Molekulárna štruktúra hmoty. Štruktúra hmoty. Molekula

Najmenšia častica látky, ktorá určuje všetky vlastnosti danej látky, je molekula. Molekula pozostáva z atómov. Počet atómov a ich distribúcia v molekule sa mení. V prírode je o niečo viac ako sto atómov rôznych typov. Prvky sú zhrnuté a usporiadané v periodickej tabuľke chemických prvkov, sú pomenované napríklad vodík, dusík, uhlík.

Pohyb častíc hmoty je tzv tepelný pohyb.

Brownov pohyb- náhodný pohyb mikroskopických viditeľných častíc tuhej látky plávajúcich v kvapaline alebo plyne, spôsobený tepelným pohybom častíc kvapaliny alebo plynu.

Vzájomné prenikanie častíc jednej látky do druhej, spôsobené pohybom molekúl, sa nazýva difúzia(z latinského „difúzia“ - šírenie, šírenie).

Stav hmoty.

Látky v prírode sa vyskytujú v troch stavoch:

• ťažké
• kvapalina
• plynný

Pevné telá si zachovávajú objem a tvar. Kvapaliny si zachovávajú svoj objem, ale ľahko menia svoj tvar. Plyny nemajú stály objem a vlastný tvar. Vzácny stav hmoty je plazma, ktorý je podobný plynu a vyžaruje svetlo. Plazma sa často nazýva štvrté skupenstvo hmoty.

Molekuly tej istej látky v rôznych skupenstvách sa navzájom nelíšia. Rozdielne vlastnosti látky vo všetkých skupenstvách sú dané tým, že jej molekuly sú inak usporiadané a inak sa pohybujú.

Každé pevné teleso sa vyznačuje tvrdosťou. Tvrdosť- schopnosť telesa odolávať vplyvu iného telesa. Tvrdosť látky sa určuje poškriabaním nejakou inou látkou.

Existujú rôzne stupnice tvrdosti. Jeden z nich zostavil v roku 1811 nemecký mineralóg Friedrich Mohs. Skladá sa z 10 úrovní, najjemnejšou látkou v nej je mastenec a najtvrdšou diamant. Diamant je 58-krát tvrdší ako druhý najtvrdší minerál, korund, z ktorého sa vyrábajú rubíny a zafíry.

Vlastnosťou telies vyrobených z pevnej hmoty je ich deformácia. Deformácia- zmena tvaru alebo veľkosti telesa pod vplyvom iného telesa.

Elasticita je schopnosť telesa vrátiť sa po deformácii do pôvodného tvaru. Plastelína je plastová, je ľahké jej dať akýkoľvek tvar, ktorý sa zachová.

Pevnosť- schopnosť látky odolávať deštrukcii. Každý materiál má svoju vlastnú pevnosť v ťahu. Sklo sa nedá ohnúť, pretože je to krehké. Kovy sú veľmi odolné.

Kryštály- sú to pevné látky, v ktorých sú atómy usporiadané pravidelným, usporiadaným spôsobom a tvoria kryštálovú mriežku. Ide o ľad, soľ, kovy, minerály atď.

Amorfné telá- telesá, ktoré nemajú prísnu kryštálovú mriežku, beztvaré telesá. („amorfný“ pochádza z gréckeho „amorphos“ – beztvarý)

Na rozdiel od kryštálov stabilne amorfné látky nestuhnú za vzniku kryštalických plôch.

Štruktúry kvapalín a amorfných telies majú veľa spoločného. Z tohto dôvodu sa amorfné telesá považujú za veľmi husté, viskózne, mrazené kvapaliny. Amorfné látky môžu byť buď v sklovitom stave pri nízkych teplotách alebo v roztavenom stave pri vysokých teplotách. Amorfné telesá majú tekutosť, aj keď oveľa menšiu ako kvapaliny. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje tekutosť amorfných telies. Vďaka tomu možno z kvapky zohriateho skla vyfúknuť sklenenú nádobu.

Vedci už pomerne dlho vytvárajú teórie a modely, ktoré by pomohli vysvetliť základné vlastnosti látok a látok, ktoré tvoria svet okolo nás.

V priebehu histórie sa uskutočnilo mnoho experimentov; Boli objavené nové zákony a fyzikálne a chemické vlastnosti materiálov. Bolo to z veľkej časti spôsobené objavením pojmov „molekula“ a „atómovo-molekulárna štruktúra hmoty“. Povedzme si o nich podrobnejšie v tomto článku.

Vznik konceptu „atómovo-molekulárnej štruktúry hmoty“

Už v časoch starovekého Grécka sa objavila myšlienka, že všetko na svete pozostáva z najmenších častí. Gréci nazývali tieto častice molekuly a atómy. Autorom tejto hypotézy bol Democritus, ktorý sa neskôr stal zakladateľom atómovej teórie. Ale toto poznanie sa v tých časoch zvlášť nerozvinulo až do 17. storočia. Všetky štúdie materiálov opäť viedli k tomu, že mnohé látky pozostávajú z molekúl, ktorých štruktúrnymi jednotkami sú atómy.

Neskôr vedci začali prichádzať na to, že jeden druh minerálu pozostáva napríklad z 38 % železa a 62 % kyslíka a každá zo vzoriek ukáže toto chemické zloženie. Ale ak vezmeme iné teleso s vynikajúcimi vlastnosťami, potom analýza atómovo-molekulárnej štruktúry látky ukáže, že pozostáva zo 60% železa a 40% kyslíka.

A tak aj napriek tomu, že stále neexistovala definitívna koncepcia, v priebehu výskumu sa začala objavovať teória, že každá látka je iný súbor molekúl a atómov, ktoré určujú jej základné vlastnosti.

Vývoj konceptu „molekulárnej štruktúry hmoty“

Termín „molekula“ prvýkrát zaviedol v roku 1811 taliansky fyzikálny chemik Amadeo Avogadro. Bol to on, kto sa stal zakladateľom teórie atómovo-molekulárnej štruktúry.

Potvrdenie tejto teórie sa objavilo až v 60. rokoch 19. storočia, keď ruský chemik A.M. Butlerov sformoval a dokázal vysvetliť molekulárnu teóriu štruktúry hmoty. V súlade s jeho dielami sú vlastnosti akejkoľvek látky určené tým, ako sú atómy v molekulách navzájom spojené, ich interakciou. Vedec predpokladal, že molekula je mikročastica materiálu pozostávajúca z atómov, ktorá je schopná existovať nezávisle.

Koncept molekuly vznikol vďaka prácam iného ruského vedca. Hovoríme o M. V. Lomonosovovi.

Na rozvoji atomistického učenia sa podieľali mnohí vedci z celého sveta: J. Maxwell, L. Boltzmann, J. Gibbs, R. Clausius, J. Dalton, D. I. Mendelejev, V. Roentgen, A. Becquerel, J. Thomson, M Planck a mnohí ďalší. Prínos týchto ľudí pre molekulárnu fyziku a chémiu je neoceniteľný.

Podstata molekulárnej teórie štruktúry hmoty

Na základe komplexu učenia počas mnohých rokov bola odvodená molekulárna teória štruktúry hmoty. Existuje niekoľko hlavných ustanovení tejto teórie, konkrétne tri základné tvrdenia, ktoré boli opakovane dokázané laboratórnym výskumom:

1. Akékoľvek telo pozostáva z najmenších častíc - molekúl a atómov, ktoré pozostávajú aj z menších prvkov. Štruktúra všetkých látok je nespojitá.
2. Atómy a molekuly sú v neustálom pohybe chaotickej povahy.
3. Všetky látky spolu interagujú na základe elektromagnetických síl príťažlivosti a odpudzovania.

Zdôvodnenie molekulárnej kinetickej teórie

Prvým potvrdením teórie je Brownov pohyb, ktorý objavil v roku 1827 slávny botanik R. Brown. Dôvodom tohto javu je chaotický pohyb molekúl v rôznych smeroch, ku ktorému dochádza v dôsledku ich vzájomných zrážok.

Druhým potvrdením tejto teórie bude nespočetné množstvo experimentov s procesom difúzie, teda schopnosti jednej látky prenikať do druhej. Jasným príkladom takéhoto zážitku z každodenného života je parfum alebo akákoľvek vonná látka. Ak je takáto látka umiestnená v miestnosti, po určitom čase sa vôňa rozplynie po celej jej ploche.

Atóm a molekula

Dnes sú už tieto pojmy podložené a odvodené presne a rozumne. Zjednodušene povedané, atóm je chemicky nedeliteľná častica akejkoľvek látky alebo materiálu, ktorý tvorí molekulu. Molekula je tiež najmenšia častica niečoho, ale dôležité je, že práve ona určuje základné vlastnosti tela. Molekulárna štruktúra látky je rámcom určitého materiálu, v ktorého zlúčeninách sú molekuly.

Ak je materiál charakterizovaný molekulárnou kryštálovou mriežkou, potom má spravidla nízku tvrdosť a ľahko sa taví; takáto látka bude prchavá alebo rozpustná vo vode a nebude viesť elektrický prúd.

Veda, ktorá študuje silu interakcie medzi týmito časticami a molekulárnou štruktúrou telies, sa nazýva molekulová fyzika. Tu sa študujú rôzne vlastnosti telies v rôznych stavoch agregácie.

Aké látky majú molekulárnu štruktúru?

Molekulové väzby sú vo všeobecnosti slabé a prevládajú v organických látkach. Mnohé nám známe látky majú molekulárnu štruktúru. Napríklad voda (H 2 O), vodík (H 2), chlór (Cl 2), oxid uhličitý (CO 2), kyslík (O 2), etanol alebo etylalkohol (C 2 H 5 OH), organické polyméry a mnoho ďalších.

Inými slovami, látky s molekulárnou štruktúrou sú hlavne plyny. V nich sú molekuly ďaleko od seba a interagujú slabo. Úzke spojenie medzi časticami konkrétnej látky tvorí pevné látky. Jediná kvapalina, ktorá má molekulárnu štruktúru, je Br2. Táto látka je vysoko prchavá.

Medzi nekovy s molekulárnou štruktúrou patria pevné látky ako I2, P4, S8. Tieto materiály sú taviteľné a môžu sublimovať.

Všetky látky pozostávajú z jednotlivých drobných častíc: molekúl a atómov.

Za zakladateľa myšlienky diskrétnej štruktúry hmoty (t.j. pozostávajúcej z jednotlivých častíc) sa považuje starogrécky filozof Democritus, ktorý žil okolo roku 470 pred Kristom. Democritus veril, že všetky telá pozostávajú z nespočetného množstva ultra malých, okom neviditeľných, nedeliteľných častíc. „Sú nekonečne rozmanité, majú priehlbiny a konvexity, s ktorými sa spájajú, tvoria všetky hmotné telá, ale v prírode sú len atómy a prázdnota.

Demokritov odhad bol dlho zabudnutý. Jeho názory na štruktúru hmoty sa k nám však dostali vďaka rímskemu básnikovi Lucretiusovi Caruovi: „...všetky veci, ako si všimneme, sa zmenšujú a zdá sa, že sa rozplývajú v priebehu dlhého storočia... “

Atómy sú veľmi malé. Nedajú sa vidieť nielen voľným okom, ale ani pomocou toho najvýkonnejšieho optického mikroskopu.
Ľudské oko nie je schopné rozoznať atómy a priestory medzi nimi, takže akákoľvek látka sa nám zdá pevná.

V roku 1951 Erwin Müller vynašiel iónový mikroskop, ktorý umožnil detailne vidieť atómovú štruktúru kovu.

Atómy rôznych chemických prvkov sa navzájom líšia. Rozdiely medzi atómami prvkov možno určiť z periodickej tabuľky.

Molekuly

Molekula je najmenšia častica látky, ktorá má vlastnosti tejto látky. Takže molekula cukru je sladká a molekula soli je slaná.

Molekuly sa skladajú z atómov.

Veľkosti molekúl sú zanedbateľné.

Ako vidieť molekulu? - pomocou elektrónového mikroskopu.

Ako extrahovať molekulu z látky? - mechanické drvenie látky.

Každá látka má špecifický typ molekuly. V prípade rôznych látok môžu molekuly pozostávať z jedného atómu (inertné plyny) alebo z niekoľkých rovnakých alebo rôznych atómov alebo dokonca zo stoviek tisíc atómov (polyméry). Molekuly rôznych látok môžu mať tvar trojuholníka, pyramídy a iných geometrických tvarov, ako aj lineárne.

Molekuly tej istej látky sú identické vo všetkých stavoch agregácie.

Medzi molekulami v látke sú medzery. Dôkazom existencie medzier je zmena objemu látky, t.j. expanzia a kontrakcia hmoty so zmenami teploty a fenomén difúzie. Molekuly látky sú v nepretržitom tepelnom pohybe.

POLIČKA

Ak by sa veľkosť molekuly zväčšila na veľkosť bodky na konci vety v knihe, potom by sa hrúbka ľudského vlasu rovnala 40 m a človek stojaci na povrchu Zeme by položil by hlavu na Mesiac!

Ak každú sekundu uvoľníte 1 milión molekúl z detskej gumenej lopty, nafúknutej a naplnenej vodíkom (hmotnosť 3 g), bude to trvať 30 miliárd rokov!

Ak odstránite priestor zo všetkých atómov ľudského tela, všetko, čo zostane, sa zmestí cez ucho ihly.

1. Ruka zlatej sochy v starovekom gréckom chráme, ktorú bozkávali farníci, za desaťročia citeľne schudla. prečo?

Otázka štruktúry hmoty zaujíma ľudí už dlho.

Ale po tisíce rokov je nemožné overiť urobené dohady a podložiť ich. Postupne sa však obraz vyjasňoval. Všetky moderné predstavy o štruktúre hmoty sú založené na troch základných princípoch.

1. Všetky telesá sú vyrobené z častíc.

2. Tieto častice sú v nepretržitom chaotickom pohybe.

3. Častice sa navzájom ovplyvňujú.

Čo sú to za častice? Dokonca aj staroveký grécky vedec Democritus tvrdil, že na svete existujú iba atómy a prázdnota. Najmenšie častice hmoty nazval atómami (slovo „atóm“ znamená „nedeliteľné“). Po dlhom výskume sa nám napokon podarilo získať dôkazy o existencii atómov, no takmer okamžite vysvitlo, že nie sú nedeliteľné, ale samy sa skladajú z elementárnych častíc. Ako si dnes predstavujeme atóm? Atómy majú veľmi malú veľkosť (asi jedna desaťmilióntina milimetra). Možno urobiť známe porovnania: ak by sa atómy zväčšili na veľkosť malej kvapky vody, potom by takáto kvapka mohla pokryť dosť veľké mesto! Avšak aj tento malý objem je takmer úplne prázdny! Atóm je v miniatúre veľmi podobný slnečnej sústave: v strede je malé jadro a okolo jadra sa pohybujú elektróny. Jadro má kladný elektrický náboj a elektróny záporný náboj. Takže medzi nimi existuje sila elektrickej príťažlivosti. Zabraňuje tomu, aby elektróny opustili atóm. Priemer jadra je 100 000-krát menší ako priemer atómu! Jadro obsahuje dva typy častíc: neutróny (neutrálne častice) a protóny (majú kladný elektrický náboj). Hmotnosť každej z týchto častíc je takmer 2000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.

Je potrebné ukázať konvenčné obrázky jednoduchých atómov.

V súčasnosti existuje veľa dôkazov o existencii atómov. Najpresvedčivejšie sú pre vás snímky atómov získané na modernom elektrónovom mikroskope.

Fotografie molekulárnych kryštálov.

Čo je pre nás na atómoch nezvyčajné? Samozrejme, v prvom rade - veľmi malé veľkosti. Existuje však aj taká vlastnosť, ako je rovnosť, nemožnosť rozlíšenia atómov jednej látky (napríklad všetky atómy uhlíka alebo hélia sú rovnaké). Porovnajme: bez ohľadu na to, koľko ihiel je na borovici, nie sú podobné, ale vždy môžete nájsť aspoň nejaké rozdiely (napríklad presné váženie ukáže, že hmotnosti ihiel sú mierne odlišné).

Atómy sa spájajú do skupín a vytvárajú molekuly. Rôzne látky sa skladajú z rôznych molekúl. Napríklad voda sa skladá z molekúl vody, ktoré sa skladajú z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka (na obrazovke musíte zobraziť obrázok alebo zodpovedajúci obrázok). Ale molekula kyslíka pozostáva z dvoch rovnakých atómov kyslíka. Existuje asi sto rôznych typov atómov a milióny rôznych typov molekúl!

Môžeme povedať o existencii obrovských molekúl s veľkým počtom atómov.

Hmota pozostáva z atómov, ktoré sa môžu spájať a vytvárať molekuly. Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra a elektrónov.

Ako vieme o pohybe atómov a molekúl? Uveďme zatiaľ len jeden fakt. Začiatkom 19. storočia anglický botanik Brown pozoroval pod mikroskopom drobné čiastočky rastlinného pôvodu (spóry), ktoré sa nachádzali vo vode. Bol prekvapený, keď videl, že takéto častice nikdy nie sú v pokoji!

Je možné ukázať „dráhy“ pohybu Brownových častíc.

Skúsenosti ukazujú, že v tejto fáze by ste si izotopy nemali pamätať. Študenti musia hovoriť pravdu, celú pravdu, ale nie celú pravdu...

Prvé podozrenia, že tieto častice boli „živé“, sa ukázali ako nesprávne: takýto pohyb sa pozoruje pri časticiach akéhokoľvek zloženia, ak sú dostatočne malé. Je nemožné zastaviť tento pohyb. Dá sa však oslabiť znížením teploty. Vysvetlenie Brownovho pohybu sa našlo neskôr: tento pohyb sa vysvetľuje pohybom molekúl kvapaliny neviditeľným ani pod mikroskopom. Keďže tento pohyb je chaotický, molekuly „tlačia“ Brownovu časticu trochu silnejšie, najprv do jednej, potom do druhej.

Model chaotického pohybu molekúl.

Brownov pohyb teda naznačuje nepretržitý chaotický pohyb molekúl látky, ktorého rýchlosť závisí od teploty: čím vyššia je teplota, tým rýchlejšie sa molekuly pohybujú.

Aké častice sa podľa vás dajú použiť na pozorovanie Brownovho pohybu vo vzduchu?

Čím vyššia je teplota látky, tým rýchlejší je chaotický pohyb molekúl.

Ak by molekuly medzi sebou neinteragovali, jednoducho by sa rozleteli (t. j. všetky telesá by sa zmenili na plyn). Medzi molekulami však pôsobia dosť veľké sily. Je pravda, že sa stanú iba vtedy, keď sú molekuly umiestnené blízko seba. Sú to sily príťažlivosti a odpudzovania (môžeme diskutovať podrobnejšie, kedy tieto sily prevažujú).

Ďalší dôkaz molekulárnej štruktúry hmoty a pohybu molekúl poskytuje fenomén difúzie.

Difúzia je vzájomné prenikanie častíc jednej látky do druhej, spôsobené chaotickým pohybom molekúl.

Môžete si pripomenúť alebo demonštrovať šírenie pachov vo vzduchu, ukázať difúziu síranu meďnatého vo vode (aby to bola úprimná ukážka javu, jeden z roztokov musí byť pripravený vopred, 2-3 týždne vopred) . Môžeme uviesť príklady difúzie v pevných látkach („zváranie“ olova a zlata, medi a striebra). Stručne sa dá hovoriť o difúznom zváraní, ktoré umožňuje spájať kov aj s keramickým materiálom.

Štruktúra hmoty je jednou z najbežnejších tém diskusií medzi starovekými filozofmi. Od pradávna ľudia predpokladali, ako je hmota okolo nás štruktúrovaná a z čoho sú všetky predmety vyrobené. Veľmi časté boli názory, že hmotu tvorí oheň, voda, vzduch alebo zem – 4 elementy.

Demokritova teória štruktúry hmoty

Okrem iného tu bol názor starovekého gréckeho vedca Demokrita, že hmota pozostáva z najmenších nedeliteľných častíc. Tieto častice sa nazývali atómy, pretože atóm je preložený zo starovekej gréčtiny ako „nedeliteľný“. Tento predpoklad Demokrita dlho nepriťahoval pozornosť a niekedy bol dokonca považovaný za rúhanie.

Až v 18. storočí, s rozvojom fyziky a chémie, vedci dokázali potvrdiť a rozvinúť myšlienky Demokrita. Ale najjednoduchším predstaviteľom tohto alebo toho typu geometrie už nebol atóm, ale molekula. Ale molekula sa zase skladá z atómov.

Napríklad molekula vody H2O je najmenším zástupcom takej látky, ako je voda. Molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Vodík a kyslík samy o sebe nemajú vlastnosti vody. Naopak, voda sa stáva vodou až vtedy, keď vznikne takáto väzba.

Hmota sa teda skladá z molekúl. Ale prečo si to nevšimneme? Odpoveď je jednoduchá: molekuly sú také malé, že sú pre ľudské oko jednoducho neviditeľné. Jedine pomocou elektrónových mikroskopov je možné skúmať jednotlivé molekuly.

Čo je menšie ako molekuly?

Molekuly zase, ako sme zistili, pozostávajú z atómov. Na rozdiel od čias Demokrita sa však atómy už nepovažujú za nedeliteľné (čo však nebránilo zachovaniu názvu). Začiatkom 20. storočia sa vedcom podarilo „rozrezať“ atóm a študovať vnútornú štruktúru atómu.

Ukázalo sa, že atóm pozostáva z jadra a elektrónu rotujúceho okolo jadra. Neskôr sa ukázalo, že jadro sa skladá z protónu a neutrónu. Fyzika 21. storočia ide ďalej a snaží sa prísť na to, z čoho sa skladajú protóny, neutróny a elektróny. A výsledky, ktoré dosahujú moderní vedci, by určite potešili Demokrita.

Úloha hadrónového urýchľovača pri štúdiu štruktúry hmoty

Experimenty sú teda v plnom prúde na Veľkom hadrónovom urýchľovači – obrovskej stavbe vybudovanej pod zemou na hraniciach medzi Francúzskom a Švajčiarskom. Veľký hadrónový urýchľovač je 30-kilometrová uzavretá trubica, cez ktorú sú urýchľované protóny. Po zrýchlení takmer na rýchlosť svetla sa protóny zrazia.

Sila nárazu je taká veľká, že protóny sa „rozbijú“ na kúsky. Predpokladá sa, že týmto spôsobom je možné študovať vnútornú štruktúru hadrónov (tzv. protón, neutrón alebo elektrón). Je zrejmé, že čím ďalej človek ide v štúdiu vnútornej štruktúry hmoty, tým väčšie ťažkosti naráža.

Je tiež pozoruhodné, že čím menšia je veľkosť požadovanej častice, tým masívnejšia musí byť štruktúra postavená na štúdium. Irónia však... Je možné, že nedeliteľná častica, ktorú si predstavoval Demkorit, vôbec neexistuje a častice sa dajú deliť do nekonečna. Výskum v tejto oblasti je jednou z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich tém modernej fyziky.