Урок 4. Строение вещества. Молекулы и атомы

Физика, 7 класс · Первоначальные сведения о строении вещества · ~45 минут

🎯 Что ты узнаешь

• Из чего на самом деле «сделано» любое вещество.
• Что такое молекулы и атомы и какие они крошечные.
• Почему между частицами вещества есть промежутки (и как это проверить).
• Какие опыты доказывают, что вещество состоит из частиц.

📖 Разбираемся в теме

Возьми каплю воды. Раздели её пополам. Потом ещё пополам. И ещё. И ещё... Можно ли делить бесконечно? Древние греки спорили об этом тысячи лет. Один из них, Демокрит, заявил: нет! Рано или поздно дойдёшь до самой маленькой частицы, которую разделить уже нельзя. Он назвал её атомом — по-гречески «неделимый».

И знаешь что? Через две тысячи лет учёные доказали: Демокрит был прав. Вещество действительно состоит из крошечных частиц.

📌 Запомни: Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы состоят из ещё более мелких частиц — атомов.

Молекула — это наименьшая частица вещества, которая сохраняет его свойства. Молекула воды — это вода, молекула сахара — это сахар. Если молекулу разобрать на атомы, вещество исчезнет: атомы водорода и кислорода — это уже не вода.

💡 Интересно: Молекула воды состоит из 3 атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода. Её «формулу» H₂O ты, наверное, уже видел. Получается, привычная вода — это «сборка» из атомов, как фигурка из деталей конструктора.

Какие они крохотные

Молекулы невообразимо малы. Настолько, что в обычной капле воды их больше, чем... звёзд во всей видимой Вселенной. Размер одной молекулы — около 0,0000001 см (это одна стомиллионная сантиметра, или примерно 0,1 нанометра).

Чтобы это представить: если бы молекулу увеличить до размера яблока, то само яблоко при таком же увеличении стало бы размером с Землю!

🤔 А знаешь ли ты? В одной чайной ложке воды примерно 1 500 000 000 000 000 000 000 молекул (полтора секстиллиона!). Если бы ты считал по одной молекуле в секунду, тебе не хватило бы и в триллион раз большего срока, чем возраст Вселенной.

Глазом молекулы не увидеть. Даже в обычный микроскоп — нет. Их «разглядели» только в XX веке с помощью особых приборов. Но о том, что они есть, учёные догадались гораздо раньше — по их «поведению».

Между молекулами есть промежутки

Вот это самое важное и неожиданное: молекулы вещества не прижаты вплотную друг к другу. Между ними есть пустые промежутки. Как это доказать?

Опыт 1. Сжатие. Газ (воздух) легко сжать — например, шприцем, зажав отверстие пальцем. Поршень идёт внутрь. Куда же девается воздух? Он никуда не девается — просто молекулы сближаются, промежутки между ними уменьшаются. Если бы промежутков не было, сжать газ было бы невозможно.

Опыт 2. Тепловое расширение. Нагрей шарик или жидкость в термометре — вещество расширяется, занимает больше места. Молекулы при этом не разбухают (они остаются прежними!) — просто промежутки между ними растут. Поэтому ртуть или спирт в термометре поднимаются при нагревании.

Опыт 3. Смешивание воды и спирта. Если смешать 50 мл воды и 50 мл спирта, получится не 100 мл, а меньше — около 95 мл! Молекулы спирта «проваливаются» в промежутки между молекулами воды, как песок просыпается между крупными камнями.

📌 Запомни: Между частицами любого вещества есть промежутки. Поэтому тела можно сжимать, и поэтому они расширяются при нагревании.

⚠️ Частая ошибка: Думать, что при нагревании «молекулы становятся больше». Нет! Сами молекулы не меняют размер. Увеличиваются промежутки между ними, потому что молекулы начинают двигаться быстрее и «расталкиваются».

Как измерили размер молекулы

Один из красивых опытов: каплю масла капают на поверхность воды. Капля растекается в тончайшую плёнку — толщиной всего в одну молекулу! Зная объём капли и площадь пятна, можно вычислить толщину плёнки — а это и есть примерный размер молекулы.

⚡ Прикидка: Толщина = Объём капли / Площадь пятна. Если объём капли V, а пятно занимает площадь S, то толщина d = V / S. Так получают величину порядка 0,0000001 см.

⏱ Проверь сам: почему воздух в велосипедном насосе можно сжать, а воду в наполненном водой шприце — почти нет? (Подумай о промежутках. Ответ в конце.)

✍️ Разбор задач

Задача 1 (качественная). Почему газы легко сжимаются, а жидкости и твёрдые тела — почти нет?

Решение. В газах между молекулами очень большие промежутки, поэтому молекулы можно сильно сблизить — газ сжимается. В жидкостях и твёрдых телах молекулы расположены гораздо плотнее, промежутки крошечные, сближать почти некуда — поэтому сжать их трудно.

Ответ: в газах промежутки большие (легко сжать), в жидкостях и твёрдых телах — маленькие (сжать почти нельзя).

Задача 2 (качественная). При нагревании рельсы и провода удлиняются. Почему? Становятся ли при этом молекулы больше?

Решение. При нагревании молекулы движутся быстрее и сильнее «расталкивают» друг друга — промежутки между ними растут, и всё тело увеличивается в размерах. Сами молекулы при этом не меняются.

Ответ: тело расширяется из-за увеличения промежутков между молекулами; размер молекул не меняется.

Задача 3. Смешали 100 мл воды и 100 мл спирта. Объём смеси оказался 192 мл. Объясни, почему меньше 200 мл, и найди, на сколько уменьшился объём.

Дано: V₁ = 100 мл (вода) V₂ = 100 мл (спирт) V = 192 мл (смесь)

Найти: ΔV — ?

Решение. Если бы молекулы прилегали вплотную, объёмы просто сложились бы: 100 + 100 = 200 мл. Но молекулы спирта заходят в промежутки между молекулами воды, поэтому объём меньше. ΔV = (V₁ + V₂) − V = 200 − 192 = 8 мл.

Ответ: объём уменьшился на 8 мл — это доказывает, что между молекулами есть промежутки.

Задача 4 (качественная). Почему запах духов из открытого флакона со временем чувствуется во всей комнате, хотя флакон стоит в углу?

Решение. Молекулы пахучего вещества вылетают из флакона и движутся между промежутками молекул воздуха, разлетаясь по всей комнате. Это говорит и о том, что вещество состоит из подвижных частиц, и о том, что между молекулами воздуха есть свободное место.

Ответ: молекулы духов разлетаются и проникают в промежутки между молекулами воздуха, заполняя комнату.

💡 Запомни главное

• Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул; молекулы — из атомов.
• Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его свойства.
• Молекулы очень малы (около 0,0000001 см) и глазом не видны.
• Между частицами есть промежутки — поэтому тела сжимаются и расширяются при нагревании.
• При нагревании растут промежутки между молекулами, а не сами молекулы.

📝 Домашнее задание

1. Из чего состоят все вещества? Чем молекула отличается от атома?
2. Что такое молекула? Сколько и каких атомов в молекуле воды?
3. Приведи доказательство (опыт), что между молекулами есть промежутки.
4. Почему при нагревании тела расширяются? Меняется ли при этом размер молекул?
5. Почему газ легко сжать, а жидкость — нет?
6. Смешали 50 мл воды и 50 мл спирта, получилось 95 мл. На сколько уменьшился объём и почему?
7. Можно ли увидеть молекулу в школьный микроскоп? Объясни.
8. ⭐ Капля масла объёмом 0,001 мм³ растеклась по воде в пятно площадью 100 мм². Оцени толщину плёнки (она примерно равна размеру молекулы). Подсказка: d = V / S.