Из чего состоят вещества?

Почему вещество кажется сплошным, что скрывается за словом «молекула» и как опыты помогают узнать о частицах.

Строение вещества из частиц

Глядя на каплю воды или кусочек стекла, мы не замечаем внутри отдельных частиц. Вещество кажется непрерывным. Но это впечатление связано с ограниченными возможностями нашего зрения: очень мелкие детали глаз не различает.

Вещество имеет дискретное строение: оно состоит из отдельных частиц, между которыми есть промежутки. Такими частицами могут быть атомы, молекулы, а в некоторых веществах — ионы. В этом уроке главное внимание уделим атомам и молекулам.

Размеры частиц и расстояния между ними настолько малы, что даже крошечная видимая порция вещества содержит огромное их число. Песчинка и пылинка — уже большие образования по сравнению с атомами. Их нельзя считать отдельными молекулами.

Две основные идеи

Вещество состоит из частиц. Между частицами существуют промежутки. Представление об этом помогает объяснять наблюдаемые изменения тел.

Школьные рисунки с шариками — модели. Они выделяют нужные свойства: наличие частиц, их взаимное расположение и состав. Цвет, размеры и расстояния на таком рисунке не обязаны совпадать с реальными.

Как узнать о том, чего не видно?

Идея частиц появилась задолго до приборов, позволяющих исследовать отдельные атомы. Ещё древнегреческие мыслители, в том числе Демокрит, пытались объяснить разнообразие веществ через мельчайшие составляющие. Но предположение само по себе не является доказательством.

В физике объяснение сравнивают с результатами опыта. Если одна модель помогает понять несколько разных явлений, это усиливает доверие к ней. Разбавление окрашенной воды и тепловое расширение дают наглядные поводы обсудить внутреннее строение вещества.

Это косвенные свидетельства: в таких опытах мы не наблюдаем отдельную молекулу. Мы видим изменения целого образца и объясняем их на основе модели. Современные исследования с помощью специальных приборов позволяют получать сведения об отдельных атомах и молекулах. Такие изображения не следует путать с обычной фотографией цветных шариков.

«Раствор стал светлее» — описание наблюдаемого. «На тот же объём приходится меньше частиц красителя» — объяснение этого результата. Полезно проговаривать эти два шага отдельно.

Опыт с окрашенной водой

Добавим в воду немного растворимого красителя и перемешаем. Затем возьмём часть полученного раствора и добавим к ней чистую воду. Цвет станет менее насыщенным. Если повторить перенос и разбавление, окраска ещё ослабеет.

Даже небольшая взятая порция содержит множество частиц красителя. После перемешивания они распределяются по большему объёму. Поэтому в одинаковом объёме разбавленного раствора частиц красителя оказывается меньше, чем до разбавления.

В интерактивном опыте используется определённое правило: на каждом шаге оставляем половину однородного раствора и доливаем чистую воду до прежнего объёма. В оставшейся половине содержится половина прежнего количества красителя. При восстановлении объёма его концентрация уменьшается в два раза.

Исходную концентрацию принимаем за 100%. После первого разбавления получаем 50%, после второго — 25%, после третьего — 12,5%. Количество красителя в удалённой части тоже нужно учитывать: оно не исчезает, а остаётся в другой порции раствора.

Полоса на странице показывает относительную концентрацию. Это не точный расчёт воспринимаемого глазом цвета: видимый оттенок зависит также от освещения, свойств красителя и толщины слоя жидкости. При сильном разбавлении цвет может перестать различаться, хотя краситель ещё присутствует.

Само по себе ослабление цвета не доказывает все подробности строения вещества. Это понятный вводный опыт, который согласуется с представлением о чрезвычайно малых частицах.

Почему нагретый шар может не пройти через кольцо?

Для демонстрации подбирают металлический шар и кольцо так, чтобы холодный шар проходил через отверстие с очень небольшим зазором. Затем нагревают только шар, оставляя кольцо примерно при прежней температуре. Диаметр шара немного увеличивается, и шар может перестать проходить. После охлаждения он снова уменьшается.

В школьной модели обычное тепловое расширение объясняют увеличением средних расстояний между частицами. Число частиц от такого нагревания не увеличивается. Не нужно представлять, будто каждый атом надувается, как воздушный шарик.

Расширение металла при умеренном нагревании невелико. Поэтому для опыта важны почти совпадающие размеры шара и отверстия. Если кольцо намного шире шара, небольшое изменение диаметра не остановит его. Большая фотографическая иллюстрация на лендинге показывает прибор художественно, а не задаёт реальные размеры установки.

Что важно удержать постоянным?

Чтобы выяснить влияние нагревания шара, нужно сравнивать его с тем же кольцом. Если одновременно сильно нагреть и кольцо, условия опыта изменятся: его отверстие тоже может расшириться.

Многие твёрдые тела и жидкости увеличивают объём при нагревании. Однако это не универсальное правило для любого вещества при любой температуре. Например, у воды между 0 и 4 °C при нагревании объём уменьшается. В этом уроке рассматриваем обычное тепловое расширение металлического шара.

Атом — не маленькая молекула

Атом — частица химического элемента. Атомы разных элементов отличаются: например, атомы водорода, кислорода и углерода — разные виды атомов. Атом имеет внутреннее строение, но для нашего первого знакомства достаточно различать его как одну из составляющих вещества.

Атомы могут соединяться химическими связями и образовывать молекулы. Поэтому слова «атом» и «молекула» не взаимозаменяемы. Один атом кислорода и молекула кислорода — разные объекты: в обычной молекуле кислорода O₂ два связанных атома.

Не каждое вещество состоит из отдельных молекул. Например, гелий при обычных условиях состоит из отдельных атомов, а в кристалле кремния атомы образуют протяжённую связанную структуру. Поэтому точнее говорить «вещество состоит из частиц», а затем уточнять, каких именно.

Что такое молекула и как прочитать её формулу?

Молекула — связанная группа атомов, которая может существовать как отдельная частица. Для вещества с молекулярным строением молекула сохраняет его химическую принадлежность. Это не означает, что одна молекула обладает всеми свойствами большой порции вещества: у неё нельзя спрашивать, «жидкая» ли она или какова температура её кипения.

Молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. Формула H₂O записывает этот состав коротко. Буква H обозначает водород, O — кислород. Маленькая цифра 2 относится к стоящему перед ней символу. Если цифры нет, подразумевается один атом.

У воды и углекислого газа по три атома в молекуле, но вещества разные. Важны не только общее число атомов, но и их виды, а также способ соединения.

На учебной иллюстрации кислород показан красным шаром, водород — белыми. Это выбранное обозначение, а не настоящая окраска атомов. Стержни тоже условны: они показывают связь, а не реальные палочки между частицами.

Что меняется, когда лёд тает?

Лёд и жидкая вода состоят из молекул H₂O. При плавлении меняются расположение и характер движения молекул, но каждая молекула воды не превращается из-за этого в молекулы водорода и кислорода.

Такие превращения, при которых химический состав вещества сохраняется, относят к физическим явлениям. Плавление льда, замерзание воды и её испарение — знакомые примеры.

Если же химические связи перестраиваются и возникают новые вещества, речь идёт о химическом превращении. Чтобы получить водород и кислород из воды, одного плавления недостаточно: нужен другой процесс, изменяющий молекулы.

Фраза «лёд растаял, потому что его молекулы распались на атомы» неверна. Правильнее сказать: при плавлении разрушился прежний порядок расположения молекул, но сами молекулы H₂O сохранились.

Агрегатные состояния и движение частиц подробно изучим дальше. Здесь достаточно отделить изменение состояния вещества от изменения состава его молекул.

Нанометр и оценка размера молекулы

Размеры атомов и небольших молекул очень малы. Для них удобен нанометр: миллиардная доля метра. Все записи ниже обозначают одну длину:

1 нм = 0,000000001 м = 10⁻⁹ м

1 нм = 0,000001 мм

Это пример масштаба, а не утверждение, что все молекулы имеют размер ровно один нанометр. Частицы разных веществ отличаются по размеру, а крупные молекулы могут быть значительно больше небольших.

Один из способов косвенной оценки — исследование тонкой плёнки. Если известный объём вещества распределён равномерно по известной площади, толщину слоя находят так:

d = V / S

Здесь d — толщина, V — объём плёнки, S — её площадь. Если есть основания считать слой одномолекулярным, толщину связывают с характерным размером молекулы в направлении поперёк слоя.

Пусть объём масла равен 0,004 мм³, а площадь равномерной плёнки — 40 см². Сначала переведём площадь: 40 см² = 4000 мм².

d = 0,004 / 4000 = 0,000001 мм = 1 нм

Получили оценку толщины слоя. Называть её размером молекулы можно лишь при принятом условии, что плёнка состоит из одного слоя молекул.

Ошибки в объёме, площади или предположении об одном слое влияют на результат. Это хороший пример того, как измерение и модель работают вместе.

Проверь понимание

Почему вода кажется сплошной?

Отдельные частицы и промежутки между ними слишком малы, чтобы глаз мог их различить. Видимая непрерывность не означает отсутствия внутреннего строения.

После двух разбавлений вдвое сколько остаётся от исходной концентрации?

25%: сначала 100% превращаются в 50%, затем 50% — в 25%. На каждом шаге берём половину однородного раствора и восстанавливаем исходный объём чистой водой.

Почему нагретый металлический шар может застрять в кольце?

Его диаметр немного увеличился. В обычном тепловом расширении растут средние расстояния между частицами. Кольцо в этом сравнении не нагревают вместе с шаром.

В молекуле H₂O два или три атома?

Три: два атома водорода и один атом кислорода. Индекс 2 относится только к H.

Если у двух молекул одинаковое число атомов, это одно вещество?

Не обязательно. Например, у H₂O и CO₂ по три атома, но их состав и строение различаются.

Верно ли, что все вещества состоят из отдельных молекул?

Нет. Существуют вещества с атомным и другими видами строения. Общее утверждение: вещество состоит из частиц.

Что доказывает вычисление V / S?

При равномерном слое оно даёт его толщину. Чтобы связать её с размером молекулы, нужно дополнительно обосновать, что слой одномолекулярный.

Задание своими словами

Объясни младшему школьнику, почему цвет становится слабее при разбавлении. Затем назови, что в объяснении ты наблюдал напрямую, а что представлял с помощью модели частиц.

Для учителя: сценарий и акценты

Цель: ученик объясняет видимые свойства и изменения вещества с помощью представления о частицах, различает атом и молекулу и читает состав простых молекул. Материал объединяет «Строение вещества» и «Молекулы».

Постановка вопроса, 5 минут. Покажите каплю воды или кусочек стекла. Спросите, означает ли гладкая поверхность, что внутри нет частей. Отделите «не вижу» от «не существует».

Разбавление, 8 минут. Воспользуйтесь интерактивной моделью или водой с небольшим количеством пищевого красителя. Сначала попросите описать наблюдение, затем предложить объяснение. Проговорите перенос половины раствора: часть красителя уходит вместе с удалённой порцией, оставшаяся распределяется в восстановленном объёме.

Расширение, 7 минут. Обсудите опыт с шаром и кольцом. В реальной демонстрации зазор должен быть очень мал. Нагревание проводит учитель с подходящим оборудованием; достаточно также словесного разбора. Крупная иллюстрация не является чертежом прибора.

Атомы и молекулы, 10 минут. Сравните H₂O, O₂ и CO₂. Попросите посчитать атомы каждого вида и общее число атомов. Обратите внимание на две молекулы с одинаковым общим числом атомов, но разным составом.

Масштаб и закрепление, 10 минут. Переведите нанометр в метры и миллиметры. Пример с плёнкой можно использовать как дополнительное задание. Завершите вопросами: что мы наблюдаем, что объясняем и где используем предположение?

Критерии понимания: ученик связывает разбавление с уменьшением числа частиц красителя в одинаковом объёме; объясняет обычное расширение изменением средних расстояний; различает атом и молекулу; не приписывает одной молекуле агрегатное состояние.

Типичные ошибки: «краска исчезла», «атомы увеличились как шарики», «во всех веществах есть отдельные молекулы», «H₂O содержит два атома всего», «одна молекула бывает жидкой». Обсуждайте эти фразы как повод уточнить модель, а не только как неправильный ответ.

Кнопки 3D пока зарезервированы для будущих материалов. Весь ход урока и задания доступны без них. Детали движения частиц и различия агрегатных состояний можно оставить следующим темам.