Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №4/2006

УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3/2006

Глава 1.
Химия в центре естествознания

(продолжение)

 

§ 5. Химия и физика

К общим вопросам химии и физики относятся строение веществ и движение тех частиц, из которых вещества построены. Показательно, что самые первые шаги в изучении физики вы делаете, знакомясь с молекулярно-кинетической теорией, имеющей непосредственное отношение как к физике, так и к химии.

Основное положение этой теории: вещества состоят из мельчайших частиц. Это могут быть молекулы, атомы или ионы.

Молекула – это мельчайшая частица вещества, определяющая его свойства. Из молекул состоят такие хорошо знакомые вам вещества, как вода и уксусная кислота, сахар и углекислый газ.

Большинство твердых веществ находится в кристаллическом состоянии. Частицы вещества в кристаллах расположены в строго определенном порядке. Если соединить их воображаемыми линиями, получается правильная геометрическая фигура, называемая кристаллической решеткой. На рис. 34 представлены модель кристаллической решетки йода и образец этого вещества. Вы думали, что йод – это жидкость? Не следует путать: в вашей домашней аптечке есть йодная настойка – раствор кристаллического вещества йода в этиловом спирте. Двойные шарики в модели кристаллической решетки – это и есть молекулы йода I2.

Рис. 34. Модель кристаллической решетки йода и кристаллы этого вещества
Рис. 34.
Модель кристаллической решетки йода
и кристаллы этого вещества

Доказательством того, что многие вещества состоят из молекул, может служить явление диффузии. Самопроизвольное распространение частиц одного вещества между частицами другого называется диффузией.

Задание-эксперимент. На расстоянии 3 м от вас ваш помощник распыляет вверх в течение 2 с освежитель воздуха или дезодорант-аэрозоль (рис. 35). Определите через сколько времени вы почувствуете запах ароматизатора. Рассчитайте скорость распространения газообразного вещества.

 

Рис. 35. Баллончик дезодоранта
Рис. 35.
Баллончик дезодоранта

Явление диффузии можно объяснить только тем, что между молекулами вещества есть промежутки, в которые могут проникать молекулы другого вещества. Поэтому, к примеру, газообразное вещество распространяется в воздухе без нашего участия, т.е. самопроизвольно.

Примерно то же самое происходит при растворении в воде сахара.

Явление диффузии доказывает, что частицы, из которых состоит вещество, находятся в непрерывном движении. Это обусловливает еще одно интересное физическое явление – броуновское движение.

Английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. изучал строение пыльцы растений. Наблюдая в микроскоп за крупинками пыльцы в капле воды, ученый с удивлением заметил, что пылинки хаотически перемещаются, словно живые. Беспорядочное движение мельчайших частиц в жидкой или газообразной среде называется броуновским движением.

Может быть, крупинки цветочной пыльцы и вправду могут двигаться без посторонней помощи? Давайте проверим это с помощью лабораторного эксперимента. Для этого вам понадобится микроскоп и немного черной туши.

Нанесите на предметное стекло каплю чистой воды и с помощью кисточки подкрасьте ее очень небольшим количеством черной туши, предварительно разведенной водой до светло-серого цвета. Накройте каплю покровным стеклом. Перемещая тубус микроскопа, добейтесь четкого изображения. Вы увидите, как черные частицы туши совершают самопроизвольное движение. Но ведь их-то точно нельзя назвать живыми! Подобный опыт поставил выдающийся французский ученый Ж.Б.Перрен. Он зарисовал движение частиц примерно так, как показано на рис. 36.

 Рис. 36. Броуновское движение частиц туши в воде
Рис. 36.
Броуновское движение
частиц туши в воде

Опыт Перрена стал еще одним убедительным доказательством существования молекул. Он показал, что причина броуновского движения состоит в непрерывном, никогда не прекращающемся движении молекул жидкости или газа. Разумеется, что крупинки твердого вещества во много раз больше молекул, которые нельзя увидеть в микроскоп. Однако они испытывают постоянные столкновения с молекулами жидкости, что и заставляет их перемещаться.

Молекулы веществ состоят из еще более мелких частиц – атомов. Атомы – это мельчайшие электронейтральные частицы, из которых состоят молекулы веществ.

Есть вещества, которые состоят не из молекул, а из атомов. К ним относятся алмаз, графит, кремний, кварц, сапфир и рубин. Из отдельных атомов состоят газы, которые называют благородными (гелий, неон). Модели кристаллических решеток некоторых веществ атомного строения и их образцы изображены на рис. 37.

Рис. 37. Кристаллические решетки и образцы: а – алмаз; б – графит; в – кварц
Рис. 37.

Кристаллические решетки и образцы:
а – алмаз; б – графит; в – кварц

Многие вещества состоят не из молекул или атомов, а из ионов. Ионы – это положительно или отрицательно заряженные частицы, образовавшиеся из атомов. Поваренная соль, сода, марганцовка – это вещества, состоящие из ионов.

Модели кристаллических решеток веществ ионного строения и образцы соответствующих природных минералов вы можете рассмотреть на рис. 38.

Рис. 38. Модели кристаллических решеток и образцы природных минералов: а – фторид кальция (минерал флюорит); б – хлорид натрия (минерал галит)

Рис. 38.
Модели кристаллических решеток
и образцы природных минералов:
а – фторид кальция (минерал флюорит);
б – хлорид натрия (минерал галит)

В предыдущем эксперименте вы наблюдали диффузию «ароматных» молекул в воздухе. Нетрудно увидеть диффузию в водном растворе веществ, состоящих из ионов.

Задание-эксперимент. В стеклянный стакан или пол-литровую банку с водой бросьте несколько кристалликов марганцовки. Вскоре появятся малиновые разводы: вещество при растворении вызывает окраску воды (рис. 39). Через некоторое время цвет жидкости станет совершенно однородным.

 

Рис. 39. Диффузия окрашенных ионов вещества в водном растворе
Рис. 39.
Диффузия
окрашенных ионов вещества
в водном растворе

На скорость диффузии веществ существенное влияние оказывает температура. Предыдущий эксперимент можно провести в двух сосудах, один из которых поместить в холодильник, второй оставить в комнате. Как вы думаете, в каком из сосудов раствор станет однородным быстрее?

Таким образом, по составу различают вещества молекулярного и немолекулярного строения.

1. Какие частицы называют молекулами, а какие – атомами?

2. Что такое диффузия? Как обнаруживается диффузия пахучих веществ? Почему мы чувствуем запахи на расстоянии?

3. Что такое ионы? Какие вещества состоят из ионов? Характерна ли диффузия для таких веществ?

4. Что такое броуновское движение? Как опытным путем смоделировать броуновское движение? Что доказывает это движение?

5. Какое оборудование нужно использовать для наблюдения броуновского движения?

6. Возьмите полстакана кипяченой воды и добавьте чайную ложку сахара. Не перемешивая содержимого стакана, попробуйте воду на вкус.

Постепенно при растворении кристалликов сахара молекулы этого вещества проникают между молекулами воды. Процессы растворения и диффузии ускоряются при перемешивании. Периодически пробуйте вкус раствора. Как он изменяется?

§ 6. Агрегатные состояния веществ

Одно и то же вещество в зависимости от условий может находиться в каждом из трех состояний: газообразном, жидком и твердом. Такие состояния принято называть агрегатными. Пример: твердое агрегатное состояние воды – это лед, а также очень небольшие кристаллики, например снежинки, которые, однако, могут быть спрессованы в огромные глыбы – айсберги (рис. 40).

Рис. 40. Ледяной узор на стекле и гигантские айсберги – это твердое агрегатное состояние воды

Рис. 40.
Ледяной узор на стекле
и гигантские айсберги – это твердое
агрегатное состояние воды

При температуре 0 °С лед начинает плавиться и превращается в жидкость (рис. 41). Дальнейшее нагревание приведет к тому, что при 100 °С вода закипит и перейдет в третье агрегатное состояние – газообразное. Часто мы называем это состояние паром, однако имейте в виду, что увидеть воду в газообразном состоянии нельзя. Те белесые «облачка», которые мы называем паром и появлением которых сопровождается кипение воды, – это мельчайшие водяные капельки. Скопление таких капелек в атмосфере представляет собой хорошо знакомые вам облака (рис. 42).

Рис. 41. Таяние льда
Рис. 41.
Таяние льда

Большинство газообразных веществ бесцветны, увидеть их непросто. Газы принимают форму того сосуда, в котором они находятся, а их объем зависит от температуры и давления, а потому газы сжимаемы.

Рис. 42. Облака – это миллиарды мельчайших капелек воды

Рис. 42.
Облака – это миллиарды
мельчайших капелек воды

Газообразные вещества только кажутся такими «мягкими» и невесомыми. При больших давлениях это очень мощная сила. Например, с помощью сжатого воздуха закрываются и открываются двери в автобусах, поток раскаленных газов реактивного двигателя поднимает ввысь самолеты, купол парашюта, обнимая упругий воздух, позволяет плавно опуститься на землю не только парашютисту, но и космическому аппарату с космонавтами.

«Невесомость» газов – понятие относительное. В этом легко убедиться на простом опыте.

Демонстрационный эксперимент. На двух чашках уравновешенных весов стоят одинаковые химические стаканы. Рядом под стеклом стоит стакан, наполненный углекислым газом. Учитель «переливает» из него газ в один из стаканов на весах. Что происходит? Какой из газов тяжелее: воздух или углекислый газ? Придут ли весы вновь в равновесие? Объясните почему.

Более привычно для нас переливать не газы, а жидкости. Вещества в жидком агрегатном состоянии принимают форму того сосуда, в который их налили. Это одно из важнейших свойств жидкости – текучесть (рис. 43). Одни вещества более текучи, они быстро растекаются по плоской поверхности, например, вода, спирт, бензин, ацетон. Разные жидкости обладают разной текучестью. Капля жидкого меда на стекле не превращается в тонкую пленку, и, чтобы заставить ее течь, стекло придется поставить почти вертикально.

Рис. 43. Текучесть – важное свойство жидкостей
Рис. 43.
Текучесть – важное
свойство жидкостей

В отличие от газов жидкости практически несжимаемы. Если с размаху хлопнуть ладонью по поверхности воды, эффект будет таким же, как при ударе по крышке стола.

При охлаждении жидкие вещества переходят в твердое агрегатное состояние. Вместе с жидкостью исчезает и ее важнейшее свойство – текучесть. Твердые тела сохраняют как свой объем (они также почти не сжимаемы), так и форму. В какую бы емкость вы ни пересыпали кубики льда из морозильника, они так и останутся кубиками, пока не растают (см. рис. 41).

Переход веществ из одного агрегатного состояния в другое, а также диффузию и броуновское движение относят к физическим явлениям. Ведь при этом не происходит превращений веществ, разрушения их молекул.

Явления, при которых изменяются агрегатное состояние вещества, форма или размеры тел, построенных из этого вещества, но сохраняется его химический состав, называются физическими.

И все-таки более правильно анализировать агрегатное состояние вещества, ориентируясь не на внешнюю форму, а на его внутреннее строение.

В газах расстояние между молекулами очень велико по сравнению с размерами самих молекул. Именно поэтому газы легко сжимаемы. Молекулы газообразных веществ очень слабо связаны друг с другом, они сталкиваются и разлетаются подобно бильярдным шарам, не «сцепляясь» между собой.

Полной противоположностью газам являются твердые вещества, в которых частицы «выстроились» в строгом порядке, подобно солдатам в строю. Такое упорядоченное строение, как вы уже знаете, имеют кристаллы. Силы взаимного притяжения частиц так велики, что оторвать одну от другой очень непросто.

Жидкие вещества – нечто среднее между газами и кристаллами, если принимать во внимание расстояние между частицами и их взаимное притяжение.

Существуют вещества настолько вязкие, что они долго сохраняют свою форму и не растекаются. Значит, их можно отнести к твердым веществам. Однако, подобно обычным жидкостям, расположение частиц в них не упорядочено. Такие вещества называют аморфными. К ним относятся янтарь, воск, стекло, смолы, многие пластмассы (рис. 44).

Рис. 44. Янтарь, воск, стекло – аморфные вещества
Рис. 44.
Янтарь, воск, стекло – аморфные вещества

Как же отличить кристаллическое вещество от аморфного? Если стекло нагревать, то оно постепенно размягчается, становится все более текучим, пока не превратится в типичную жидкость. Это как раз и показывает, что резкой границы между аморфными и жидкими веществами нет. У каждого кристаллического вещества есть определенная температура (или точка) плавления, при которой оно переходит из твердого состояния в жидкое.

1. Назовите три агрегатных состояния вещества.

2. Как агрегатное состояние воды связано с ее круговоротом?

3. Чем отличается строение газообразного вещества от жидкого? Что общего между газами и жидкостями?

4. Что характеризует твердое состояние вещества?

5. Какие явления называют физическими?

6. Приведите примеры физических явлений, известных вам из повседневной жизни или наблюдений за природными явлениями.

7. Чем отличаются твердые кристаллические вещества от твердых аморфных? Приведите примеры тех и других, известные вам из повседневной жизни.

8. Пустую пластиковую бутылку плотно закройте пробкой и поставьте в холодильник. Буквально через минуту вы увидите, что стенки бутылки втянулись внутрь, будто кто-то откачал из нее часть воздуха. Почему так произошло? Примет ли бутылка прежнюю форму, если ее вынуть из холодильника?