§ 2. Явища, які свідчать про існування атомів та молекул

Навіть найпростіші спостереження і досліди можуть нам дещо розповісти про внутрішню будову речовини. Якщо харчову сіль або цукор кинути у воду, то вони кудись зникають або, як мовлять, розчиняються. Зникають вони не безслідно, а надають воді солоного або солодкого смаку. Зауважимо, що і до розчинення у воді сіль була солона, а цукор солодкий.

Проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини називають дифузією (від лат. diffusio - розливання).

Дифузія

ДОСЛІД 2.Ί

Вкиньте ложечку солі в склянку холодної води і зафіксуйте час, який пройде до повного розчинення солі. Повторіть дослід із гарячою водою. Зробіть висновки.

Те, що розчинення солі відбувається, означає, що молекули води та атоми солі рухаються і що між ними є проміжки. При збільшенні температури швидкість молекул та атомів збільшується і відстані між ними стають більшими, тому дифузія відбувається швидше.

ДОСЛІД 2.2

Спробуйте розчинити сіль у різних рідинах: спирті, розчиннику для фарби, олії. Зверніть увагу, що сіль у цих рідинах не розчиняється зовсім або розчиняється дуже слабо. Якщо ви займалися фарбуванням, то, напевне, помітили, що кожна фарба потребує свого розчинника. Спробуйте пояснити явище з точки зору молекулярної будови речовини.

ДОСЛІД 2.3

Вкидайте сіль у склянку з водою доти, поки вона не перестане розчинятися навіть при помішуванні ложечкою. Певна частина солі осяде на дно. Нагрійте цей розчин солі на водяній бані (склянку помістіть у каструлю з водою і поставте на повільний вогонь). Якщо у вас є потрібний термометр, виміряйте температуру розчину, при якій сіль розчинилася повністю. Спробуйте пояснити, чому, починаючи з певної кількості солі у воді, сіль більше не розчиняється. Чому одна й та сама кількість солі не розчиняється при нижчій температурі, але розчиняється при вищій?

ДОСЛІД 2.4

Капніть крапельку чорнила (або зеленки) у склянку з водою і виміряйте час, за який вся вода рівномірно зафарбується. У перший момент, коли крапля чорнила чи зеленки потрапляє у воду, мають місце й інші цікаві явища, опишіть їх.

Соління огірків відбувається також завдяки процесу дифузії, причому якщо вам треба швидше одержати малосольні огірки, то залийте їх гарячим розсолом і витримайте в теплому місці протягом хоча б однієї доби. Чим вища температура, тим швидше відбувається дифузія.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЗАДАЧА 2.Ί

Запах парфумів можна відчути по всій кімнаті майже відразу після того, як ви відкрутили кришечку флакона. Якщо капнути чорнило або зеленку у воду, вона зафарбується не відразу. Проведіть досліди і поясніть спостережувані явища.

ДОСЛІД 2.5

Змішайте разом склянку гороху (або квасолі) і склянку гречаної (чи будь-якої іншої дрібної) крупи. За допомогою мірної склянки переконайтеся в тому, що сумарний об'єм буде менший, ніж об'єм двох склянок окремо.

1)    Як ви встановили сумарний об'єм двох склянок за допомогою мірної склянки?

2)    Чому сумарний об'єм гороху і гречки менший, ніж сума початкових об'ємів?

Щоб перевірити, чи відбувається дифузія у твердих тілах, англійський металлург Робертс-Остен в 1896 році провів наступний дослід. Рівно відшліфовані пластинки золота (Au) і свинцю (Pb) приклали одну до одної і затиснули в лещатах. Через рік їх уже неможливо було роз'єднати, оскільки вони «зрослися». Спостерігаючи під мікроскопом поперечний зріз пластинок, можна було побачити жовте золото на сірому фоні свинцю з однієї сторони початкової лінії розділу пластинок і сірий свинець - з другої (мол. 2.1). Взаємне проникнення атомів речовин складало декілька міліметрів. З одного боку, цей дослід свідчить про те, що дифузія в твердих тілах відбувається, а з іншого - що вона йде дуже повільно.

Якщо пластинки сильно нагріти (не вище за температуру плавлення), то можна значно прискорити їхнє зрощування. Цей метод називають «дифузійним зварюванням» і використовують у промисловості.

Мономолекулярні плівки

Ще одне явище, яке опосередковано підтверджує молекулярну теорію, - це розтікання деяких рідких жирів, наприклад оливкової олії, по поверхні води і утворення ними завжди однакової за площею плями при однаковому початковому об'ємі жиру. Щоб зручніше було вимірювати площу плями, роблять так. На поверхню води, налитої в прямокутну кювету (посудину), опускають легку соломинку так, що вона, плаваючи на поверхні, поділяє її на дві частини (мал. 2.2) 3 одного боку капають маленьку крапельку олії, яка, розтікаючись, штовхає соломинку доти, доки олія не перестане розтікатися. Цей дослід можна пояснити так. Якби ми зібрали на столі купку важких кульок, притримуючи їх руками, а потім забрали руки, то вони розсипалися б, утворивши шар товщиною в одну кульку (мал. 2.3).

Є речовини, які, розтікаючись по поверхні води, утворюють шар (плівку) товщиною в одну молекулу (він називається мономолекулярним шаром). На відміну від кульок, молекули таких речовин тримаються разом і покривають поверхню неперервним шаром. Дуже тонкі плівки розлитих на поверхні води мастил або олії можна інколи спостерігати на калюжах. Вони мають багатоколірне забарвлення, а це, як ми дізнаємося пізніше, є ознакою малої товщини плівки.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Речовина гексадеканол покриває мономолекулярним шаром поверхню води у водоймах і заважає її випаровуванню. На 1 га поверхні води в день потрібно 60 г цієї речовини. В Австралії у такий спосіб зберігають 10 км³ води з 1 га поверхні води в рік.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЗАДАЧА 2.2

Проведіть ваткою, змоченою спиртом або одеколоном, по гладкій (нікельованій або просто полірованій) поверхні. В який момент плівка рідини, що випаровується, стане найтоншою? Як ви це встановили?

Броунівський рух

Факт існування атомів і молекул дуже довго не вдавалося довести, хоча чимало процесів і явищ опосередковано свідчили про «зернисту» структуру речовини (іншими словами - речовини не суцільні).

У 1827 р. англійський ботанік Роберт Броун провів цікаве спостереження. Розглядаючи в мікроскоп дрібні спори папороті, які зависли в краплині води внаслідок компенсації сили тяжіння і виштовхувальної сили, він встановив, що вони рухаються без будь-якого порядку або хаотично. Цей рух не припиняється ні вдень, ні вночі. Оскільки пилок рослин - це продукт живої природи, броун вирішив, що пилинки рухаються самі. Як справжній учений, він вирішив це перевірити у переконливому досліді. Він розтер сажу, яка складається із дуже маленьких, але вже точно неживих частинок, і також розглядав їх поведінку в краплі води в мікроскоп (усі ці частинки настільки малі, що без мікроскопа їх просто не видно). Виявилося, що і частинки сажі безперервно і хаотично рухаються. Відтоді такі частинки називають «броунівськими», вони повинні мати розміри 1 мкм і менше.

броунівські частинки добре видно в мікроскоп, який дає збільшення в 300 разів. Молекули в такий мікроскоп розгледіти неможливо, про їх присутність і характер руху якраз і свідчить броунівський рух частинок. Хаотичний рух броунівських частинок говорить про те, що й молекули рухаються так само безладно, тобто без будь-якого порядку.

Чим менша частинка і чим більша температура середовища, в якому вона знаходиться, тим інтенсивніше рухається частинка. Броунівський рух здійснюють і частинки диму, що також можна спостерігати в мікроскоп.

Молекули вдаряють по броунівській частинці з усіх боків з величезною частотою (в середньому біля 1000 ударів за секунду з боку однієї молекули). Напрями і значення сил, з якими молекули вдаряють по частинці, весь час змінюються. Результуюча сила, яка вданий момент діє на частинку, виявляється дуже маленькою. Цікаво, що вона тим менша, чим більша кількість молекул вдаряє по частинці.

Якщо відмічати точкою на аркуші паперу приблизні положення певної частинки через однакові інтервали часу (0,5 хв. у досліді Перрена), а потім сполучити ці точки відрізками, то отримаємо заплутану ламану зигзагоподібну лінію (мал. 2.4).Чому броунівські частинки рухаються, залишалося незрозумілим ще багато десятків років після спостережень Броуна. Остаточна впевненість у тому, що речовина складається з молекул і атомів, з'явилася тільки після експериментального і теоретичного вивчення броунівського руху. Лише в 1905-1906 роках Альберт Ейнштейн і професор Львівського університету Маріан Смолуховський незалежно, кожний по-своєму, розробили теорію цього руху. У 1908 році французький учений Жан Перрен та у 1925 році шведський учений Т. Сведберг експериментально підтвердили правильність теорії Ейнштейна і Смолуховського. Перрену також уперше вдалося визначити розміри молекул і знайти їх кількість у певній масі речовини.

ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Мар'ян Смолуховський обчислив швидкість броунівських частинок, яка становить у рідині приблизно І¹⁰ м/с.

•    Французький фізик Жан Гуі встановив на дослідах, що інтенсивність броунівського руху збільшується при збільшенні температури, при зменшенні в'язкості рідини і ніяк не залежить від інтенсивності освітлення чи наявності електричного поля.

ДОСЛІД 2.6

Помістіть краплю туші (чорнила, розчину сажі) на предметне скельце мікроскопа зі збільшенням у понад 300 разів. У полі зору мікроскопа буде видно частинки різних розмірів. Виберіть найменшу з них і спостерігайте, як вона «дрижить». Це і є броунівський рух. Опишіть його.

Розміри маленьких частинок і тіл (1 мкм = 0,001 мм)

Частинка	Розмір частинки
Частинки пилу
Броунівські частинки
Крапельки туману
Червоні кров’яні тільця (еритроцити)
Інфузорія-туфелька
Бактерії
Віруси

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

2.1. «Лазерний мікроскоп». Розчиніть у краплі води частинки сажі і розглядайте тінь від краплі у світлі зеленого лазера. Сажу отримують за допомогою полум'я свічки, тримаючи над ним металічний предмет. Краплю можна підвісити на тонкій трубці зі скла. На екрані ви побачите дещо дуже цікаве - спробуйте пояснити.

Як обчислюють кількість молекул вданій масі речовини

Ми можемо обчислити кількість молекул N у будь-якій масі т речовини, якщо знаємо її молярну масу, тобто молекулярний склад:

Концентрація молекул (атомів)

Ще одна важлива для розрахунків у світі молекул величина - це концентрація. Концентрацією молекул (атомів) називають їх кількість Nв одиниці об'єму Vі позначають літерою п:

Концентрацію вимірюють в см^-3, або в м^-3 (в СІ). Наприклад, в 1 см³ повітря при нормальних умовах (тиску в 1 атмосферу (101 325 Па) і температурі 0 °С) міститься приблизно 2,7-10¹⁹ молекул, тобто η = 2,7-10¹⁹см^_3 (слово «молекул» читають, але не пишуть).

ПРИКЛАД 2.1

Якщо масу молекули тО помножити на їх концентрацію, то отримаємо масу речовини в одиниці об'єму, тобто густину:

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини називають дифузією.

Змішування молекул даної речовини між собою називають самодифузією - вона відбувається повільніше, ніж дифузія.

Утворення мономолекулярних плівок дає можливість визначити розміри молекул.

Броунівським називають рух дуже маленьких (1 мкм і менше) частинок, що зависли в рідині або газі, під дією ударів молекул.

Броунівська частинка повинна бути досить маленькою, щоб бути «чутливою» до ударів молекул, які вдаряють по ній з усіх боків. Водночас розміри броунівської частинки настільки більші за розміри молекул, що їх можна бачити в оптичний мікроскоп.

Дифузія і броунівський рух відбуваються швидше, якщо температура речовини більша.

Проміжки між молекулами у газі приблизно у 10 разів перевищують їх розмір. У твердих тілах і рідинах атоми чи молекули розташовані впритул одна до одної.

Кількість молекул у даній масі речовини знаходять за формулою:

Концентрацією молекул (атомів) називають їх кількість N в одиниці об'єму V \ позначають літерою п:

ВПРАВА №2

1.    Чому дифузія в газах відбувається найшвидше?

2.    Що таке мономолекулярний шар?

3.    Де можна застосувати мономолекулярні плівки?

4.    Як можна визначити, що автомобільне мастило чи бензин, які потрапили в калюжу, утворили дуже тонку плівку?

5.    Чому плівка рідини в експериментальному завданні 2.2. поступово стає все тоншою?

6.    Якими повинні бути розміри завислої в рідині або газі частинки, щоб її можна було назвати броунівською?

7.    Чому рухаються броунівські частинки?

8.    Чи можна спостерігати броунівський рух мікроорганізмів?

9.    Якщо змішати 50 мл спирту і 50 мл води, то отримаємо не 100 мл, а значно менше (біля 80 мл). Поясніть цей результат.

10.    На поверхню води в кюветі капнули краплю олії об'ємом 0,048 мм3. Утворилася мономолекулярна плівка, що має довжину 20 см і ширину 12 см. Оцініть діаметр молекули олії (в нм).

11.    Від яких властивостей рідини може залежати інтенсивність броунівсько-го руху?

12.    Чому броунівські частинки повинні бути такими маленькими?

13.    Чому зі збільшенням розмірів броунівської частинки інтенсивність її руху зменшується?

14.    Чому результуюча сила, з якою молекули діють на броунівську частинку, тим менша, чим більший розмір цієї частинки?

15.    Згідно з теорією Ейнштейна швидкість броунівської частинки при кімнатній температурі повинна становити близько 10 м/с. Чому частинка так повільно просувається у рідині чи газі?

16.    Обчисліть кількість молекул кисню у 16 г O₂.

17.    Яка маса атому алюмінію?

18.    Яка кількість атомів алюмінію міститься в а) 1 см³, б) в 5,4 г цієї речовини?

19.    Чому зорі на нічному небі мерехтять, а планети - ні?

20.    Чому Сонце на сході і на заході червоне, а високо в небі - жовтувато-біле?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка