Зв'язки атомів в молекулах і їх рух

Ліліпути здійснюють гуліверські справи

Все глибше і далі проникають дослідники в таємниці найдрібніших частинок матерії, все більше подробиць дізнаються вони про будову молекул і атомів, і починає здаватися, що світ звичних речовин і предметів, добре помітних очима, не збройними особливими приладами і мікроскопами, абсолютно забутий ними.

Але в науці все взаємопов'язане, і знання того, як влаштований атом, допомагає зрозуміти, як утворюються молекули, чим відрізняються один від одного гази, рідини і тверді тіла і чому броунівський рух (з якого, можна сказати, і почалося наукове вивчення будови речовини! ) найлегше спостерігати в рідинах і газах.

Звичайно, вчені могли прийняти допомогу письменників, які придумали багато визначень для того, щоб відрізнити одне стан речовини від іншого. Фелікс Кривин, наприклад, запропонував дізнаватися тверде тіло по ... обтічності, бо це властивість допомагає йому жити в оточенні рідини, пристосуватися до цього середовища і, незважаючи на це, остаточно в ній не розчинитися.

Але вперті фізики пішли своїм шляхом ... Їм хотілося висловити свої уявлення про навколишній світ точними цифрами.

Зв'язки атомів в молекулах і їх рух

В країні атомів і молекул частіше інших використовується крихітна величина, рівна стомільйонної частці сантиметри. Вона отримала назву ангстрема - на честь одного з відомих вчених. Дуже маленькі розміри позначаються за допомогою ангстрема, адже в одному мікрон - десять тисяч ангстрем!

Атоми різних речовин, розміри яких, як правило, складають один-два ангстрема, обмінюються з собі подібними частками речовини зовнішніми електронами. Іноді електрони назавжди переходять до сусіднього атому - і тоді, отримавши заряди протилежного знака, ці атоми можуть об'єднуватися в молекули за допомогою сили електричного тяжіння. Такий зв'язок отримала назву іонної.

Можливо у атомів і колективне володіння електронами - кілька електронів стають для двох атомів загальними, теж поєднуючи їх в молекули. Цей вид з'єднання атомів називаєте ковалентним зв'язком.

Звичайно, існують самі різні поєднання цих двох видів зв'язку і кількох інших, менш поширених в природі. Іноді молекули бувають такими великими, що складаються з десятків, сотень і тисяч атомів (такі, наприклад, молекули полімерів і багатьох природних речовин), що в одній і тій же молекулі існує цілий набір різних видів зв'язку. Деякі атоми великий молекули можуть бути об'єднані двома загальними електронами (одинарна зв'язок), інші - чотирма (подвійний зв'язок) або навіть шістьма електронами (потрійний зв'язок).

Зв'язки атомів в молекулах і їх рух

Розміри молекул газів, наприклад кисню та азоту, складають всього 3-4 ангстрема, а великі органічні молекули живих клітин або штучного каучуку, нейлону, капрону при розтягуванні їх в одну лінію займуть відстань в десятки і сотні тисяч ангстрем. При цьому ширина органічних молекул, як правило, не перевищує 5 - 10 ангстремів. Якщо порівняти таку молекулу зі сталевим канатом, то доведеться уявити собі канат діаметром 10 сантиметрів і завдовжки 10 кілометрів!

Здатність оцінити ці розміри допомогла вченим багато чого зрозуміти в поведінці різних речовин. У газах середня відстань між молекулами в 10 разів перевищує розміри самих молекул; в твердих тілах, особливо в кристалах, атоми зазвичай упаковані дуже щільно і вільні проміжки між ними не перевищують розмірів самих атомів. Рідини займають в цьому сенсі проміжне положення. Дані про це надає процес плавлення твердого тіла.

Наприклад, в шматку міді частка вільного простору становить 26% (все інше зайнято атомами). У розплавленої міді ця частка збільшується з 26 до 29%. Всього 3% обсягу виявилося в «розпорядженні» атомів, а як змінилися властивості речовини! Замість монолітного шматка, в якому важко запідозрити який-небудь рух, перед нами текуча, рухлива, ніби жива, рідина.

Звичайно, і в твердому тілі атоми, скріплені електронними зв'язками зі своїми численними сусідами, непомітно, але постійно рухаються, коливаються біля положення рівноваги. Зростання відстані між атомами, що відбувається при плавленні, дозволяє цим рухам збільшити свій розмах до такої міри, що в рідині атоми іноді навіть міняються місцями один з одним!

Цілком зрозуміло, що молекули газу будуть з усіх боків «обстрілювати» будь-яку чужорідну частку, що потрапила в їхнє суспільство, - будь то пилок рослин, частинки сажі або металу. Молекули в газі мають найрізноманітніші швидкості, і найбільш повільні з них можуть пролетіти за секунду «всього» 50 - 100 метрів. Природно, що при броунівському русі напрямок переміщення частинки залежить від того, з якого боку у неї виявиться більше швидких і енергійних молекул.

Постійні зіткнення не дозволяють газовим молекулам вільно пролітати великі відстані. При звичайних умовах молекули кисню до зіткнення з кимось із своїх побратимів долають в середньому відстань всього в 500 ангстрем, а молекули водню - в 1000 ангстрем.

Зв'язки атомів в молекулах і їх рух

Саме цим - швидкими ударами мільярдів молекул - пояснюється тиск газів і рідин, і зокрема тиск повітряної атмосфери Землі. Ліліпути, якщо їх багато, можуть перемогти і Гуллівера. Пам'ятайте, як, пов'язаний тисячами мотузочок, Гуллівер не міг навіть встати?

Як визначив ще в XVIІ столітті італійський вчений Торрічеллі, учень Галілея, тиск атмосфери здатне підняти стовпчик важкої ртуті на висоту 76 сантиметрів, а шар води - майже на 10 метрів вгору! Для цього потрібно лише дві скляні трубки з'єднати внизу один з одним. Тиск атмосфери в одній з сполучених трубок зуміє без всяких видимих ​​зусиль «виштовхнути» будь-яку рідину в інший трубці на значну висоту, якщо вільний кінець цієї трубки запаяний.

Джерело: Марк Колтун "Світ фізики".

Поділитися c друзями