Движение молекул в разных агрегатных состояниях

На этой странице вы узнаете

• Можно ли наблюдать воду, лед и водяной пар одновременно?
• В каком агрегатном состоянии находится стекло?  
• Как люди определили килограмм? 

Вы когда-нибудь задумывались, почему мы чувствуем запахи? Или почему бывает трудно отвинтить гайку со старого болта? В объяснении всех этих случаев лежит один и тот же эффект, о котором мы поговорим далее. Сегодня мы продолжаем разговор в рамках Молекулярно-кинетической теории (МКТ), на которой подробно останавливались в статье «Основные понятия и положения МКТ». 

Взаимодействие молекул

Тема нашей статьи и МКТ тесно связаны не просто так.
В упомянутой выше статье вы можете ознакомиться с подробностями. Но сегодня нам будет достаточно вспомнить лишь то, что:

1. все частицы взаимодействуют с помощью сил притяжения и отталкивания;
2. чем меньше расстояние между частицами, тем сильнее между ними проявляется взаимодействие (будь то сила притяжения или отталкивания);
3. чем более нагрето тело, тем быстрее в нем движутся молекулы, еще это движение называется тепловым.
   

Проведем аналогию:

1. Человек нам может нравиться (нас к нему будет тянуть) и не нравиться («отталкивающий тип»). 
2. Пока мы его не видим, нам все равно. У нас есть шанс заметить человека только в поле нашего зрения. Если он находится от нас за несколько километров, мы его не увидим. Грубо говоря с молекулами тоже самое. На определенном расстоянии они друг друга уже не замечают, но чем это  расстояние меньше… тут уж как раз проявится баланс сил их притяжения и отталкивания. 
3. Ну и бежать (навстречу друг другу или прочь) тем проще, чем больше у человека энергии. Это будем считать аналогией с нагревом тела.

На основании этих фактов можно объяснить множество различных эффектов, о которых мы поговорим немного позже. А сейчас поговорим о фундаментальном понятии агрегатного состояния.

Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, определяющееся силой взаимодействия молекул вещества.

Сколько всего бывает агрегатных состояний у одного вещества? В школьном курсе изучается 3 основных состояния: 

• твердое (большая сила взаимодействия между молекулами вещества);
• жидкое (средняя сила взаимодействия);
• газообразное (малая сила взаимодействия).

Если рассматривать агрегатные состояния воды, то твердому состоянию соответствует лед, жидкому – вода, газообразному – водяной пар. Существует четвертое агрегатное состояние – плазма, своего рода горящий газ, однако ее физика выходит далеко за рамки школьного курса. 

Давайте теперь рассмотрим каждое агрегатное состояние подробнее.

Твердое агрегатное состояние

В этом состоянии находится большая часть предметов, которые мы видим, например, лед, ваш стол или кружка, из которой вы пьете чай. 

В таких веществах молекулы находятся в кристаллической решетке, то есть в конкретном, очень стабильном порядке относительно друг друга. Порядок обеспечивается большой силой притяжения между ними. 

Благодаря упорядоченности расположения молекул, вещества в твердом агрегатном состоянии обладают свойством несжимаемости, то есть не деформируются сами по себе. 

При нагревании молекулы в узлах кристаллической решетки начинают колебаться около своих изначальных положений равновесия. Однако в твердом агрегатном состоянии выйти из узлов они не могут. Как только мы нагреем вещество до критической точки, называемой температурой плавления, молекулы «вылетят» из узлов кристаллической решетки, и вещество расплавится, превратившись в жидкость, о которой пойдет речь далее.

Жидкое агрегатное состояние

В жидком агрегатном состоянии находится вода, из которой мы состоим почти полностью, бензин в машине или ртуть в вашем ртутном градуснике. В этом состоянии уже нет строгой упорядоченности молекул. Силы взаимодействия между ними слабее, чем в твердом состоянии, но все еще не дают молекулам «разлетаться». Потому жидкости принимают любую форму, которую ей позволит сосуд, но при этом несжимаемы. 

В каком агрегатном состоянии находится стекло? На первый взгляд стекло кажется нам достаточно твердым. Его можно держать в руке, как точно не получится с газом. Оно однозначно не протечет сквозь пальцы как вода. Однако исследования старинных витражей церквей показали, что стекло, стоящее вертикально несколько сотен лет, будет толще снизу и тоньше сверху, будто часть его стекала все это время вниз подобно жидкости. Оказывается, существует целый раздел веществ, которые находятся в таком же состоянии. Они называются аморфными. На вид они твердые, однако у них отсутствует кристаллическая решетка, потому своим строением они похожи на застывшую жидкость.  Яркими примерами аморфных веществ являются, например, пластилин, воск, смола.

При нагревании молекулы жидкого вещества также колеблются, но под действием сил притяжения остаются в объеме жидкости. Однако если довести вещество до температуры кипения, то молекулы станут настолько быстро колебаться, что им хватит энергии на преодоление сил взаимодействия и они смогут вырваться с поверхности жидкости в виде пара. Пар является третьим агрегатным состоянием.

Газообразное агрегатное состояние

В газообразном агрегатном состоянии находятся все газы, которыми мы дышим и не только — кислород, озон и даже ксенон. В них силы взаимодействия между молекулами настолько слабы, что они спокойно могут «отлетать» друг от друга на любые расстояния. При нагревании молекулы газа приобретают еще большую скорость и движутся хаотично. Потому газы способны к сжатию и расширению, а следовательно, не имеют собственного объема и формы.

Можно ли наблюдать воду, лед и водяной пар одновременно? В действительности да. При определенных условиях, а вернее при низкой температуре и давлении, вода, лед и пар могут существовать одновременно. Такое состояние воды называется тройной точкой.

Теперь поговорим о различных эффектах, связанных с агрегатными состояниями.

Броуновское движение

Одно из положений МКТ говорит, что все частицы движутся хаотично и непрерывно. Доказательством данного факта является Броуновское движение.

Броуновское движение – беспорядочное движение частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. 

Самой простой иллюстрацией этого движения являются частицы пыли в воздухе, которые отлично видны при свете солнца.

Молекулы воздуха, двигаясь хаотично и непрерывно, бьются, о твердые частицы пыли, можно сказать, упорно нападают, заставляя их разлетаться в разные стороны. 

Диффузия

Еще одним опытным обоснованием Молекулярно-кинетической теории является такой эффект, как диффузия.

Диффузия – взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Скорость диффузии зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. В нагретом газе она будет наиболее быстрой. 

Диффузия может наблюдаться в любом агрегатном состоянии вещества. Например, благодаря диффузии мы чувствуем запахи – мельчайшие частицы вещества попадают на рецепторы в носу за счет проникновения между молекулами воздуха. 

Или старая гайка, намертво прикрученная к болту, является «жертвой» диффузии. Молекулы металла, из которого состоит гайка, с течением времени проникли в промежутки между молекулами болта. 

Перемешивание жидкостей или газов, которым мы пользуемся ежедневно, смешивая молоко и кофе или используя антиперспирант, тоже можно считать проявлением диффузии. 

Теперь попрактикуемся и ответим на несколько вопросов.

Предлагаем решить пример тестового задания ЕГЭ №8.

Задание. Найдите пару веществ, скорость диффузии которых при одинаковых условиях максимальна.

1)  раствор медного купороса и вода
2)  пары эфира и воздух
3)  свинцовая и медная пластины
4)  вода и спирт

Решение. Как мы помним, диффузия зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Так как по условию задачи внешние условия одинаковы, то необходимо рассмотреть все агрегатные состояния. Номер один: оба жидкости. Номер два: оба газы. Номер три: оба твердые. Номер четыре: снова оба жидкости. 

Так как максимальной скоростью диффузии обладают газы, то нам подходит номер два.

Ответ: 2

Как люди определили килограмм? Еще совсем недавно люди мерили расстояние в локтях, а массу в пудах. Такая система отсчета оказалась неудобной, так как в каждой стране единицы измерения были разные, потому в XX веке было принято решение о переходе к единой системе исчисления – системе СИ – во всем мире. Так, например, универсальной мерой массы выбрали килограмм. Эталоном одного килограмма стал платиноиридиевый цилиндр определенных размеров. Однако уже через 50 лет человечеству пришлось отказаться от такого определения одного килограмма. Но что успело случиться за полвека? Дело в том, что из-за эффекта диффузии некоторые молекулы цилиндра проникли в воздух, вследствие чего масса цилиндра изменилась. Эта неточность мешала проведению многих экспериментов и ставила под сомнение фундаментальность определения килограмма. В настоящее время люди стали определять килограмм более сложным образом с использованием квантовой физики.

Смачивание

Что будет, если капнуть водой на деревянный пол? Конечно, вода сначала растечется и получится лужа, а потом она впитается в дерево, и оно намокнет. А если воду заменить на ртуть? Ртуть тут же соберется в маленькие шарики. Почему так происходит? Все дело в том, что некоторые жидкости могут смачивать ту или иную поверхность, в то время как другие не могут. Данное явление называется эффектом смачивания. 

Смачивание – это искривление поверхности жидкости вблизи твердого тела, возникающее из-за взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. 

Эффект смачивания характеризуется углом смачивания \(\emptyset\). При несмачивании угол тупой, а при смачивании — острый. Угол \(\emptyset\) откладывается между векторами силы взаимодействия молекул жидкости с твердой поверхностью \(F^{\rightarrow}_{ЖТ}\)  и газом \(F^{\rightarrow}_{ЖГ}\). В точке соприкосновения всех трех состояний также возникает сила взаимодействия молекул твердого вещества с газом \(F^{\rightarrow}_{ТГ}\). 

• Если молекулы жидкости (Ж) притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы твердого тела (Т), в результате чего силы притяжения между молекулами жидкости собирают ее в каплю, то жидкость не смачивает поверхность.

• Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем молекулы твердого тела, в результате чего жидкость стремится прижаться к поверхности, то жидкость смачивает поверхность.

Теперь давайте разберем качественную задачу.

Предлагаем решить аналог задания ЕГЭ №24

Задание. Объясните, может ли одна и та же жидкость быть смачивающей и несмачивающей?

Решение. Да, может. Для различия в эффекте смачивания достаточно уменьшить силу взаимодействия молекул жидкости и поверхности. Тогда жидкость перестанет смачивать поверхность. Например, вода отлично смачивает дерево, однако если покрыть дерево воском, то смачивание прекратится.

Ответ: Да, может. 

Сегодня мы вспомнили основные положения молекулярно-кинетической теории, обсудили, какие бывают агрегатные состояния вещества и чем они характеризуются. Доказали некоторые положения МКТ, можно сказать, экспериментально, а также рассмотрели взаимодействие жидкостей и твердых тел на эффекте смачивания. Поговорка «как с гуся вода» сегодня приобрела для нас смысл. Мы узнали, что такое газообразное состояние вещества, но бывают ли газы идеальными, и что это значит? К счастью, ответ на этот вопрос существует и любезно изложен в статье «Уравнение состояния идеального газа». 

Термины

Кристаллическая решетка – пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. 

Ускорение свободного падения – ускорение, придаваемое телу силой тяжести.  

Фактчек

• Согласно одному из положений МКТ, все частицы движутся хаотично и непрерывно. Такое движение называется тепловым.
• Все молекулы взаимодействуют с помощью сил притяжения и отталкивания.
• В твердом агрегатном состоянии молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки. Преобладают силы притяжения между молекулами. Сохраняется объем и несжимаемость. 
• В жидком агрегатном состоянии молекулы могут перемещаться по объему, однако его не покидают. Жесткой связи между молекулами нет, объем не сохраняется, но несжимаемость остается.
• В газообразном агрегатном состоянии молекулы почти не связаны друг с другом и способны занимать весь предоставленный им объем. 
• Тепловое движение твердых частиц в жидкости или газе называется Броуновским.
• Взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные расстояния другого вещества называется диффузией. Диффузия зависит от температуры и происходит во всех агрегатных состояниях.
• Эффект искривления поверхности жидкости вблизи твердого тела, возникающий из-за взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела называется смачиванием. Смачивание характеризуется углом смачивания. Угол острый – жидкость смачивает поверхность, тупой – не смачивает. 

Проверь себя

Задание 1.
Какие силы взаимодействия между молекулами бывают?

1. притяжения
2. отталкивания 
3. притяжения и отталкивания
4. никаких

Задание 2.
В каком агрегатном состоянии пропадает несжимаемость?

1. твердое
2. жидкое
3. газообразное
4. плазма

Задание 3.
От чего зависит диффузия?

1. от настроения
2. от температуры и агрегатного состояния
3. от давления и плотности
4. от массы и ускорения свободного падения

Задание 4.
Если жидкость не смачивает поверхность, то угол смачивания будет…

1. острый 
2. 90°
3. 0°
4. тупой

Ответы:1. — 3; 2. — 3; 3. — 2; 4. — 4.