Ахлебинин А, Габриелян О, Остроумов И, Начало в химията, сп. Химия № 4
Продължение. Виж началото в бр. 1, 2, 3/2006
Глава 1. Химията в центъра на естествените науки
§ 5. Химия и физика
Общите въпроси на химията и физиката включват структурата на веществата и движението на онези частици, от които са изградени веществата. Показателно е, че правите първите стъпки в изучаването на физиката, като се запознаете с молекулярно-кинетичната теория, която е пряко свързана както с физиката, така и с химията.
Основната позиция на тази теория: веществата са съставени от малки частици. Това могат да бъдат молекули, атоми или йони.
Молекулата е най-малката частица от дадено вещество, която определя свойствата му.Молекулите изграждат добре познати вещества като вода и оцетна киселина, захар и въглероден диоксид.
Повечето твърди вещества са в кристално състояние. Частиците материя в кристалите са подредени в строго определен ред. Ако ги свържете с въображаеми линии, ще получите правилна геометрична фигура, нареченакристална решетка. На фиг. 34 показва модел на кристалната решетка на йод и проба от това вещество. Мислехте ли, че йодът е течност? Не се бъркайте: във вашия домашен комплект за първа помощ има йодна тинктура - разтвор на йодно кристално вещество в етилов алкохол. Двойните топки в модела на кристалната решетка са молекулите на йод I2.
Ориз. 34. Модел на кристалната решетка на йод и кристали на това вещество
Доказателството, че много вещества са съставени от молекули, може да бъде явлението дифузия.Спонтанното разпространение на частици от едно вещество между частици от друго се нарича дифузия.
Ориз. 35. Бутилка с дезодорант
Феноменът на дифузия може да се обясни само с факта, че има празнини между молекулите на дадено вещество, вкоито могат да проникнат в молекулите на друго вещество. Следователно, например, едно газообразно вещество се разпространява във въздуха без наше участие, т.е. спонтанно.
Същото се случва, когато захарта се разтвори във вода.
Феноменът на дифузията доказва, че частиците, които изграждат материята, са в непрекъснато движение. Това предизвиква друго интересно физическо явление – Брауновото движение.
Английският ботаник Робърт Браун през 1827 г. изучава структурата на растителния прашец. Наблюдавайки зърна прашец в капка вода през микроскоп, ученият с изненада забеляза, че зърната прах се движат хаотично, сякаш живи.Случайното движение на най-малките частици в течна или газообразна среда се нарича брауново движение.
Може ли поленовите зърна наистина да могат да се движат без чужда помощ? Нека проверим това с лабораторен експеримент. За да направите това, ще ви трябва микроскоп и малко черно мастило.
Поставете капка чиста вода върху предметно стъкло и използвайте четка, за да го оцветите с много малко количество черно мастило, предварително разредено с вода до светлосив цвят. Покрийте капката с покривно стъкло. Чрез преместване на тръбата на микроскопа постигнете ясен образ. Ще видите как частиците черно мастило правят спонтанно движение. Но те със сигурност не могат да бъдат наречени живи! Подобен експеримент е поставен от изключителния френски учен JB Perrin. Той скицира движението на частиците приблизително, както е показано на фиг. 36.
Ориз. 36. Брауново движение на частици от труп във вода
Експериментът на Перин беше още едно убедително доказателство за съществуването на молекули. Той показа, че причината за брауновото движение е непрекъснатото, безкрайно движение на молекулите на течност или газ. Разбира сече зърната на твърдото вещество са многократно по-големи от молекули, които не могат да се видят с микроскоп. Те обаче изпитват постоянни сблъсъци с течни молекули, което ги кара да се движат.
Молекулите на материята са съставени от още по-малки частици, наречени атоми.Атомите са най-малките електрически неутрални частици, които изграждат молекулите на веществата.
Има вещества, които не са съставени от молекули, а от атоми. Те включват диамант, графит, силиций, кварц, сапфир и рубин. Газовете, които се наричат благородни газове (хелий, неон), са съставени от отделни атоми. Модели на кристални решетки на някои вещества с атомна структура и техните проби са показани на фиг. 37.
Ориз. 37.
Кристални решетки и образци: а - диамант; b - графит; c - кварц
Много вещества не са съставени от молекули или атоми, а от йони.Йоните са положително или отрицателно заредени частици, образувани от атоми.Трапезната сол, содата, калиевият перманганат са вещества, състоящи се от йони.
Модели на кристални решетки на вещества с йонна структура и проби от съответните естествени минерали могат да се видят на фиг. 38.
Ориз. 38. Модели на кристални решетки и образци на природни минерали: а - калциев флуорид (минерал флуорит); b - натриев хлорид (минерал халит)
В предишния експеримент наблюдавахте дифузията на "ароматни" молекули във въздуха. Лесно е да се види дифузия във воден разтвор на вещества, състоящи се от йони.
Ориз. 39. Дифузия на цветни йони на вещество във воден разтвор
Температурата оказва значително влияние върху скоростта на дифузия на веществата. Предишният опит може да се проведе в два съда, единият от които се поставя в хладилника, а вторият се оставя в стаята. В кой от съдовете мислитеразтворът ще стане ли по-бързо хомогенен?
Така според състава се разграничават вещества с молекулярна и немолекулна структура.
1.Кои частици се наричат молекули и кои атоми?
2.Какво е дифузия? Как се открива дифузията на миризливи вещества? Защо миришем от разстояние?
3.Какво представляват йоните? Какви вещества са изградени от йони? Дифузията характерна ли е за такива вещества?
4.Какво е брауново движение? Как експериментално да симулирам Брауново движение? Какво доказва това движение?
5.Какво оборудване трябва да се използва за наблюдение на брауновото движение?
6.Вземете половин чаша преварена вода и добавете чаена лъжичка захар. Без да разбърквате съдържанието на чашата, опитайте водата.
Постепенно, когато кристалите на захарта се разтварят, молекулите на това вещество проникват между водните молекули. Чрез разбъркване се ускоряват процесите на разтваряне и дифузия. Опитвайте разтвора периодично. Как се променя?
§ 6. Агрегатни състояния на веществата
Едно и също вещество, в зависимост от условията, може да бъде във всяко от трите състояния: газообразно, течно и твърдо. Такива състояния се наричат агрегатни състояния. Пример: твърдото агрегатно състояние на водата е лед, както и много малки кристали, като снежинки, които обаче могат да бъдат компресирани в огромни блокове - айсберги (фиг. 40).
Ориз. 40. Леденият модел върху стъклото и гигантските айсберги са твърдо агрегатно състояние на вода
При температура 0 °C ледът започва да се топи и се превръща в течност (фиг. 41). По-нататъшното нагряване ще доведе до факта, че при 100 ° C водата ще заври и ще премине в третото състояние на агрегиране - газообразно. Често наричаме това състояниеферибот, но имайте предвид, че не можете да видите вода в газообразно състояние. Тези белезникави "облаци", които наричаме пара и чиято поява е придружена от кипене на водата, са най-малките водни капчици. Натрупването на такива капчици в атмосферата е облаците, които познавате (фиг. 42).
Ориз. 41. Топящ се лед
Повечето газообразни вещества са безцветни и трудно се виждат. Газовете приемат формата на съда, в който се намират, а обемът им зависи от температурата и налягането, поради което газовете са компресируеми.
Ориз. 42. Облаците са милиарди от най-малките капчици вода
Газообразните вещества само изглеждат толкова "меки" и безтегловни. При високо налягане това е много мощна сила. Например, с помощта на сгъстен въздух вратите в автобусите се затварят и отварят, поток от горещи газове от реактивен двигател повдига самолети, парашутен купол, обхващащ еластичен въздух, позволява не само на парашутист, но и на космически кораб с астронавти да се спусне плавно на земята.
„Безтегловността“ на газовете е относително понятие. Това може лесно да се види от един прост експеримент.
По-обичайно е да наливаме не газове, а течности. Веществата в течно агрегатно състояние приемат формата на съда, в който се изсипват. Това е едно от най-важните свойства на течността - течливост (фиг. 43). Някои вещества са по-течни, бързо се разпространяват върху плоска повърхност, например вода, алкохол, бензин, ацетон. Различните течности имат различна течливост. Капка течен мед върху стъкло не се превръща в тънък филм и за да тече, стъклото трябва да се постави почти вертикално.
Ориз. 43. Течливостта е важно свойство на течностите
За разлика от газовете, течностите са практически несвиваеми. Ако ударите дланта си по повърхността със замахвода, ефектът ще бъде същият като да ударите плота на масата.
При охлаждане течните вещества преминават в твърдо агрегатно състояние. Заедно с течността изчезва и нейното най-важно свойство - течливостта. Твърдите тела запазват както обема си (също така са почти несвиваеми), така и формата си. В какъвто и съд да изсипете кубчетата лед от фризера, те ще останат на кубчета, докато се разтопят (вижте фиг. 41).
Преходът на веществата от едно агрегатно състояние в друго, както и дифузията и брауновото движение се наричат физични явления. Всъщност в този случай няма трансформация на вещества, разрушаване на техните молекули.
Явленията, при които се променя агрегатното състояние на дадено вещество, формата или размерът на телата, изградени от това вещество, но се запазва химичният му състав, се наричат физични.
И все пак е по-правилно да се анализира състоянието на агрегация на веществото, като се фокусира не върху външната форма, а върху вътрешната му структура.
В газовете разстоянието между молекулите е много голямо в сравнение с размера на самите молекули. Ето защо газовете са лесно компресируеми. Молекулите на газообразните вещества са много хлабаво свързани една с друга, те се сблъскват и разпръскват като билярдни топки, без да се "вкопчват" една в друга.
Точната противоположност на газовете са твърдите вещества, в които частиците са "подредени" в строг ред, като войници в редиците. Такава подредена структура, както вече знаете, имат кристалите. Силите на взаимно привличане на частиците са толкова големи, че е много трудно да се отделят една от друга.
Течните вещества са нещо средно между газове и кристали, ако вземем предвид разстоянието между частиците и тяхното взаимно привличане.
Има толкова вискозни вещества, че запазват формата си за дълго време и не се разпространяват.Следователно те могат да бъдат класифицирани като твърди вещества. Въпреки това, подобно на обикновените течности, разположението на частиците в тях не е подредено. Такива вещества се наричат аморфни. Те включват кехлибар, восък, стъкло, смоли и много пластмаси (фиг. 44).
Ориз. 44. Кехлибар, восък, стъкло - аморфни вещества
Как да различим кристално вещество от аморфно? Ако стъклото се нагрее, то постепенно омеква, става все по-течно, докато се превърне в типична течност. Това само показва, че няма рязка граница между аморфни и течни вещества. Всяко кристално вещество има определена точка на топене (или точка), при която преминава от твърдо в течно.
1.Назовете три състояния на материята.
2.Как агрегатното състояние на водата е свързано с нейната циркулация?
3.Каква е разликата между структурата на газообразно вещество и течност? Какво е общото между газовете и течностите?
4.Какво характеризира твърдото състояниена дадено вещество?
5.Какви явления се наричат физически?
6.Дайте примери за физически явления, познати ви от ежедневието или наблюдение на природни явления.
7.Как кристалните твърди вещества се различават от аморфните? Дайте примери и за двете, които познавате от ежедневието.
8.Затворете празната пластмасова бутилка плътно с тапа и я поставете в хладилника. Само след минута ще видите, че стените на бутилката са дръпнати навътре, сякаш някой е изпомпал част от въздуха от нея. защо стана така Бутилката ще се върне ли в първоначалната си форма, когато бъде извадена от хладилника?