ТЕОРІЯ БУДОВИ РЕЧОВИНИ

На основі досліджень багатьох учених у ХІХ ст. було створено теорію будови речовини, так звану молекулярно-кінетичну теорію, в основу якої покладено такі положення:

• усі речовини складаються з дрібних частинок (атомів, молекул або йонів), між якими є проміжки;

• ці частинки неперервно й безладно (хаотично) рухаються й взаємодіють між собою.

Які явища підтверджують рух молекул? Безпосереднім експериментальним підтвердженням руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах є явища дифузії (від лат. Diffusion — поширення) та броунівського руху. Явище дифузії зумовлене тим, що внаслідок руху молекули однієї речовини можуть проникати між молекулами іншої без жодного зовнішнього втручання.

Дифузія відбувається в газах, рідинах і твердих тілах. Відмінність у характері руху й взаємодії молекул у твердому, рідкому та газуватому станах зумовлює різну швидкість дифузії. Щоб аромат парфумів поширився кімнатою, потрібно кілька хвилин. Якщо налити в посудину томатного соку, а потім акуратно, щоб не відбувалося змішування, долити води, то лише через 2—3 дні частинки однієї рідини проникнуть поміж часинки іншої (мал. 4.18).

Мал. 4.18. Дифузія в рідинах

Спостерігати явище дифузії у твердих тілах складніше, але можливо.

Броунівський рух названо на честь ботаніка Роберта Броуна (1773—1858, Велика Британія), який у 1827 р. першим спостерігав його. Під час дослідження за допомогою мікроскопа спор плауна у воді він помітив, що вони рухаються.

Броун спочатку вважав, що спори рухаються, бо вони живі. Однак частинки продовжували хаотично рухатися навіть після кипятіння суміші. До того ж за збільшення температури суміші рух спор ставав інтенсивнішим. Згодом Броун спостерігав такий само хаотичний рух дрібних частинок інших речовин (органічних і неорганічних). Однак він не зміг пояснити цього явища. Броунівський рух вивчали багато вчених. Пояснили це явище в 1905—1906 рр. фізики Альберт Енштейн (1879—1955, Німеччина, США) та Мар’ян Смолуховський (1872—1917, Польща). Явище броунівського руху пояснюють тим, що молекули рідини або газу зіштовхуються з мікрочастинкою (наприклад, спорою), яка перебуває в завислому стані в рідині або газі. Молекули штовхають мікрочастинку з різних боків, і ці удари не компенсуються, оскільки кількість ударів-зіткнень щомиті з кожного боку різна. У результаті мікрочастинка рухається. Траєкторія її руху — ламана лінія (мал. 4.19).

Мал. 4.19. Схематичне зображення броунівського руху

Мікрочастинки рухаються завдяки хаотичному руху молекул і не можуть зупинитись. Дослідами доведено, що інтенсивність броунівського руху зростає з підвищенням температури.

Які явища підтверджують взаємодію молекул? Згідно з положеннями молекулярно-кінетичної теорії молекули взаємодіють одна з одною завдяки силам притягання та відштовхування. Ці сили мають електромагнітну природу, хоча молекула або атом є електрично нейтральною (незарядженою) частинкою речовини. Взаємодія молекул або атомів зумовлена взаємодією їхніх складників: електронів, що мають від’ємний електричний заряд, та ядер атомів, що мають додатний електричний заряд.

Вам, мабуть, доводилося бачити, що краплина води може розтікатися поверхнею, а може набувати форму кульки. Це зумовлено співвідношенням між силами притягання молекул рідини між собою та до молекул твердого тіла, з яким контактує рідина. Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабше, ніж до молекул твердого тіла, — то рідина розтікається (змочує поверхню). А якщо сили притягання між молекулами рідини більші, ніж сили притягання цих молекул до молекул твердого тіла, — то рідина набуває кулястої форми (не змочує поверхню).

Властивості речовини залежать від інтенсивності руху її молекул та від сил взаємодії між ними. Сили міжмолекулярної взаємодії (притягання й відштовхування) утримують молекули на певних відстанях одна від одної, а хаотичний рух молекул сприяє зміні цих відстаней. Спільна дія обох цих чинників визначає агрегатний стан кожної речовини.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Назвіть основні етапи розвитку фізики елементарних частинок.

2. Проінспектуйте своє помешкання. Які метали й неметали, складні речовини ви виявили? Вони мають атомну, йонну чи молекулярну будову? Складіть узагальнювальну таблицю.

3. Спрогнозуйте хімічні властивості простих речовин, вищих оксидів та їхніх гідратів для хімічних елементів № 3, № 13, № 33, № 35, № 38, № 53.

4. Поясніть, чим відрізняється: а) аніон Хлору від атома Хлору; б) атом Хлору від молекули хлору.

5. Проаналізуйте електронну будову атомів інертних елементів і поясніть, чим зумовлена хімічна пасивність інертних газів.

6. Якими спостережними даними можна підтвердити положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини?

7. Чи можна вважати безладний рух порошинок у повітрі броунівським?

8. Чому плями від розлитої кави легше видалити відразу й значно важче зробити це згодом?

9. Для надання міцності сталевим виробам їхній поверхневий шар насичують азотом (азотують) На якому фізичному явищі ґрунтується цей процес? Чому азотування здійснюють за високих температур?

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

1. Для вивчення броунівського руху фізик Жан Перрен (1870—1942, Франція, США) використовував частинки діаметром близько 0,1—1 мкм. У скільки разів діаметр цих частинок більший за діаметр молекул води? Уважайте, що середній діаметр молекули води приблизно дорівнює 0,25 нм. Чи вдасться спостерігати броунівський рух частинки розміром 0,1 мм?

2. Лінійний розмір молекули білка становить 40 · 10^-8 см. Якою була б кількість таких молекул у ряду завдовжки 1 см за умови, що розміри проміжків між молекулами дорівнюють розмірам самих молекул?

3. Маса молекули води 3 · 10^-26 кг. Визначте кількість молекул у воді об’ємом 60 см³.

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Спостереження дискретності речовини

Розбризкайте (або налийте) трохи пахучої речовини в одному з кутків кімнати. Дочекайтеся появи запаху цієї речовини в іншому кутку кімнати (якщо працюєте вдвох, то можна стати на різних відстанях від пахучої речовини та порівняти час поширення запаху). Як можна пришвидшити процес дифузії в цьому досліді? Чи є дифузія основною причиною розповсюдження запаху в цьому випадку?

ЗАХИСТ НАВЧАЛЬНИХ ПРОЕКТІВ

• Теорії елементарних частинок: це фізика чи хімія?

• Великий адронний колайдер: що шукають фізики всього світу?