. При этом следует заметить, что количество частиц воздуха внутри шарика не изменилось. Следовательно, уменьшилось расстояние между частицами.

Аналогично, можно растянуть резиновый шнурок, тем самым увеличив его объём. Опять же, количество частиц от этого не меняется. Следовательно, увеличивается расстояние между частицами. Таким образом, вещество состоит из частиц, и между этими частицами есть определенные промежутки. Но только ли механическими усилиями можно уменьшить или увеличить эти промежутки? Оказывается, что нет. Можно провести следующий опыт: проденем шарик, подвешенный на цепочке через кольцо.

Нагреем этот шарик и попытаемся вытащить его обратно. После нагревания шарик в кольцо не пролезает. Это говорит о том, что при нагревании тела расширяются, то есть, увеличивается их объём. Если подождать, пока шарик остынет, то он снова сможет пройти через кольцо. Значит, при охлаждении, объем тела уменьшается. То же самое будет происходить и с жидкостью. Наполним сосуд водой до краев и закупорим его пробкой. В пробку проденем маленькую стеклянную трубку. При нагревании вода частично заполнит трубку, а, значит, объём воды тоже увеличивается при нагревании. Это хорошо подтверждается и другим бытовым опытом: если в сосуд с горячей водой опустить термометр, то столбик ртути поползет вверх. То есть, при нагревании ртути, промежутки между её частицами увеличиваются, что приводит к увеличению объёма.

Таким образом, когда частицы тела отдаляются друг от друга, объём тела увеличивается. И наоборот, когда частицы тела сближаются друг с другом, объём тела уменьшается. Может возникнуть вопрос: о каких частицах идет речь, если все тела являются сплошными и их можно перемещать целиком, не волнуясь о том, что эти частицы рассыплются?! Более детальное объяснения этих вопросов, будет раскрыто при дальнейшем изучении физики. Тем не менее, можно провести довольно простой опыт, подтверждающий, что вещество состоит из частиц. Возьмем три стакана с водой и окрасим воду в одном из них.

Перенесем часть окрашенной воды в другой стакан. Видно, что вода в этом стакане тоже окрасилась, но цвет менее насыщенный. Если затем перенести часть воды из второго стакана в третий, то вода в нем тоже окрасится, но совсем немного. Этот опыт подтверждает, что вещество состоит из частиц. Все меньшая насыщенность цвета в стаканах объясняется присутствием меньшего количества частиц краски. И это, конечно, лишь один из множества опытов, подтверждающих то, что вещества состоят из мельчайших частичек.

Такие частички были названы молекулами. Молекула в переводе с латинского языка означает «маленькая масса ». Размеры молекул настолько малы, что человеческий глаз просто не в состоянии увидеть отдельные молекулы. Чтобы представить, насколько малы молекулы, приведем несколько примеров. Например, в яблоке содержится примерно столько же молекул, сколько яблок можно было бы уложить внутри нашей планеты – Земли. Ещё один пример: в одной капле воды содержится примерно столько же молекул, сколько капель содержится в Черном море. В очень малом объёме воздуха – в одном кубическом миллиметре содержится 27×10¹⁵, то есть миллионы миллиардов молекул. Конечно, столь малые частицы мы не в состоянии увидеть без специальных приборов. Один из таких приборов называется электронным микроскопом: с его помощью, мы можем увидеть молекулы и получить их изображения. Например, на рисунке представлен один из видов частичек крови – эритроциты, а также витамин C.

На сегодняшний день ученые изучили множество различных молекул и с уверенностью могут сказать, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, но молекулы одинаковых веществ абсолютно одинаковы. Таким образом, из молекул воды может состоять только вода и ничего больше. Однако, даже молекулы не являются наиболее мелкими частицами. Они состоят из атомов (атом в переводе с греческого означает «неделимый»). При дальнейшем изучении физики будет показано, что и атом имеет внутреннее строение. Молекулы принято изображать схематически: вот, например, схематическое изображение молекулы воды: она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Каждое вещество имеет своё обозначение. Например, водород обозначается латинской буквой H, а кислород – буквой О. Таким образом, молекула воды имеет химическую формулу H₂O – эта формула показывает, что в молекуле два атома водорода и только один атом кислорода.

Если молекулы состоят из атомов, почему же, молекулы считаются наименьшими частицами данного вещества? Дело здесь вот в чем: молекулы образуют вещество таким, каким мы его видим, осязаем, ощущаем и так далее. Например, графит и алмаз являются совершенно разными веществами, поскольку их молекулы различны. Тем не менее, и молекулы графита, и молекулы алмаза, построены из атомов углерода.