Атомно-молекулярная теория
Почему газ легко сжимается, а вода — значительно труднее? Почему растворённое вещество постепенно распределяется по жидкости даже без перемешивания? Почему лёд и водяной пар остаются водой? На эти вопросы помогает отвечать атомно-молекулярное учение — связь между наблюдаемыми свойствами вещества и поведением его частиц.
Основная идея учения
Вещество имеет дискретное строение: оно образовано очень маленькими частицами. Свойства вещества зависят от состава и строения частиц, их движения, взаимного расположения и взаимодействий.
«Дискретное» означает, что кажущаяся сплошной порция не является бесструктурной непрерывной средой на уровне атомов. В школьном описании различают атомы, молекулы и ионы. Какая именно модель подходит, определяется веществом.
Вода состоит из молекул H2O, аргон в обычном газообразном состоянии — из отдельных атомов Ar. В кристалле хлорида натрия упорядоченно расположены ионы Na+ и Cl−. Алмаз образован протяжённой сеткой связанных атомов углерода. Отдельных молекул NaCl и C в этих кристаллах не выделяют.
Для немолекулярного вещества формула может передавать простейшее соотношение элементов. Поэтому используют понятие формульной единицы и относительной формульной массы. Называть любую такую единицу «молекулой, только условной» неудобно: это скрывает различие типов строения.
Основные положения
- Частицы очень малы. Видимая капля содержит огромное число молекул, а отдельная молекула не является крошечной каплей с её формой и температурой кипения.
- Частицы движутся. В газах и жидкостях они меняют взаимное положение; в твёрдом теле совершают тепловые колебания около более устойчивых положений.
- Частицы взаимодействуют. На разных расстояниях существенны притяжение и отталкивание. Строение нельзя объяснить одними промежутками между неподвижными шариками.
- Состав и строение имеют значение. Разные вещества могут различаться составом частиц, способом соединения атомов или организацией структуры.
- В обычных химических реакциях сохраняются атомные ядра. Перестраиваются связи и электронные оболочки, а химические элементы не превращаются друг в друга.
Атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но могут различаться числом нейтронов и массой: это изотопы. Поэтому старое утверждение «все атомы одного элемента совершенно одинаковы» уточняют. Одинаковая формула состава также не всегда доказывает одинаковое строение молекул; подробнее это рассматривают при изучении изомерии.
Температура и движение
Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц. При сравнении одного и того же вещества в сопоставимых условиях повышение температуры обычно означает увеличение средней кинетической энергии их движения.
Слово «средней» важно. В газе не все молекулы движутся с одинаковой скоростью: скорости распределены, частицы сталкиваются и обмениваются энергией. Направленное движение всего тела также не следует путать с хаотическим тепловым движением внутри него.
При нагревании твёрдого вещества тепловые колебания обычно усиливаются. Это не означает, что атомы сами становятся крупнее в той же мере, в какой расширяется тело: меняются средние расстояния и характер движения. Во время плавления чистого вещества при постоянном давлении подводимая энергия расходуется на изменение организации вещества, а температура остаётся постоянной.
Твёрдое, жидкое и газообразное состояния
| Состояние | Расположение и движение | Что объясняет модель |
|---|---|---|
| Твёрдое | Частицы обычно близки; в кристалле расположены упорядоченно и колеблются около устойчивых положений | Сохранение формы и малую сжимаемость |
| Жидкое | Частицы близки, но могут менять окружение и перемещаться относительно друг друга | Текучесть, сохранение приблизительного объёма, малую сжимаемость |
| Газообразное | При обычных давлениях расстояния между частицами в среднем велики по сравнению с их размерами | Заполнение доступного объёма и сравнительно лёгкое сжатие |
Нельзя утверждать, что любое твёрдое вещество плотнее соответствующей жидкости. Лёд менее плотен, чем жидкая вода при обычных условиях: его структура более открытая. Нельзя и сравнивать силы взаимодействия любых двух веществ только по словам «твёрдое» и «жидкое». Важны природа частиц и условия.
При плавлении молекулярного кристалла прежде всего меняется взаимная организация молекул. Их внутренние связи могут сохраняться. Высокая или низкая температура плавления зависит от конкретного строения; слово «молекулярный» не задаёт одно численное значение для всех веществ.
Физические и химические изменения
При физическом изменении вещества сохраняют химическую природу. При химической реакции образуются другие вещества, но атомы каждого элемента в обычном химическом процессе сохраняются.
Сжать газ — не значит уменьшить число его частиц или превратить его молекулы в другое вещество. Растопить лёд — не значит разложить воду на водород и кислород. Напротив, при электролизе воды исходное вещество действительно превращается в продукты с другим составом молекул.
Реакция не обязательно проходит через стадию свободных атомов. Уравнение показывает общий результат, а не все промежуточные стадии. В процессах с ионами и немолекулярными веществами описание «одни молекулы превратились в другие» тоже нуждается в уточнении.
Три разобранных примера
1. Почему газ легче сжать, чем жидкость?
Рассмотрим одинаковое число газовых частиц до и после уменьшения объёма. Сближаются частицы, а не сжимаются сами молекулы как губки. В жидкости они уже расположены близко, поэтому сопоставимое уменьшение объёма требует гораздо большего давления. Даже жидкости и твёрдые тела немного сжимаются: речь о различии степени сжимаемости.
2. Распределение красителя
В одном участке неподвижной жидкости концентрация растворённого красителя выше. Из-за теплового движения частицы переходят между участками, и концентрация со временем выравнивается. Такое взаимное распространение частиц называют диффузией. Оно возможно без перемешивания и не требует химической реакции. Если жидкость заметно течёт, перенос вещества потоком, то есть конвекция, тоже может участвовать в наблюдаемом процессе.
3. Лёд и электролиз воды
При таянии льда сохраняется состав молекул H2O. При электролизе с подходящими электродами и электролитом электрическая энергия позволяет получить другие вещества:
2H2O → 2H2↑ + O2↑ (электролиз).
В результате двум молекулам воды соответствуют две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Всего молекул стало иначе, но число атомов H и O сохранилось. Это основа составления химических уравнений.
Как развивались представления
Современная теория сложилась постепенно. Корпускулярные представления М. В. Ломоносова связывали свойства тел и теплоту с частицами и их движением. Количественная атомная теория Дж. Дальтона связала состав соединений с атомными соотношениями. Позднее были открыты электроны, атомное ядро и изотопы. Поэтому исторические модели важны для понимания развития науки, но не все их утверждения переносят в современное описание без уточнений.
Частые ошибки
- Строить любые вещества из отдельных молекул: существуют ионные, атомные и металлические структуры.
- Приписывать одному атому цвет, блеск и агрегатное состояние большой порции вещества.
- Считать частицы твёрдого тела неподвижными.
- Объяснять нагревание только увеличением размера частиц.
- Считать сохранение атомов сохранением числа молекул: эти числа могут меняться по-разному.
Проверьте себя
- Какие частицы образуют обычный газообразный аргон, воду и кристалл NaCl?
- Почему сжатие газа не означает уменьшения числа молекул в закрытой системе?
- Движутся ли частицы кристалла при комнатной температуре?
- Чем различаются диффузия красителя и перемешивание раствора потоком жидкости?
- При превращении двух молекул воды по приведённому уравнению сколько молекул продуктов получается? Нарушает ли это сохранение атомов?
Ответы и объяснения
- Аргон — отдельные атомы Ar; вода — молекулы H2O; кристалл соли — ионы Na+ и Cl− в общей решётке.
- При отсутствии утечки число частиц сохраняется. Меняются объём и средние расстояния между частицами.
- Да. Они совершают тепловые колебания, хотя обычно сохраняют положение около определённого места решётки.
- Диффузия связана с тепловым движением частиц. Поток переносит вместе целые участки жидкости; оба механизма могут действовать одновременно.
- Три молекулы: две H2 и одна O2. Атомы сохраняются:
До: H — 4, O — 2; после: H — 4, O — 2.
Связанные темы
Основа: атомы, молекулы и ионы. Продолжение: физические и химические явления, закон сохранения массы, закон Авогадро.
Источники
Движение частиц: ACS, Molecules Matter и ACS о твёрдых телах, жидкостях и газах. Историческая атомная теория: OpenStax, Early Ideas in Atomic Theory. Корпускулярные представления Ломоносова: письмо Эйлеру от 5 июля 1748 года.