Теория
Молекулы и атомы
Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов. Атом — наименьшая частица химического элемента (водород, кислород, железо). Молекула — наименьшая частица вещества, которая сохраняет его свойства: молекула воды H₂O ведёт себя как вода, а отдельные атомы водорода и кислорода — нет. Между частицами есть промежутки, поэтому вещество можно сжимать (особенно газ) и расширять при нагревании. Размеры атомов и молекул невероятно малы — порядка 10⁻¹⁰ м, увидеть их можно только в электронный микроскоп.
- Простые вещества состоят из атомов одного элемента (O₂, Fe)
- Сложные — из молекул разных атомов (H₂O, CO₂)
- Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет свойства вещества движением частиц
Броуновское движение
Если рассмотреть каплю воды в микроскоп, видно, что мельчие частицы (пыльца, графита) двигаются хаотично, без видимой причины. Это броуновское движение — названо в честь ботаника Броуна. Причина в том, что молекулы воды непрерывно и беспорядочно движутся и ударяют по частице с разных сторон; силы не уравновешиваются, и частица «дёргается». Опыт доказывает: вещество состоит из движущихся частиц. Чем меньше взвешенная частица и чем выше температура, тем сильнее и заметнее броуновское движение.
- Наблюдается в жидкостях и газах
- При охлаждении движение частиц замедляется
Диффузия
Если капнуть краситель в воду или открыть флакон с духами, через некоторое время запах или цвет распространяется по всему объёму. Это диффузия — взаимное проникновение молекул разных веществ. Молекулы постоянно движутся и перемешиваются. В газах диффузия самая быстрая (большие расстояния между молекулами), в жидкостях — медленнее, в твёрдых телах — очень медленная (например, позолота на украшениях). С повышением температуры скорость диффузии растёт, потому что молекулы движутся быстрее.
- Примеры: запах супа на кухне, сладкий чай без помешивания
- Диффузия доказывает, что между молекулами есть пустоты
Взаимодействие молекул
Молекулы не только движутся, но и взаимодействуют. На большом расстоянии они слабо притягиваются друг к другу — именно притяжение удерживает вещество вместе. При очень близком сближении частицы начинают отталкиваться, чтобы не «слипнуться» в одну точку. В твёрдом теле притяжение сильное: молекулы колеблются около своих мест, форма и объём сохраняются. В жидкости притяжение слабее — молекулы могут скользить, объём сохраняется, форма — нет. В газе притяжение почти не действует, молекулы летают свободно.
- Сила связи в твёрдом теле > в жидкости > в газе
- От сил взаимодействия зависит трудность разделения вещества
Агрегатные состояния
Вещество может находиться в трёх основных агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При плавлении твёрдое тело превращается в жидкость, при кипении жидкость — в газ. Обратные процессы: застывание (кристаллизация) и конденсация. При этих переходах температура не меняется, пока вещество полностью не превратилось — энергия уходит на «разрыв» или образование связей между молекулами. Испарение происходит при любой температуре с поверхности жидкости; кипение — испарение по всему объёму при определённой температуре.
ρ = m / V
ρ — плотность (кг/м³ или г/см³); m — масса; V — объём
- Твёрдое тело сохраняет форму и объём
- Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда
- Газ заполняет весь предоставленный объём, легко сжимается
- Сублимация — переход из твёрдого состояния сразу в газ (снег «сходит» зимой)