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^>2 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_>2), кислорода (O_>2), аргона (Ar) и углекислого газа (CO_>2).

Состав воздуха

Газовая плита на кухне работает на природном газе, состоящем в основном из метана (CН_>4) 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_>2).

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.