скачать книгу бесплатно
О строении вещества простым языком
Сергей Валериевич Гермаковский
Перед вами книга, объединяющая физику и химию. Прочитав ее, вы узнаете, как устроена материя и почему вещества обладают разными свойствами. Мы выйдем за рамки школьной программы, чтобы найти истину. Вы узнаете, что такое квантовая механика и как она объясняет строение всего. Вы поймете, как устроены вещества на микроуровне и как это влияет на их свойства. Несмотря на сложность тем, информация изложена просто и понятно.
Сергей Гермаковский
О строении вещества простым языком
Предисловие автора
Нам говорили, что физика и химия – 2 разные науки. А что, если это неправда? В школе нас учили, что есть химия и физика. Химия – наука о веществах, а физика – наука о неживой природе. Однако, если копнуть глубже, это одна и та же наука.
В основе всего лежит физика. Она объясняет механизмы всех окружающих нас явлений. Химия базируется на физике, но рассматривает вещи, которые не рассматривает физика.
Изучая в школе физику и химию, часто встречал противоречия. Например, строение атома на уроках физики и химии преподавали по-разному. На физике учат, что электроны вращаются вокруг ядра. На химии – атом состоит из орбиталей и энергетических уровней, а электрон вообще волна. Где правда? А правда на пересечении этих наук. Эта книга – попытка объединить физику и химию.
Книга начинается с базовых понятий: агрегатных состояний и атомно-молекулярного учения. Вероятно, вы уже знакомы с этим, но прочитать рекомендую. Скорее всего найдете много новых фактов.
Далее мы рассматриваем строение атома. Начиная с его открытия и заканчивая квантовыми представлениями о его строении. Чтобы облегчить понимание квантового строения вещества, есть глава, где коротко разбираются основные понятия квантовой механики.
После рассмотрения атома мы переходим к рассмотрению строения веществ: молекул и твердых тел.
Заканчивается книга описанием физических свойств веществ. Мы не только разберем какие они бывают, но и рассмотрим их природу и связь со строением вещества.
Приятного прочтения!
Агрегатные состояния
Все объекты, которые нас окружают, называют физическими телами. Тела состоят из веществ. Вещества состоят из частиц. Любые вещества могут находиться в 3 агрегатных состояниях: газообразное, жидкое, твердое. Также выделяют отдельное агрегатное состояние – плазма.
Агрегатное состояние тела зависит от давления и температуры.
Температура – это степень нагретости тела. Температуру измеряют в градусах. Нам привычнее пользоваться градусами Цельсия. Кроме градусов Цельсия существуют градусы Кельвина, Фаренгейта и другие. Минимально возможная температура – 0 К (ноль Кельвинов). Эту температуру называют абсолютным нулём. Если выразить её в градусах Цельсия получится минус 273,16°С. В лабораториях удалось получить только температуру на несколько миллионных долей выше абсолютного нуля. Термодинамические законы гласят, что невозможно получить температуру равную абсолютному нулю.
Давление – сила, давящая на 1 м
поверхности тела. Давление измеряют в Паскалях (Па), Барах (бар) или в Миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Когда говорят про атмосферное давление, имеют ввиду силу, с которой атмосфера давит на поверхность Земли. Нормальное атмосферное давление при температуре 0°C равно 101 325 Па, 1,01 бар или 760 мм. рт. ст.
Изменение давления и/или температуры влияет на агрегатное состояние тела. Разберем, чем эти агрегатные состояния отличаются друг от друга.
Газообразное состояние
Газообразные вещества мы встречаем каждый день. Воздух – смесь разных газов: азота (N
), кислорода (O
), аргона (Ar) и углекислого газа (CO
).
Состав воздуха
Газовая плита на кухне работает на природном газе, состоящем в основном из метана (CН
) и других газов.
Состав природного газа
Вещества состоят из частиц. Частицы притягиваются друг к другу, это называют взаимодействием между частицами.
Агрегатные состояния отличаются расположением частиц, взаимодействием между частицами и их подвижностью.
Частицы в газообразных веществах расположены далеко друг от друга. Расстояние между двумя ближайшими частицами гораздо больше размера самих частиц. Взаимодействие между частицами слабое. Движутся эти частицы беспорядочно и с очень большой скоростью. Такое строение газов придает им определенные свойства.
Движение и расположение частиц в газах
Газы не имеют ни объема, ни формы, и занимают всё пространство, в которое они попадают. Вспомните запах горелых спичек. Если зажечь спичку и потушить, воздух какое-то время будет иметь специфический запах. Это запах сернистого газа (SO
).
Расстояние между частицами в газах велико, поэтому газы сжимаемы.
Сжимание газов с помощью поршня
Жидкое состояние
Вода, ртуть, медицинский спирт, ацетон – примеры жидких веществ.
Как и в газах частицы в жидкостях двигаются, свободно, но медленнее. Расстояния между частицами соизмеримы с размерами самих частиц. Силы притяжения между частицами сильнее чем в газах, но слабее, чем в твердых веществах. Такое строение жидкостей придает им характерные свойства.
Расположение частиц в жидкостях
Как и газы, жидкости не имеют формы, поэтому принимают форму сосуда, в который их наливают. В отличие от газов, жидкости имеют объем, поэтому 1 литр воды будет оставаться 1 литром воды в сосуде любого объема.
Жидкости текучие, поэтому растекаются, если их вылить на поверхность. Бывают текучие и вязкие жидкости. К текучим можно отнести воду, к вязким – шампуни и гели для душа.
В отличие от газов, жидкости практически несжимаемы. Расстояния между частицами настолько мало, что сжать их еще сильнее практически нельзя.
Твердое состояние
Соль, сахар, железо, дерево – твердые тела.
Частицы в твердых телах расположены близко друг к другу. Между частицами сильные силы притяжения. Расстояние между частицами значительно меньше размера самих частиц. Частицы не перемещаются, а только колеблются, как маятник. Такое строение придает твердым телам их характерные свойства.
Расположение частиц в твердых телах
Твердые тела имеют не только объем, но и форму. Они бывают хрупкие (стекло) и пластичные (металлы).
Твердые тела несжимаемы. Давление на поверхность такого тела приведет к изменению его формы (деформации) или его разрушению.
Плазма
Существует также 4 агрегатное состояние вещества – плазма. О нём мы поговорим позже.
Фазовые переходы
Из жизни мы знаем, что вода существует во всех трех агрегатных состояниях – газообразном (пар), жидком (обычная вода) и твердом (лёд). Эти состояния могут переходить друг в друга при определенных условиях. При 0°С вода превращается в лёд. При этой же температуре лёд становится жидкостью. При 100°С вода превращается в пар.
Многие вещества существуют во всех агрегатных состояниях. Даже газы можно перевести в жидкое или твердое состояние.
Рассмотрим кислород. В обычных условиях кислород – бесцветный газ. В жидком состоянии кислород голубого цвета, в твердом – это кристаллы синего цвета.
Твердая форма кислорода
Переход одного агрегатного состояния в другое происходит при изменении температуры и/или давления. При уменьшении температуры частицы снижают свою скорость. При повышении температуры – увеличивают.
При повышении давления расстояние между частицами уменьшается. При понижении давления расстояние – увеличивается.
Жидкий кислород получают из воздуха. Сначала увеличивают давление и снижают температуру, чтобы перевести воздух в жидкость. Этот процесс называют сжижение газа. Воздух состоит в основном из азота и кислорода. Температура кипения жидкого азота меньше, чем жидкого кислорода. Получив жидкий воздух нужно отделить азот. Для этого немного повышают температуру так, чтобы азот перешёл в газообразное состояние, а кислород остался в жидком. Газообразный азот отправляют в один сосуд, а жидкий кислород – в другой. Так происходит разделение воздуха на кислород и азот.
Переходы из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми переходами.
Фазовые переходы
Плавление
Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.
У некоторых веществ температура вещества строго определенная: у льда 0°С, у железа 1538°С, у поваренной соли 801°С и т.д. Другие вещества размягчаются и плавятся в интервале температур – пластилин (80 – 85°С), стекло (1200 – 1400°С) и т.д.
В процессе плавления температура вещества постоянна до тех пор, пока вещество не расплавится.
Разберем еще одну важную физическую величину – внутреннюю энергию вещества. Энергия – одно из основных свойств материи. Энергия – это мера движения материи. Внутренняя энергия тела – это сумма всех энергий движения частиц и всех взаимодействий между этими частицами.
Поскольку для плавления тела его необходимо нагреть, то внутренняя энергия тела увеличивается. Это значит, что частицы начинают двигаться с большей скоростью, расстояние между ними увеличивается и вещество переходит в жидкое состояние.
Температура плавления у разных веществ разная. Ее величина зависит от силы притяжения частиц друг к другу. Чем притяжение сильнее, тем большую энергию нужно дать телу, чтобы ослабить силы притяжения и частицы друг от друга отдалились. Нагревая тело, мы передаем ему тепловую энергию, частицы начинают двигаться интенсивнее, это приводит к переходу твердого состояния в жидкое.
Давление мало влияет на температуру плавления и этот переход в целом, так как при плавлении объем тела изменяется не сильно.
Кристаллизация
Кристаллизация – переход из жидкого состояния в твердое. Кристаллизация – процесс обратный плавлению и поэтому происходит при охлаждении тела.
При снижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается и частицы замедляются. Их взаимодействие усиливается и тело затвердевает.
Кристаллизация происходит с выделением энергии в виде тепла.
Температура кристаллизации совпадает с температурой плавления. Температура тела при кристаллизации постоянная и не меняется пока вещество не затвердеет полностью.
Давление не оказывает сильного влияния при кристаллизации.
Парообразование
Парообразование – переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
Чтобы твердое вещество перешло в газообразное состояние нужно заставить его частицы отдалиться друг от друга. Для этого нужно ослабить их взаимодействие и заставить двигаться быстрее. Как и при плавлении это достигается путем нагревания тела и увеличения его внутренней энергии.
Различают испарение и кипение.
Испарение – это парообразование с поверхности жидкости. Испарение происходит при любой температуре, но зависит от нее.
Испарение – процесс самопроизвольный. Его можно рассматривать как отрывание поверхностного слоя частиц от их общей массы. Частица за частицей отрываются с поверхности тела, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние.
Хоть испарение происходит и всегда, но оно происходит не всегда одинаково. Его скорость зависит от нескольких факторов:
1) площадь поверхности (чем поверхность больше, тем быстрее с нее испаряется жидкость);
2) температура (чем температура выше, тем вещество испаряется быстрее);
3) движение воздуха и его скорость над поверхностью жидкости (сильный быстрый поток воздуха способствует испарению жидкости);
4) природа жидкости (жидкость, в которой слабое взаимодействие между частицами испаряется быстрее).
Кипение – парообразование по всему объему жидкости. В отличие от испарения, кипение происходит при определенной температуре. У воды температура кипения 100°С, у железа – 2862°С, у поваренной соли – 1465°С, у кислорода – минус 183°С. Температура вещества остается постоянной, пока всё вещество не перейдет в газообразное состояние.
На температуру кипения влияет давление. Увеличение давления приводит к увеличению температуры кипения и наоборот. Сила, давящая на поверхность тела условно мешает частицам отрываться и улетать. Если давление уменьшить, частицам проще отдалиться от друг от друга.
Конденсация
Конденсация – переход вещества из газообразного в жидкое состояние.
Конденсация – обратный процесс парообразования.
Конденсация происходит при охлаждении газа и уменьшении его энергии. Снижение температуры приводит к замедлению частиц и усилению их взаимодействия друг с другом. Температура газа при конденсации не меняется до тех пор, пока весь газ не перейдет в жидкость.
Сублимация (возгонка)
Сублимация – это переход твердого тела в газообразное, без перехода в промежуточное жидкое состояние.
Некоторые вещества способны переходить в газообразное состояние прямо из твердого. Кристаллы йода будут возгоняться и образовывать фиолетовые пары. Твердый углекислый газ, называемый сухим льдом, будет преобразовываться в газообразное состояние при температуре -79°С. Даже обычный лёд способен сублимировать. Доказательством этого может служить факт, что одежда после стирки высыхает на улице даже зимой при морозе.
Сублимацию используют в пищевой промышленности для получения некоторых продуктов питания. На этом явлении основан метод сублимационной сушки при пониженном давлении, которым получают растворимый кофе.
Обратный сублимации процесс – десублимация.
Атомно-молекулярное учение
В прошлой главе мы опирались на термин "частица". Давайте введем более точные определения. Существуют атомы и молекулы.
