§ 1. Структура речовини

У цьому параграфі ми приступаємо до вивчення молекулярної фізики, яка досліджує рух і взаємодію атомів та молекул, з яких складається речовина. У підручнику 7-го класу вже згадувалося, що атоми є найменшими носіями властивостей тих елементів, які з них складаються. Молекули складаються з атомів і є найменшими носіями хімічних властивостей речовини.

Світ атомів та молекул недоступний нашим органам відчуття, його ще називають «мікросвітом». Префікс «мікро», що означає «маленький», входить у велику кількість слів, які стали для нас звичними. Невидимий для нас мікросвіт, завжди був прикритий від допитливого людського ока завісою загадковості. Багато таємниць вдалося розгадати завдяки геніальному відкриттю оптичного (лінзового) мікроскопа (мол. 1.1). В наш час вже важко зрозуміти подив людей, які біля 350 років тому дізналися, що в краплині води є живі організми.

Щоб описувати розміри дуже маленьких об'єктів, використовують одиниці довжини мікрометр та нанометр (таблиця 1.1).

Таблиця 1.1

Зменшувальні префікси

Префікси	Ступінь десяти	Одиниці довжини
міпі - одна тисячна
мікро - одна мільйонна
нано - одна мільярдна

Один мікрометр (скорочено «мікрон», мкм або цм) становить одну мільйонну частину метра: 1 мкм = IO^-6M. Оскільки міліметр - це тисячна доля метра (1 мм = 0,001 м = 10"³м) то 1 мкм = 10^_3 мм. Префікс «нано» означає «одна мільярдна», наприклад один нанометр (скорочено «нм») складає одну мільярдну від метра: 1 нм = 10~⁹ м, 1 нм = 0,001 мкм.

Окремо від них стоїть одиниця довжини ангстрем, яка названа на честь Шведського астронома і фізика Андерса Ангстрема. Один ангстрем (позначений як А) - це діаметр найменшого в природі атому Гідрогену: I А = 10^_10м = 0,1 нм (тобл. 1.1).

Розмір молекули кисню складає приблизно 0,0004 мкм або 0,4 нм або 4 А, розмір вірусів - близько Ί мкм або 1000 нм.

В оптичний мікроскоп можна побачити тіла розміром до 0,1 мкм. Мікроскопи з таким збільшенням є чи не в кожному шкільному фізкабінеті, аптеці чи лікарні. В електронний мікроскоп (мал. 1.2), яким оснащені дослідницькі лабораторії, можна бачити молекули і атоми.

Молекулярно-кінетична теорія речовини (MKT)

У цьому розділі підручника різні явища навколишнього світу пояснюються виходячи з того, що всі тіла складаються з молекул (атомів), які безперервно і невпорядковано (хаотично) рухаються та взаємодіють між собою. Це коротке речення є підсумком тисячолітніх роздумів людства над загадкою будови речовини. Твердження, що висловлені у виділеній фразі, називають основними положеннями молекулярно-кінетичноїтеорії (скорочено - МКТ).

Таблиця 1.2

Розміри молекул

Речовина	Діаметр молекули, о А	Відстань між цент рами атомів V молекулі, А V *7 7
Водень (H2)
Кисень (О.,)
Азот (N2)
Вода (H2O)
Вуглекислий газ (CO2)
Довжина макромолекули гемоглобіну: 64 А.

Примітка. Запис числа у вигляді 3,0 означає, що воно підраховане з точністю до десятих.

Молекули складаються з кількох атомів однакового чи різного сорту, наприклад, молекула кисню, яким ми дихаємо, складається із двох атомів Оксигену, хіміки позначають це значком O₂. «О» означає Oxygen, а індекс 2 - те, що молекула кисню складається з двох атомів. Атоми - це структурні елементи молекул.

Молекула води складається з двох атомів Гідрогену (Hydrogen - знак Н) й одного атома Оксигену (Oksygen - знак О). Хімічна формула води H₂O. Молекула вуглекислого газу, який утворюється при горінні дров або вугілля, описується формулою CO₂, оскільки складається з двох атомів Оксигену й одного атома Карбону (Carbon - знак С).

Розміщення атомів в молекулі буває різним. Наприклад, атоми Оксигену в молекулі вуглекислого газу розміщені симетрично по обидва боки від атому Карбону. Натомість атоми Гідрогену в молекулі води розміщені збоку від атома Оксигену (мал. 1.3). Відрізки, що з'єднують центри атомів Гідрогену з центром атома Оксигену, утворюють кут 105°. Така будова молекули води надає цій речовині ряд особливих властивостей, з якими ми познайомимося дещо пізніше.

Речовина складається з атомів або молекул, тобто вони є її структурними елементами. Дуже важливо знати, як розміщені в просторі атоми і молекули речовини, як вони рухаються і взаємодіють, яка маса молекул і яка кількість молекул знаходиться в одиниці об'єму. Від цього залежать властивості тіл, що

складаються з даної речовини.

* Атомна одиниця маси

Подумаємо над тим, чому густина алюмінію (2,7 г/см³) менша за густину заліза (7,8 г/см³). Для цього може бути принаймні дві причини: а) атоми алюмінію мають меншу масу, ніж атоми заліза; б) атоми заліза щільніше «упаковані».

Маси атомів дуже маленькі (порядку 10^-27 кг), тому хіміки вже давно встановили відносні атомні маси елементів. За одну атомну одиницю маси (1 а.о.м.) зараз прийнято 1 /12 маси атому Карбону-12. Це зроблено для того, щоб маса найлегшого атома - Гідрогену - дорівнювала одиниці. Відповідно маса атому Пдрогену становить 1 а.о.м.; атому Карбону, очевидно, 12 а.о.м.; атому Нітрогену 14 а.о.м.; атому Оксигену 16 а.о.м. Масу атома чи молекули позначатимемо «пу>.

Масу молекули розраховують відповідно до кількості та маси атомів, зяких вона складається, наприклад: т₀(Н₂) = 2 а.о.м., m_o(N₂) = 28 а.о.м., т_о(0₂) = 32 а.о.м.,

т_п(Н₇0) = 18 а.о.м., т_п(С0₇) = 44 а.о.м.

Кількість атомів в 12 г вуглецю дуже велике і становить 6,022-10²³. Це число виміряне дослідним шляхом і його називають сталою Авогадро Л'_Л на

честь італійського фізика Амедео Авогадро.

* Кількість речовини

Певну кількість молекул (атомів) даної речовини називають кількістю речовини, позначають літерою v (ню) і вимірюють в молях. Один моль будь-якої речовини завжди містить N_a структурних одиниць (атомів чи молекул). Згідно з означенням, кількість речовини можна виразити формулою:

де N - це число молекул (атомів) даної речовини, а вираз NZN_a має зміст кількості молей.

* Молярна маса

Ми звикли визначати масу, використовуючи платино-іридієвий еталон 1 кг. Але іноді зручно визначати масу речовини, беручи за основу масу однієї молекули (або одного атома) цієї речовини. Якщо помножити масу молекули (атома), виражену в грамах чи кілограмах, на певну (однакову для усіх речовин кількість, а саме число Авогадро), то отримаємо фізичну величину, яку називають молярною масою. Цю величину вимірюють у одиницях «г/моль» або «кг/моль», і вона чисельно співпадає з масою молекули в а.о.м., але виражена у грамах (чи кілограмах).

Масу хімічно однорідної речовини в кількості 1 моль, виражену в грамах чи кілограмах, називають молярною масою та позначають грецькою літерою

M (мю).

Молярна маса води, наприклад, становить M(H₂O) = 18 г/моль (або 18-10"³ кг/моль), а молярна маса кисню M(O₂) = 32 г/моль (або 32-10^-3 кг/моль). Число Авогадро разом з назвою одиниці вимірювання записують так: N_a= 6,022-10²³ молекул/моль.

* Як обчислюють масу молекул

Тепер ми легко можемо обчислити масу однієї молекули у грамах чи кілограмах:

Зауваження: ми заокруглили 6,022 до цілих. Слово «молекули» не пишуть у формулах, а тільки читають, тому пишуть 6-10²³I/моль, або 6-10²³ моль-1.

Якщо розділити масу «т» даної речовини на її молярну масу «М», то отримаємо величину т/М, яка визначає кількість молей в даній масі, тобто кількість речовини:

Макромолекули

Макромолекули утворюють довгі (порівняно з їх шириною) ланцюжки, що складаються з тисяч, а інколи й сотень тисяч атомів, молекул чи груп молекул (мономерів). Макромолекули рідко бувають прямими, в більшості випадків вони багатократно зігнуті (мол. 1.4). Вивченням макромолекул займаються молекулярна біологія і фізична хімія.

ДНК

У 1953 р. була розшифрована структура молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). Назва молекули не така довга, як довжина самої молекули (180 см у розгорнутому вигляді). У звичайному стані вона згорнута в нещільно або дуже щільно намотані клубки - глобули і тому настільки мала, що вміщається в ядрі клітини, розмір якого 1 мкм. Молекула ДНК передає спадковий код живого організму. Вона має форму подвійної правогвинтової спіралі (мал. 1.5) і складається з величезної кількості (мільярди!) четвірок молекулярних ланок, які позначаються А, Г, Ц, У і які на моделі позначено зеленим кольором. Набір цих літер визначає спадковий код клітини. При діленні клітини спіраль ДНК розділяється на дві частини. Кожна половина в новій клітині добудовує собі потім другу спіраль. Повний оберт спіраль ДНК робить через десять ланок.

Віруси

Віруси - це досить великі тіла в мікросвіті. Вони складаються з каркасу ланцюжків макромолекул білка. Всередині каркасу знаходиться полімерний ланцюжок рибонуклеїнової кислоти (РНК). Грип, яким ми час від часу хворіємо, викликається вірусом грипу, який постійно видозмінюється, що ускладнює боротьбу з ним. Листки тютюну також мають свого ворога, який давно й добре вивчений. Вірус тютюнової мозаїки складається з великої кількості різних атомів і має вигляд трубки довжиною 300 нм, внутрішній діаметр якої 8 нм, а зовнішній - 17 нм.

Фулерени

Після того, як вчені та інженери навчилися робити з вуглецю алмаз, здавалося, що можливості карбону вичерпано. Але у 1985 р.

Робер Керл, Гарольд Крото та Річард Смолі відкрили зовсім нові карбонові структури -фулерени. На поверхні порожньої сфери утворюється візерунок із правильних п'яти-та шестикутників, у вершинах яких розміщені атоми Карбону. Фулерен C₆₀ складається з 20 шестикутників і 12 п'ятикутників в точності нагадуючи футбольний м'яч (мал. 1.6), тому його ще називають «футболіно» (backyball). Радіус C₆₀ дорівнює 3,512А, довжина сторони шестикутника - 1,388А, п'ятикутника - 1,433А.

У 1990 р. навчилися отримувати фулерени у великих кількостях при розпилюванні вугільних електродів у полум'ї електричної дуги. Фулеренам знайшли численні застосування, тому їх дослідження належить до пріоритетних напрямків світової науки. Наприклад, якщо додати фулерен в мастила (як присадку), то тертя у двигуні знижується в десятки разів. Перспективним є використання фулеренів у біології й медицині, електроніці та електротехніці (як-от, створення нових типів акумуляторів).

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

1.1. Виготовте з веб-камери мікроскоп і підключіть його до комп'ютера. Розглядайте в нього різні дрібні предмети. Опис цієї конструкції доступний в Інтернеті.

коротктідсумки

Усі тіла складаються з молекул і атомів, які неперервно і хаотично рухаються та взаємодіють між собою.

Молекулярну масу молекули (масу молекули в а.о.м.) розраховують відповідно до кількості та маси атомів, з яких складається молекула.

За одну атомну одиницю маси (1 а.о.м.) прийнято 1/12 маси атому Карбо-ну-12.

Молярна маса однорідної речовини (виражена в грамах чи кілограмах) за числовим значенням дорівнює молекулярній масі молекул, з яких ця речовина складається і позначається грецькою літерою М.

мірюють у молях. Один моль будь-якої речовини містить однакову кількість структурних одиниць (молекул чи атомів), а саме число Авогадро:

N_a = 6,022· IO²³ моль^-1.

ВПРАВА №1

1.    З чого складаються атоми?

2.    Чи можна побачити молекули в оптичний мікроскоп?

3.    Чим відрізняється молекула від атома?

4.    Чим відрізняються молекули різних речовин між собою?

5.    Намалюйте схематично структуру молекули води, кисню й вуглекислого газу. Запишіть їхні хімічні формули.

6.    З яких структурних одиниць складається речовина?

7.    Назвіть три основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

8.    Наведіть приклади практичного застосування молекулярної теорії.

9.    Що спільного й відмінного в структурі молекул води і вуглекислого газу?

10.    Графіт і алмаз: що в них спільного і чим вони відрізняються?

11.    Чому з графіту можна синтезувати алмаз?

12.    За яких двох умов з атомів Карбону в графіті отримують алмаз?

13.    Якими стануть розміри волосинки і молекули води, якщо їх збільшити в мільйон разів? Товщина волосинки приблизно дорівнює 0,1 мм.

14.    Чому дорівнює маса: а) атома Пдрогену; б) молекули водню?

15.    Яка маса молекули озону O₃?

16.    Яку кількість речовини містять 132 г вуглекислого газу?

17.    Чому не вказані хімічна формула гемоглобіну і відстань між атомами цієї молекули?

18.    Зобразіть молекулу вуглекислого газу у вигляді кружечків. Масштаб: в 1 см - 1А.

19.    Діаметр молекули водню 1 А, а відстань між центрами атомів Гідрогену дорвнює 0,7А. Зробіть малюнок молекули в масштабі 1 см - 1 А, зобразивши атоми у вигляді кружечків і поясніть протиріччя.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка