1. Порівняння газів, рідин і твердих тіл
2. Кристали, аморфні тіла та рідини
3. Інші стани речовини
1. ПОРІВНЯННЯ ГАЗІВ, РІДИН І ТВЕРДИХ ТІЛ
З курсу фізики попередніх класів ви вже знаєте, що:
• тверді тіла зберігають об’єм і форму;
• рідини зберігають об’єм, але не зберігають форму: унаслідок плинності рідина зазвичай набуває форми посудини1;
• гази не зберігають ні об’єму, ні форми: газ заповнює всю посудину, у якій він міститься.
Властивості газів ми розглянули вище. Розглянемо тепер властивості твердих тіл та рідин.
ЧИ МОЖЕ ТА САМА РЕЧОВИНА ПЕРЕБУВАТИ
В РІЗНИХ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ?
Ми звикли до того, що вода може існувати в трьох станах — твердому (лід), рідкому (власне вода) і газоподібному (пара). Більшість же інших речовин ми вважаємо істинно твердими, рідкими чи газоподібними: наприклад, залізо ми вважаємо твердим тілом, а водень — газом.
Однак залізо може бути і рідким, і газоподібним, а водень — і рідким, і твердим: за температури 1539 °С залізо плавиться, а за 3200 °С закипає, перетворюючись у газ; водень за температури -253 °С скраплюється, а за -259 °С твердне.
На сьогодні встановлено, що будь-яка проста речовина може перебувати в кожному з трьох агрегатних станів — твердому, рідкому чи газоподібному: стан речовини залежить від температури і тиску.
ЧОМУ ВЛАСТИВОСТІ ВСІХ ГАЗІВ МАЙЖЕ ОДНАКОВІ,
А ВЛАСТИВОСТІ РІДИН І ТВЕРДИХ ТІЛ РІЗНІ?
Молекули газів взаємодіють тільки під час порівняно рідких зіткнень. Тому властивості газів визначаються переважно рухом молекул, а він у всіх газах однаковий: між рідкісними зіткненнями молекули рухаються рівномірно і прямолінійно. От чому властивості різних газів так схожі.
Властивості ж твердих тіл і рідин визначаються переважно взаємодією атомів і молекул. А оскільки атоми і молекули різних речовин взаємодіють по-різному, то і властивості рідин і твердих тіл надзвичайно різноманітні.
ЯК РОЗТАШОВАНІ МОЛЕКУЛИ Й АТОМИ В ГАЗАХ,
РІДИНАХ І ТВЕРДИХ ТІЛАХ?
У газах молекули перебувають у середньому на відстанях, що набагато перевищують розміри самих молекул. Наприклад, у повітрі відстань між молекулами приблизно в 10 разів більша за розміри молекул. А в рідинах та твердих тілах атоми й молекули розташовані практично впритул. Про це свідчить мала стисливість рідин і твердих тіл: щоб зменшити об’єм рідини чи твердого тіла, треба прикласти дуже велику силу.
2. КРИСТАЛИ, АМОРФНІ ТІЛА ТА РІДИНИ
Тверді тіла бувають кристалічними та аморфними. Розглянемо спочатку кристали.
КРИСТАЛИ
Приклади кристалів — кухонна сіль, алмаз, метали.
У кристалах атоми або молекули розташовані упорядковано, утворюючи кристалічні ґратки.
Тому говорять, що в кристалічних тілах існує далекий порядок у розташуванні атомів. Наприклад, у кристалі кухонної солі атоми натрію і хлору чітко чергуються, розташовуючись у вершинах куба. На рисунку 22.1 схематично зображено кристалічні ґратки кухонної солі (NaCl). Йони натрію і хлору умовно позначено кульками різних діаметрів.
Такий чіткий порядок у розташуванні атомів кристала викликає запитання: що ж «змушує» атоми дотримуватися його чіткого порядку? Відповідь на це запитання дає простий дослід.
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Насиплемо на увігнуте скло однакові маленькі металеві кульки і почнемо легенько струшувати його. Ми побачимо, що незабаром кульки розташуються в чіткому порядку, який дуже нагадує порядок атомів у кристалі (рис. 22.2).
Розгадка такого упорядкування кульок полягає в тому, що вони розташовуються на увігнутому склі в найнижчому з можливих положень, що відповідає мінімальному значенню потенціальної енергії кульок.
З тієї самої причини упорядковуються й атоми кристала: вони займають положення, що відповідає мінімальному значенню потенціальної енергії взаємодії атомів.
Плавлення кристалічних тіл. Досліди показують, що
кристали плавляться за певної температури, яку називають температурою плавлення.
Наприклад, лід плавиться при 0 °С: за температури вище 0 °С вода рідка, а за температури нижче 0 °С — тверда (лід). При 0 °С може існувати суміш льоду з водою, наприклад мокрий сніг.
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Потримаємо кубик льоду над полум’ям спиртівки. Ми побачимо, що кубик льоду тане, але лід залишається твердим тілом (рис. 22.3).
Залежність властивостей кристала від типу кристалічних ґраток. Властивості кристала визначаються не тільки видом атомів, а й типом кристалічних ґраток. Пояснимо це на прикладі графіту та алмаза. Як не дивно, м'який чорний графіт і твердий прозорий алмаз складаються з тих самих атомів — атомів Карбону.
Кристалічні ґратки графіту мають шарувату структуру, причому ці шари слабко зв’язані один з одним, бо відстань між ними суттєво більша, ніж відстань між сусідніми атомами в одному шарі (рис. 22.4, а, в). Тому шари легко відокремлюються один від одного, чим і зумовлена м'якість графіту.
А в кристалічних ґратках алмаза кожний атом сильно зв’язаний зі своїми найближчими сусідами. Саме цим сильним зв’язком атомів і зумовлена унікальна твердість алмаза (рис. 22.4, б, г).
Вивчення властивостей кристалів дозволило досягти величезного прогресу в матеріалознавстві, електроніці, оптиці, медицині. Науково-технологічний концерн «Інститут монокристалів» НАН України (Харків) відомий своїми розробками в галузі вирощування та вивчення властивостей кристалів далеко за межами України. Штучні алмази виготовляють в Інституті надтвердих матеріалів НАН України (Київ).
АМОРФНІ ТІЛА
Прикладами аморфних тіл є смола і скло.
В аморфних тілах зберігається порядок у розташуванні тільки найближчих «сусідів», тому говорять, що
в аморфних тілах існує «ближній порядок» у розташуванні атомів і молекул.
Через наявність тільки ближнього порядку атоми або молекули в аморфних тілах час від часу «перескакують» з одного положення в інше. Якщо на аморфне тіло діють зовнішні сили, «перескакування» молекул в одному напрямі відбувається частіше, ніж в інших. У результаті форма тіла поступово змінюється, тобто аморфні тіла мають плинність1.
Скло має плинність навіть за кімнатної температури, хоча і тече надзвичайно повільно: наприклад, шибки поступово товщають донизу, але це помітно тільки у вікнах дуже давніх будинків.
З підвищенням температури частота перескоків молекул чи атомів збільшується, і аморфне тіло, поступово розм'якшуючись, перетворюється в рідину. Таким чином, на відміну від кристалів,
аморфні тіла не мають визначеної температури плавлення.
Наприклад, якщо скло нагріти, воно стає таким м’яким, що з нього можна ліпити. Ця властивість скла широко використовується в мистецтві та у склодувному виробництві — завдяки йому скляним виробам можна надавати практично будь-якої форми.
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Нагріваючи скляну паличку над полум’ям, ми побачимо, що скло поступово розм'якшується, але не тане (рис. 22.5).
1 Тому такі тіла й названі аморфними: грецькою «аморфос» — не має форми.
РІДИНИ
Будова рідин схожа з будовою аморфних тіл:
у розташуванні молекул у рідині існує тільки ближній порядок.
Відмінність рідин від аморфних тіл полягає переважно в тому, що рідини мають значно більшу плинність.
Чому краплі круглі? Те, що рідина «не має своєї форми», а завжди набуває форми посудини, не зовсім правильне: адже краплини рідини набувають не будь-якої, а саме кулястої форми (рис. 22.6). У стані невагомості (у космічному кораблі) форми кулі набуває будь-яка маса рідини.
Пояснення кулястої форми краплин полягає в тому, що рідина прагне зменшити площу своєї поверхні, а з усіх тіл із заданим об’ємом найменшу площу поверхні має саме куля. Намагання рідини зменшити площу своєї поверхні називають поверхневим натягом.
Поверхневому натягу зазвичай перешкоджають сила тяжіння та сила тиску стінок посудини, що «змушують» рідину набувати форми посудини. Але для маленької краплини, тим більше падаючої, основну роль в утворенні її форми відіграє поверхневий натяг.
Чим зумовлений поверхневий натяг? Щоб витягти молекулу з рідини, треба подолати притягання інших молекул, тобто виконати додатну роботу, а отже, збільшити енергію молекули. Таким чином, потенціальна енергія молекули, що перебуває поза рідиною, більша за потенціальну енергію молекули, що міститься в рідині.
Молекула в поверхневому шарі рідини взаємодіє з меншою кількістю сусідів, ніж молекула в товщі рідини, тобто ця молекула ніби «наполовину вирвана» з рідини (див. рис. 22.7). Отже, потенціальна енергія такої «поверхневої» молекули більша, ніж потенціальна енергія молекули в товщі рідини. А це означає, що молекули поверхневого шару мають надлишкову енергію порівняно з молекулами в товщі рідини. Цю енергію називають поверхневою енергією.
Поверхнева енергія Еаог пропорційна площі S вільної поверхні рідини: ЕПОШ = oS. Величину ст називають поверхневим натягані даної рідини.
Саме завдяки прагненню зменшити поверхневу енергію рідина й прагне зменшити площу своєї поверхні.
Змочування. По чистому склу вода розтікається, прагнучи збільшити площу дотику зі склом. Зумовлено це тим, що молекули води сильніше притягаються до скла, ніж одна до одної. У такому випадку говорять, що рідина змочує тверде тіло: у даному випадку вода змочує скло.
Ртуть же по склу не розтікається, бо молекули ртуті сильніше притягаються одна до одної, ніж до скла. Оскільки ртуть не змочує скло, пролита на скло ртуть збирається в круглі краплини, форма яких, як ми вже знаємо, визначається поверхневим натягом.
З тієї самої причини збирається в краплини й вода на покритої жиром поверхні: вода не змочує такі поверхні.
КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА
Унаслідок змочування вода піднімається по тонких скляних трубках, причому що менший внутрішній діаметр трубки, то вище піднімається вода (рис. 22.8). Тонкі трубки називають капілярами', тому явище піднімання рідини в тонких трубках називають капілярністю.
Унаслідок капілярності вода піднімається по стеблах рослин і в пористих речовинах.
Якщо ж рідина не змочує поверхню трубки, то поверхня рідини в трубці буде нижчою від поверхні рідини в широкій посудині — так відбувається, наприклад, із ртуттю в скляній трубці.
ЯВИЩА ЗМОЧУВАННЯ ТА КАПІЛЯРНОСТІ В ПОБУТІ,
ПРИРОДІ Й ТЕХНІЦІ
Коли ви витираєтеся рушником, він «збирає» воду з тіла завдяки тому, що тканина змочується водою, а між волокнами тканини є дрібні пори, куди «просочується» вода внаслідок капілярності. У природних тканин здатність усмоктувати воду набагато вища, ніж у синтетичних, тому що природні тканини краще змочуються водою й до того ж відстані між волокнами в цих тканин набагато менші, ніж у синтетичних. От чому краще носити одяг (особливо той, що безпосередньо прилягає до тіла), зроблений з природних тканин: ці тканини набагато краще всмоктують піт.
Ви, звичайно, помічали, що вимити посуд холодною водою важко, якщо їжа була жирною. Причина в тому, що жир практично не змочується холодною водою. Використання гарячої води істотно поліпшує справу, тому що гаряча вода змочує жир набагато краще. Ще більшого успіху в митті посуду можна досягти, використовуючи мийні засоби: у мильної води поверхневий натяг майже вдвічі менший, ніж у чистої води. Мильна вода змочує жир, прилипаючи до нього і несучи його із собою. Тому за допомогою мийних засобів можна мити посуд навіть холодною водою. Завдяки зменшенню поверхневого натягу мило та інші мийні засоби застосовують також у пранні.
Змочування використовують і в промисловості. Наприклад, для фарбування або паяння потрібно забезпечити якомога більше змочування. За допомогою змочування збагачують руди кольорових металів: деякі рідини змочують металеві хімічні сполуки, але не змочують порожню породу.
Іноді ж потрібно, навпаки, зменшити змочування. Так, фундамент будинку покривають спеціальними гідроізоляційними матеріалами (наприклад, смолою), які не змочуються водою. Ці матеріали ізолюють будинок від ґрунтової вологи, яка інакше піднімалася б по порах цеглин, які змочуються водою.
Малим змочуванням «користуються* й водоплавні птахи та звірі: їхнє пір’я або хутро покрите жиром, який не змочується водою. Завдяки цьому білі ведмеді плавають у крижаній воді, після чого вилазять з неї практично сухими. Тож ♦ вийти сухим із води» насправді можна: це кожний день роблять гусаки та білі ведмеді.
Капілярність використовують рослини: зокрема, завдяки капілярності ґрунтові води піднімаються по стеблах рослин.
РІДКІ КРИСТАЛИ
У другій половині 20-го століття почали активно вивчати речовини, у яких в одному напрямі існує далекий порядок у розташуванні молекул, а у двох інших напрямах — тільки ближній. Ці речовини поєднують властивості рідин і кристалів, тому їх назвали рідкими кристалами.
Рідкі кристали дуже чутливі до зміни зовнішніх умов. Наприклад, навіть унаслідок невеликої зміни температури, тиску, електричного чи магнітного полів вони можуть змінювати колір.
Цю властивість рідких кристалів використовують у різних приладах, наприклад у рідкокристалічних медичних термометрах. Особливо широко застосовують рідкі кристали для виготовлення дисплеїв — від малих годинників та мобільних телефонів до великих комп’ютерів та телевізорів.
3. ІНШІ СТАНИ РЕЧОВИНИ
ПЛАЗМА
За температури в тисячі і мільйони градусів швидкість хаотичного руху атомів стає такою великою, що електронні оболонки атомів повністю або частково руйнуються внаслідок зіткнень. У результаті утворюються заряджені частинки — йони та вільні електрони. Такий дуже йонізований газ називають плазмою.
У земних умовах плазма — порівняно рідкий стан речовини: безпосередньо ми спостерігаємо плазму тільки у вигляді блискавки. Однак у космічних масштабах плазма є дуже поширеним станом речовини: у цьому стані перебуває, наприклад, більшість зір (у тому числі й наше Сонце).
ПОЛІМЕРИ ТА РЕЧОВИНИ
З НАПЕРЕД ЗАДАНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ
Молекули деяких речовин — наприклад, молекули, які входять до складу живих організмів, а також молекули багатьох пластмас — складаються з дуже великої кількості однакових або різних атомних груп, що чергуються, — ланок, з’єднаних між собою хімічними зв’язками в довгі лінійні, розгалужені і навіть просторові тривимірні структури. Такі речовини називають полімерами.
До полімерів належать численні природні сполуки, наприклад білки та нуклеїнові кислоти. Велику кількість полімерів одержують сьогодні штучно (синтетичним шляхом).
Завдяки цінним властивостям природні та штучні полімери застосовують у машинобудуванні, текстильній промисловості, сільському господарстві та медицині, автомобіле-й суднобудуванні, у побуті (текстильні та шкіряні вироби, посуд, клей і лаки, прикраси та інші предмети). На основі полімерів виготовляють гуми, волокна, пластмаси, плівки та лакофарбові покриття.
Всесвітньо відомим науковим центром дослідження і розробки полімерних матеріалів для багатьох галузей промисловості є Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України (Київ).
Штучні полімери — приклад речовин з наперед заданими властивостями. Сьогодні вчені вміють одержувати й інші речовини з наперед заданими властивостями, наприклад напівпровідники, які широко використовують у комп’ютерах та мобільних телефонах.
МОЛЕКУЛЯРНА БУДОВА ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ
Жива матерія на молекулярному рівні відрізняється від неживої виключно високим ступенем упорядкованості.
Наприклад, молекули нуклеїнових кислот, що несуть спадкову інформацію, містять мільйони атомів, які розташовано у чітко визначеному порядку. Ці молекули утворюють подвійні спіралі у вигляді дуже довгих ланцюгів. Так, загальна довжина всіх молекул нуклеїнових кислот, що містяться в організмі однієї людини, більш ніж у 100 разів перевищує відстань від Землі до Сонця (от де мікросвіт «змикається* з космосом!).
Щоб уміститися в ядрі клітини, молекула нуклеїнової кислоти надзвичайно щільно упаковується — на ній утворюються тисячі петель, перегинів тощо. Однак навіть будучи так щільно упакованою, молекула нуклеїнової кислоти постійно займається надзвичайно складною діяльністю — побудовою так само високовпорядкованих величезних молекул білків1.
1 Одним з перших учених, які почали вивчати властивості білків, був уже знайомий нам Гей-Люссак, ім’ям якого названо закон теплового розширення газу під час ізобарного процесу.
Злагоджене функціонування біологічних молекул не може бути описане тими самими засобами, якими описується будова речовини неживій матерії. Однак фізика і біологія, об'єднавшись, створили нову науку — біофізику. Ця наука вивчає будову живих організмів, використовуючи методи фізики, біології, хімії та інформатики.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
У кристалах атоми або молекули розташовані упорядковано, утворюючи кристалічні ґратки; кристали плавляться за певної температури, що називають температурою плавлення.
В аморфних тілах є тільки «ближній порядок» у розташуванні атомів і молекул; аморфні тіла мають плинність; аморфні тіла не мають певної температури плавлення.
У розташуванні молекул рідині існує тільки «ближній порядок».
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Що спільного у твердих тіл та рідин? Чим вони відрізняються?
2. Що спільного у рідин та газів? Чим вони відрізняються?
3. Як розташовані молекули і атоми в газах, рідинах та кристалічних тілах?
4. Яка особливість плавлення кристалічних тіл?
5. Що таке аморфні тіла? Наведіть приклади аморфних тіл.
6. Чи плавляться аморфні тіла?
7. У чому полягає явище змочування?
8. Наведіть приклади капілярних явищ.
Другий рівень
9. Чи може та сама речовина перебувати одночасно в різних агрегатних станах? Наведіть приклади, що підтверджують вашу відповідь.
10. Чому властивості всіх газів майже однакові, а властивості рідин і твердих тіл такі різні?
11. Оцініть, який об’єм припадає в середньому на одну молекулу в повітрі, що вас оточує: для цього можна, наприклад, об’єм повітря в кімнаті розділити на кількість молекул у ньому. У скільки разів цей об’єм більший за об'єм самої молекули? Для оцінки прийміть, що густина повітря дорівнює 1,3 кг/м3. Молярну масу повітря вважайте рівною 0,029 кг/моль.
12. Що таке далекий порядок і ближній порядок? Для яких станів речовини характерний далекий порядок, а для яких — ближній?
13. Що «змушує» атоми в кристалах розташовуватися впорядковано?
14. Є зразок твердого тіла. За допомогою яких дослідів можна визначити, крісталічне це тіло чи аморфне?
15. Які особливості плазми?
16. Що таке полімери? Яка головна особливість їх будови?
17. Які особливості молекулярної будови живих організмів?
18. Складіть задачу за темою «Стани речовини», відповіддю якої було б «Тільки кристалічні».
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев