Молекулярное строение вещества. Строение вещества. Молекула

Мельчайшей частицей вещества, которая определяет все свойства данного вещества, является молекула . Молекула состоит из атомов . Число атомов и их распределение в молекуле является различным. В природе существует немногим более сотни атомов различного вида. Элементы обобщены и расположены в периодической таблице химических элементов, им даны наименования, например, водород, азот, углерод.

Движение частиц вещества называют тепловым движением.

Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых, плавающих в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул, называют диффузией (от латинского «диффузио» - распространение, растекание).

Состояние вещества .

Вещества в природе встречаются в трёх состояниях:

• твёрдом
• жидком
• газообразном

Твёрдые тела сохраняют объём и форму. Жидкости сохраняют объём, но легко меняют свою форму. Газы не имеют постоянного объёма и собственной формы. Редко встречающимся состоянием вещества является плазма , которая сходна с газом и излучает свет. Плазму часто называют четвёртым агрегатным состоянием вещества.

Молекулы одного и того же вещества в различных состояниях не отличаются друг от друга. Различные свойства вещества во всех состояниях определяются тем, что его молекулы расположены иначе и движутся по-разному.

Каждому твёрдому телу характерна твёрдость. Твёрдость - способность тела сопротивляться воздействию другого тела. Твёрдость вещества выясняют, царапая его каким-либо другим веществом.

Существуют различные шкалы твёрдости . Одна из них составлена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Она состоит из 10 уровней, самым мягким веществом в ней является тальк, а самым твёрдым - алмаз. Алмаз в 58 раз твёрже стоящего на втором месте по твёрдости минерала корунда, из которого изготавливают рубины и сапфиры.

Свойством тел, изготовленных из твёрдого вещества, является их деформация. Деформация - изменение формы или размера тела под воздействием другого тела.

Эластичностью называют возможность тела после деформации возвращать себе первоначальную форму. Пластилин является пластичным, ему легко придать любую форму, которая сохраняется.

Прочность - способность вещества сопротивляться разрушению. У каждого материала имеется свой предел прочности. Стекло нельзя гнуть, т.к. оно хрупкое. Очень прочными являются металлы.

Кристаллы - это твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Это лёд, соль, металлы, минералы и т.д.

Аморфные тела - тела, не имеющие строгой кристаллической решётки, бесформенные тела. («аморфный» происходит от греч. «аморфос» - бесформенный)

В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней.

Структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего. По этой причине принято считать аморфные тела очень густыми, вязкими, застывшими жидкостями. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии при низких температурах, либо в состоянии расплава при высоких температурах. Аморфные тела обладают текучестью, хотя и значительно меньшей, чем жидкости. При повышении температуры текучесть аморфных тел увеличивается. Благодаря этому из капли нагретого стекла можно выдуть стеклянный сосуд.

Довольно длительное время ученые создавали теории и модели, которые бы помогали объяснить основные свойства веществ и материй, из которых состоит окружающий мир.

В ходе истории было проведено множество опытов, экспериментов; были открыты новые законы и физико-химические свойства материалов. Во многом это происходило благодаря открытию понятий «молекула» и «атомно-молекулярное строение вещества». Поговорим о них подробнее в данной статье.

Появление понятия «атомно-молекулярное строение вещества»

Еще во времена Древней Греции появилась мысль о том, что всё на свете состоит из мельчайших частей. Эти частицы греки называли молекулами и атомами. Автором данной гипотезы был Демокрит, который впоследствии стал родоначальником атомистической теории. Но эти знания в те времена особо не развивались вплоть до 17 столетия. Все исследования материалов снова приводили к тому, что многие вещества состоят из молекул, структурной единицей которых являются атомы.

Позднее ученые стали приходить к выводам, что один тип минерала состоит, например, из железа на 38 % и из кислорода на 62 %, и каждый из образцов покажет такой химический состав. А вот если взять другое тело, с отличными свойствами, то анализ атомно-молекулярного строения вещества покажет, что оно состоит на 60 % из железа и на 40 % из кислорода.

Таким образом, несмотря на то что определенной концепции всё же не было, в ходе исследований начала появляться теория о том, что каждое вещество является разным набором молекул и атомов, которые определяют его основные свойства.

Развитие понятия «молекулярное строение вещества»

Впервые термин «молекула» был введен в 1811 году итальянским физико-химиком Амадео Авогадро. Именно он стал зачинателем теории атомно-молекулярного строения.

Подтверждения этой теории появились только в 1860-е годы, когда русский химик Бутлеров А. М. сформировал и сумел объяснить молекулярную теорию строения вещества. В соответствии с его работами свойства любого вещества определяются тем, как связаны между собой атомы в молекулах, их взаимодействием. Ученый выдвинул гипотезу относительно того, что молекула - это микрочастица материала, состоящая из атомов, которая способна существовать самостоятельно.

Закрепилось понятие молекулы благодаря трудам еще одного русского ученого. Речь идет о М. В. Ломоносове.

В развитии атомистического учения участвовало множество ученых со всего мира: Дж. Максвелл, Л. Больцман, Дж. Гиббс, Р. Клаузиус, Дж. Дальтон, Д. И. Менделеев, В. Рентген, А. Беккерель, Дж. Томсон, М. Планк и многие другие. Вклад этих людей в молекулярную физику и химию бесценен.

Суть молекулярной теории строения вещества

На основании комплекса учений за долгие годы была выведена молекулярная теория строения вещества. Существует несколько основных положений этой теории, а именно три базовых утверждения, которые были доказаны неоднократно путем проведения лабораторных исследований:

1. Любое тело состоит из самых мелких частиц - молекул и атомов, которые также состоят из более мелких элементов. Структура всех веществ прерывиста.
2. Атомы и молекулы находятся в непрестанном движении хаотической природы.
3. Все вещества взаимодействуют между собой на основании электромагнитных сил притяжения и отталкивания.

Обоснование тез молекулярно-кинетической теории

Первым подтверждением положений теории является броуновское движение, что было открыто в 1827 году известным ботаником Р. Броуном. Причина такого явления - хаотический ход молекул в разных направлениях, который происходит вследствие ударов их между собой.

Вторым подтверждением этой теории будут бессчётные опыты с процессом диффузии, то есть способности одного вещества проникать во второе. Ярким примером такого опыта из повседневной жизни являются духи или любое ароматное вещество. Если в помещении поместить такое вещество, через некоторый период аромат рассеется по всей его площади.

Атом и молекула

Сегодня эти термины уже обоснованы и выведены точно и аргументированно. Простым языком, атом - это химически неделимая частица любого вещества или материала, составляющая молекулы. А молекула - это также мельчайшая частичка чего-либо, но важно то, что именно она задает основные свойства тела. Молекулярное строение вещества является каркасом определенного материала, в соединениях которого находятся молекулы.

Если для материала характерна молекулярная кристаллическая решетка, то он, как правило, обладает невысокой твердостью, его легко расплавить; такое вещество будет летучим или растворимым в воде, электричество не проводит.

Наука, изучающая силу взаимодействия этих частиц и молекулярное строение тел, называется молекулярной физикой. Тут исследуются многообразные свойства тел в разных агрегатных состояниях.

Какие вещества имеют молекулярное строение?

Молекулярная связь, как правило, слабая и преобладает в органических веществах. Молекулярное строение имеют многие известные нам вещества. Например, вода (Н 2 О), водород (Н 2), хлор (Cl 2), углекислый газ (СО 2), кислород (О 2), этанол, или спирт этиловый (С 2 Н 5 ОН), органические полимеры и многие другие.

Другими словами, вещества, имеющие молекулярное строение, - это в основном газы. В них молекулы находятся далеко друг от друга и взаимодействуют слабо. Тесная связь между частницами того или иного вещества образует твердые тела. Единственная жидкость, которая имеет молекулярное строение, - это Br 2 . Это вещество обладает высокой летучестью.

К неметаллам с молекулярным строением относятся такие твердые вещества, как I 2 , P 4 , S 8 . Эти материалы легкоплавки и могут сублимироваться.

Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов.

Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.

Догадка Демокрита была надолго забыта. Однако, его взгляды на строение вещества дошли до нас благодаря римскому поэту Лукрецию Кару: "... все вещи, как мы замечаем, становятся меньше, И как бы тают они в течение долгого века..."

Атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и с помощью даже самого мощного оптического микроскопа.
Глаз человека не способен разглядеть атомы и промежутки между ними, поэтому любое вещество кажется нам сплошным.

В 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга. Различия атомов элементов можно определить по периодической таблице Менделеева.

Молекулы

Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая.

Молекулы состоят из атомов.

Размеры молекул ничтожно малы.

Как увидеть молекулу? - с помощью электронного микроскопа.

Как добыть молекулу из вещества? - механическим дроблением вещества.

Каждому веществу соответствует определеенный вид молекул. У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). Молекулы различных веществ могут иметь форму треугольника, пирамиды и других геометрических фигур, а также быть линейными.

Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы.

Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, т.е. расширение и сжатие вещества при изменении температуры, и явление диффузии. Молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом движении.

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Если бы размер молекулы увеличить до размера точки в конце предложения в книге, то толщина человеческого волоса стала бы равна 40м, а человек, стоя на поверхности Земли, упирался бы головою в Луну!

Если из детского резинового шарика, надутого и наполненного водородом (массой 3г), каждую секунду выпускать по 1 миллиону молекул, то понадобится 30 миллиардов лет!

Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то все, что останется, сможет пролезть через игольное ушко.

1. Рука золотой статуи в древнегреческом храме, которую целовали прихожане, за десятки лет заметно похудела. Почему?

Вопрос о строении материи издавна интересовало людей.

Но в течение тысячелетий невозможно проверить высказанные догадки и обосновать их. Однако постепенно картина становилась яснее. Все современные представления о строении материи основываются на трех основных положениях.

1. Все тела состоят из частиц.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

Что же это за частицы? Еще древнегреческий ученый Демокрит утверждал, что в мире существуют только атомы и пустота. Атомами он называл мельчайшие частицы вещества (слово «атом» означает «неделимый»). После долгих исследований удалось наконец получить доказательства существования атомов, однако почти сразу выяснилось, что они не являются неделимыми, а сами состоят из элементарных частиц. Как же мы сегодня представляем себе атом? Атомы очень малы по размерам (примерно одна десятимиллионная доля миллиметра). Можно привести известные сравнения: если бы атомы увеличились до размеров маленького капли воды, то такая капля могла бы накрыть довольно большой город! Однако даже этот маленький объем почти весь пустой! Атом очень напоминает Солнечную систему в миниатюре: посередине крохотное ядро, а вокруг ядра движутся электроны. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны - отрицательный. Итак, между ними действует сила электрического притяжения. Она не дает электронам покинуть атом. Диаметр ядра в 100 000 раз меньше, чем диаметр атома! В состав ядра входят два типа частиц: нейтроны (нейтральные частицы) и протоны (они имеют положительный электрический заряд). Масса каждой из этих частиц почти в 2000 раз превышает массу электрона.

Надо показать условные изображения простых атомов.

Сейчас существует много доказательств существования атомов. Наиболее убедительные для вас, наверное, изображения атомов, полученные на современном электронном микроскопе.

Фотографии молекулярных кристаллов.

Что необычного для нас в атомах? Разумеется, прежде всего - очень малые размеры. Но есть еще такое свойство, как одинаковость, невозможность различить атомы одного вещества (например, одинаковыми являются все атомы углерода или гелия). Сравним: сколько бы не было иголок на сосне, которые они не были похожи, но всегда можно найти хоть какие-то различия (например, точное взвешивание покажет, что массы иголок несколько отличаются).

Атомы объединяются в группы и образуют молекулы. Различные вещества состоят из разных молекул. Например, вода - из молекул воды, которая, в свою очередь, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (надо показать рисунок или соответствующее изображение на экране). А вот молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода. Различных видов атомов существует около ста, а различных молекул - миллионы!

Можно сказать о существовании гигантских молекул с большим числом атомов.

Вещество состоит из атомов, которые могут объединяться в молекулы. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов.

Откуда мы знаем про движение атомов и молекул? Приведем пока лишь один факт. В начале XIX века английский ботаник Броун наблюдал под микроскопом крошечные частицы растительного происхождения (споры), которые находились в воде. Он с удивлением убедился, что такие частицы никогда не находятся в покое!

Можно показать «траектории» движения броуновских частиц.

Опыт показывает, что не следует на данном этапе вспоминать изотопы. Ученикам нужно говорить правду, только правду, но не всю правду...

Первые подозрения, что эти частицы «живые», оказались неверными: такое движение наблюдается для частиц любого состава, если они достаточно малы. Остановить это движение невозможно. Однако ослабить его можно, если снизить температуру. Объяснение броуновского движения было найдено позже: это движение объясняется движением невидимых даже под микроскопом молекул жидкости. Поскольку это движение хаотично, молекулы «толкают» броуновская частичку чуть сильнее то в одну, то в другую.

Модель хаотического движения молекул.

Итак, броуновское движение свидетельствует о непрерывном хаотическое движение молекул вещества, скорость которого зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.

Как вы думаете, на которых частицах можно наблюдать броуновское движение в воздухе?

Хаотическое движение молекул тем быстрее, чем выше температура вещества.

Если бы молекулы не взаимодействовали друг с другом, то они просто разлетелись бы (т.е. все тела превратились в газ). Однако между молекулами действуют довольно большие силы. Правда, они становятся, только когда молекулы расположены близко друг от друга. Это силы притяжения и отталкивания (можно подробнее обсудить, когда из этих сил преобладают).

Еще одно свидетельство о молекулярной структуре вещества и движение молекул дает явление диффузии.

Диффузией называют взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное хаотическим движением молекул.

Можно вспомнить или продемонстрировать распространения запахов в воздухе, показать диффузию медного купороса в воде (чтобы это была честная демонстрация явления, надо один из растворов готовить заранее, за 2-3 недели). Можно привести примеры диффузии в твердых телах («сварки» свинца и золота, меди и серебра). Можно кратко сообщить о диффузном сварки, которое позволяет соединить металл даже с керамическим материалом.

Строение вещества - одна из самых распространенных тем для спор древних философов. С древнейших времен люди строили предположения по поводу того, как устроена окружающая нас материя, из чего сделаны все предметы. Были очень распространены точки зрения, будто материя состоит из огня, воды, воздуха или же земли - 4 элемента.

Теория Демокрита о строении вещества

Среди прочих была и точка зрения древнегреческого ученого Демокрита о том, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц. Частицы эти называли атомами, поскольку атом с древнегреческого переводится как "неделимый". Это предположение Демокрита долгое время не привлекало к себе внимания, а в некоторые времена и вовсе считалось богохульством.

Лишь в XVIII веке с развитием физики и химии, ученым удалось подтвердить и развить идеи Демокрита. Вот только простейшим представителем такого или иного вида метрии был уже не атом, а молекула. А вот молекула уже в свою очередь состоит из атомов.

Так, например, молекула воды H2O является мельчайшим представителем такого вещества как вода. А состоит молекула воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сами по себе водород и кислород не несут свойств воды. Наоборот, вода только и становится водой, когда образуется такая связь.

Итак, материя состоит из молекул. Но почему мы этого не замечаем? Ответ прост: молекулы так малы, что для человеческого глаза просто незаметны. Лишь только в электронные микроскопы можно рассмотреть отдельные молекулы.

Что меньше молекул?

Молекулы в свою очередь, как мы выяснили, состоят из атомов. Однако, в отличие от времен Демокрита, атомы больше не считаются неделимыми (что, впрочем, не помешало сохраниться названию). В начале XXвека ученым удалось "разрезать" атом и изучить внутреннее строение атома .

Выяснилось, что атом состоит из ядра и вращающегося вокруг ядра электрона. Позже выяснилось, что ядро в свою очередь состоит из протона и нейтрона. Физика XXIвека идет дальше и пытается выяснить, из чего же сделаны протоны, нейтроны и электроны. И те результаты, которых добиваются современные ученые, безусловно, порадовали бы Демокрита.

Роль Адронного Коллайдера в изучении строения вещества

Так, полным ходом идут эксперименты на Большом Адронном Коллайдере - огромном сооружение, построенном под землей на границе между Францией и Швейцарией. Большой Адронный Коллайдер представляет собой 30 километровую замкнутую трубу, по которой разгоняются протоны. Разогнавшись почти до скорости света, протоны сталкиваются.

Сила удара так велика, что протоны "разламываются" на части. Предполагается, что таким путем можно изучить внутреннее строение адронов (так называется протон, нейтрон или электрон). Очевидно, что чем дальше человек заходит в изучении внутреннего строения вещества, тем с большими трудностями он сталкивается.

Примечательно еще и то, что чем меньше размер искомой частицы, тем более массивное сооружение для изучения необходимо построить. Ирония, однако... Не исключено, что неделимой частицы, которую воображал себе Демкорит, вообще не существует и делить частицы можно до бесконечности. Исследования в данной области являются одной из самых бурно развивающихся тем в современной физике.