Рух молекул Чим відрізняється гаряче тіло від холодного? На це питання ще зовсім недавно, аж до початку XIX в. відповідали так: гаряче тіло містить більше теплорода (або теплотвора), ніж холодне.
Абсолютно так само, як суп більш солоний, якщо містить більше солі. Ну а що таке теплород? На це була відповідь: «Теплород- це теплова матерія, це елементарний вогонь». Таємниче і незрозуміло.
Поряд з теорією теплорода вже давно існував інший погляд на природу теплоти. Його відстоювали багато видатних учених XVI-XVIII століть. Френсіс Бекон у своїй книзі «Novum Organum» писав: «...
сама теплота в своїй суті є не що інше, як рух ... теплота полягає в змінному русі найдрібніших частин тіла ». Роберт Гук в книзі «Мікрографія» говорив: «... теплота є безперервний рух частин тіла ...
немає такого тіла, частинки якого були б в спокої ». Особливо виразні висловлювання такого роду ми знаходимо у Ломоносова в його роботі «Роздуми про причину тепла і холоду». У цьому творі заперечується існування теплорода і йдеться, що «теплота полягає у внутрішньому русі частинок матерії».
Дуже образно говорив Румфорд в кінці XVIII в. «... тіло тим гаряче, ніж інтенсивніше рухаються частинки, з яких воно побудовано, подібно до того як дзвін звучить тим голосніше, чим сильніше він коливається». У цих чудових здогадах, набагато випередили свій час, криються основи наших сучасних поглядів на природу теплоти. Бувають іноді тихі ясні дні. Листочки на деревах завмерли, навіть легка брижі НЕ обурить водної гладі. Все навколишнє застигло в суворій урочистій нерухомості. Спочиває видимий світ. Але що при цьому відбувається в світі атомів і молекул?
Фізика наших днів може багато розповісти про це. Ніколи, ні за яких умов не припиняється невидиме рух частинок, з яких побудований світ. Чому ж ми не бачимо всіх цих рухів? Частинки рухаються, а тіло покоїться.
Як це може бути? Чи не доводилося вам коли-небудь спостерігати рій мошок? У безвітряну погоду рій як би висить в повітрі. А всередині рою йде інтенсивне життя.
Сотні комах метушаться вправо і вліво, вгору і вниз, а весь рій, тим не менше, залишається на місці, не змінюючи своєї форми. Невидимі руху атомів і молекул в тілі носять такий же хаотичний, безладний характер. Якщо якісь молекули пішли з деякого обсягу, то на їх місце надійшли інші. А так як нові прибульці нітрохи не відрізняються від тих, що пішли молекул, то тіло залишається все тим же. Безладне, хаотичне рух частинок не змінює властивостей видимого світу. Але що ж змушує рухатися атоми і молекули?
Відповідь проста і сповнений глибокого змісту: ніщо. Хаотичний рух - це невід'ємна властивість будь-якої частинки світобудови. «Однак не порожній чи це розмова?
- може запитати нас чітатель.- Адже ніхто не бачив вічного теплового руху частинок речовини ». Доказ теплового руху частинок можна отримати за допомогою самого скромного мікроскопа. Понад сто років тому англійський ботанік Броун, розглядаючи під мікроскопом внутрішню будову рослини, помітив, що крихітні частинки речовини, плаваючі в соку рослини, безперервно рухаються в усіх напрямках. Ботанік зацікавився: які сили змушують частинки рухатися?
Може бути, це якісь живі істоти? Вчений i вирішив розглянути під мікроскопом дрібні частинки глини, скаламучені в воді. Але і ці, безсумнівно, неживі частинки теж не перебували в спокої; вони були охоплені безперервним хаотичним рухом. Чим менше були зважені частинки, тим швидше вони рухалися.
Довго дивився він в мікроскоп, але так і не міг дочекатися, коли рух частинок припиниться. Рух зважених часток, яке спостерігав Броун, відбувається під впливом теплового руху молекул води. Прямими дослідами можна показати, що інтенсивність теплового руху залежить від температури.
Нагріємо тіло - частинки прискорити свій вічний хід, охолодити - темп руху сповільниться. Тепловий рух притаманне великим і малим частинкам, сгусткам молекул, окремим молекулам і атомам. Як побудовані молекули Молекули складаються з атомів. Атоми пов'язані в молекули силами, які називають хімічними. Існують молекули, що складаються з двох, трьох, чотирьох і більше атомів.
Найбільш великі молекули - молекули білків - складаються з десятків і навіть сотень тисяч атомів. Царство молекул володіє винятковим розмаїттям. Уже зараз хіміки виділили з природних речовин і створили в лабораторіях близько мільйона речовин, побудованих з різних молекул. Властивості молекул визначаються не тільки тим, скільки атомів того чи іншого сорту бере участь в їх будівництві, але і тим, в якому порядку і в якій конфігурації вони з'єднані. Молекула - це не купа цегли, а складна архітектурна споруда, де кожна цеглина має своє місце і своїх цілком певних сусідів.
Атомна споруда, яка утворює молекулу, може бути в більшій чи меншій мірі «жорсткої». У всякому разі, кожен атом здійснює коливання біля свого положення рівноваги. У деяких випадках одні частини молекули можуть обертатися по відношенню до інших частин, надаючи вільної молекулі в процесі її теплового руху різні і найхимерніші форми.
Перебуваючи на великих відстанях, атоми притягуються один до одного. Сила взаємодії досить швидко зменшується з відстанню і стає мізерно малою вже на відносно невеликих відстанях. При зближенні сила тяжіння зростає і досягає свого найбільшого значення вже тоді, коли атоми підійдуть один до одного дуже близько. При ще більшому зближенні тяжіння слабшає і, нарешті, на якійсь відстані зникає зовсім.
Ця відстань називається рівноважним. При зближенні атомів до відстаней, менших рівноважного, виникають сили відштовхування, які дуже різко наростають, і подальше зменшення відстані стає практично неможливим. Взаємодія атомів або інших часток можна представити графічно особливої кривої, яку називають кривою взаємодії або потенційної кривої (точна назва - крива потенційної енергії). Сенс її легко зрозуміти, порівнюючи цю криву з профілем виритої в землі ями. Якщо в таку яму вкотити м'ячик, то він розташується на дні. Дно ями відповідає мінімуму потенційної енергії. У цьому положенні діючі на м'ячик сили врівноважуються.
Зрозуміло, м'ячик не може перебувати в рівновазі, коли він лежить на краю ями. У такому положенні на м'ячик діє сила, яка велика в тих точках, де край ями крутий, і мала там, де край ями пологий. У міру підйому м'ячика зростає його потенційна енергія, рівна, як відомо з механіки, добутку ваги на висоту підйому. Таким чином, з вигляду профілю ями можна відразу ж сказати, чому дорівнюють потенційна енергія і діюча на тіло сила для кожної точки профілю.
Саме ці відомості і потрібні для того, щоб можна було охарактеризувати взаємодію частинок. Кожна точка кривої потенційної енергії двоатомних молекули показує значення потенційної енергії для того чи іншого межатомного відстані. Відстань відкладено по горизонтальній осі, і початку відліку відповідає неможливе становище - нульове міжатомна відстань.
Крива має характерний хід для атомів різних сортів - спочатку йде вниз, потім згинається, утворюючи «яму», і потім більш поступово стає паралельно горизонтальній осі, по якій відкладено відстань між атомами. Ми знаємо, що стійко то стан, в якому потенційна енергія має найменше значення. Коли атом входить до складу молекули, він «сидить» в потенційній ямі, здійснюючи невеликі теплові коливання біля положення рівноваги. Положення рівноваги відповідає дно ями. Тому відстань від дна ями до початку відліку називають рівноважним. На цій відстані розташувалися б атоми, якби припинилося тепловий рух.
Рівноважні відстані (нижче ми будемо говорити коротко - відстані) між атомами різні для різних видів атомів. Крім відстані від початку відліку до дна ями, різного для різних атомів, важливе значення має глибина ям. Глибина ями має простий сенс: щоб викотитися з ями, потрібна енергія, принаймні рівна глибині. Тому глибину ями можна назвати енергією зв'язку частинок. Відстані між атомами в молекулах настільки малі, що для їх вимірювання довелося вибрати і відповідні одиниці. Інакше довелося б висловлювати їх значення в такому вигляді: +0,0000000121 см (це ми записали цифру, яка має відстань між атомами в молекулі кисню).
Одиниця, особливо зручна для опису атомного світу, називається Ангстрема (правда, прізвище шведського вченого, ім'ям якого названа ця одиниця, правильно читається Онгстрем; для нагадування про це над буквою А поставлений значок:); т. е. однієї стомільйонний частці сантиметри. Відстань між атомами, що входять до складу молекул, лежать в межах від 1 до 4 ангстрем. Записане вище в сантиметрах рівноважний відстань для кисню дорівнює 1,21. Міжатомні відстані, як ви бачите, дуже малі. Якщо оперезати земну кулю по екватору мотузкою, то довжина цього «пояса» в стільки ж разів буде більше ширини вашої долоні, у скільки разів ширина долоні більше відстані між атомами в молекулі.
Для вимірювання енергії зв'язку атомів користуються зазвичай калоріями, але відносять їх не до однієї молекулі, що дало б, зрозуміло, незначну цифру, а до грам-молекулі, т. Е. До числа грамів, рівному відносному молекулярному вазі. Енергія зв'язку атомів в молекулі, як і міжатомні відстані, коливається в незначних межах. Для того ж кисню енергія зв'язку дорівнює 116 тис. Калорій на моль, для водню - 103 тис. Калорій на моль, і т. Д. Енергію зв'язку, що припадає на одну молекулу, отримаємо, розділивши ці величини на 6,023 * 1023 (число Авогадро) .
Звичайно, тут виходять нікчемні числа близько 10 * -19 калорій. Ми вже говорили про те, що атоми в молекулах розташовуються цілком певним чином один по відношенню до одного, утворюючи в складних випадках досить хитромудрі споруди. Наведемо. кілька простих прикладів.
Молекули з трьох атомів бувають лінійні (всі три атома розташовані в ряд) і кутові (зв'язку між атомами утворюють тупий кут). Лінійної є молекула СО2 - вуглекислого газу, а уголковой (кут 105 °) - молекула води Н2 О. В молекулі аміаку NH3 атом азоту знаходиться в вершині тригранної піраміди, в молекулі метану СН4 атом вуглецю знаходиться в центрі чотиригранної фігури з рівними сторонами, яка називається тетраедром. Атоми вуглецю в молекулі бензолу С6 Н6 утворюють правильний шестикутник. Зв'язки атомів вуглецю з воднем йдуть під кутом 120 °. Всі атоми розташовані в одній площині.