Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества. Итоги главы — с. 43
Итоги главы. Обсудим. Прочитайте отрывки из поэмы римского поэта и философа Тита Лукреция Кара «О природе вещей», жившего в первой половине I в. до н. э. Соотнесите примеры, которые он описывает в этих отрывках, с тем, что вы знаете о строении вещества. [Отрывок 1: «…Запахи мы обоняем различного рода, / Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают. / Также палящей жары или холода нам не приметить / Зреньем своим никогда, да и звук увидать невозможно. / Но это всё обладает, однако, телесной природой, / Если способно оно приводить наши чувства в движенье: / Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может. / И наконец, на морском берегу, разбивающем волны, / Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет; / Видеть, однако, нельзя, как влага на нём оседает, / Да и не видно того, как она исчезает от зноя…» Отрывок 2: «…Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривлённый / Плуга железный сошник незаметно стирается в почве; / И мостовую дорогу, мощённую камнями, видим / Стёртой ногами толпы; и правые руки у статуй / Бронзовых возле ворот городских постепенно худеют / От припадания к ним проходящего мимо народа. / Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше, / Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих, / Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво…»]
Лукреций описывает явления, которые мы видим по результатам, но не можем наблюдать в самом процессе, и делает вывод, что их причиной служат невидимо малые частицы вещества. Это совпадает с современными представлениями: все вещества состоят из мельчайших частиц, молекул и атомов, которые находятся в непрерывном движении.
Запахи. Мы чувствуем запах, хотя не видим, как частицы проникают в нос. Это диффузия: молекулы пахучего вещества беспорядочно движутся, перемешиваются с молекулами воздуха и долетают до нас. Значит, молекулы очень малы и движутся сами по себе.
Тепло и холод, звук. Их тоже нельзя увидеть, но они действуют на органы чувств. Тепловое состояние тела связано со скоростью движения его молекул, а звук — с колебаниями частиц среды. Поэтому Лукреций справедливо говорит о «телесной» природе этих явлений.
Сырое и сухое платье. Влага оседает на ткани и испаряется незаметно: молекулы воды приходят на ткань и покидают её поодиночке. Отдельные молекулы глазом не видны, виден лишь результат — платье стало влажным или сухим. Испарение происходит потому, что молекулы воды движутся и самые быстрые вылетают с поверхности.
Капля, точащая скалу, сошник, стёртая мостовая, бронзовые статуи. Вещество убывает потому, что от него отрываются мельчайшие частицы — молекулы и их группы. Каждый раз уходит ничтожная часть, поэтому заметить это можно лишь за очень большое время. Это подтверждает, что тела состоят из частиц, между которыми действуют силы притяжения: чтобы оторвать частицы, нужно приложить усилие или действовать очень долго.
Вывод: рассуждения Лукреция — догадка о том, что вещество дискретно (состоит из частиц), частицы невидимо малы и движутся. Позднее это было доказано опытами по диффузии, наблюдением броуновского движения и приборами, позволяющими увидеть отдельные атомы.
Запахи. Мы чувствуем запах, хотя не видим, как частицы проникают в нос. Это диффузия: молекулы пахучего вещества беспорядочно движутся, перемешиваются с молекулами воздуха и долетают до нас. Значит, молекулы очень малы и движутся сами по себе.
Тепло и холод, звук. Их тоже нельзя увидеть, но они действуют на органы чувств. Тепловое состояние тела связано со скоростью движения его молекул, а звук — с колебаниями частиц среды. Поэтому Лукреций справедливо говорит о «телесной» природе этих явлений.
Сырое и сухое платье. Влага оседает на ткани и испаряется незаметно: молекулы воды приходят на ткань и покидают её поодиночке. Отдельные молекулы глазом не видны, виден лишь результат — платье стало влажным или сухим. Испарение происходит потому, что молекулы воды движутся и самые быстрые вылетают с поверхности.
Капля, точащая скалу, сошник, стёртая мостовая, бронзовые статуи. Вещество убывает потому, что от него отрываются мельчайшие частицы — молекулы и их группы. Каждый раз уходит ничтожная часть, поэтому заметить это можно лишь за очень большое время. Это подтверждает, что тела состоят из частиц, между которыми действуют силы притяжения: чтобы оторвать частицы, нужно приложить усилие или действовать очень долго.
Вывод: рассуждения Лукреция — догадка о том, что вещество дискретно (состоит из частиц), частицы невидимо малы и движутся. Позднее это было доказано опытами по диффузии, наблюдением броуновского движения и приборами, позволяющими увидеть отдельные атомы.
Проекты и исследования.
1. Создайте модель жидкостного термометра. Объясните принцип его действия.
Материалы: небольшая стеклянная или пластиковая бутылочка (объём 100–200 мл), прозрачная тонкая трубка или соломинка для коктейля, пластилин, вода, пищевой краситель (несколько капель), миска с горячей водой и миска со льдом.
Изготовление. Налейте в бутылочку подкрашенную воду почти доверху. Вставьте в горлышко трубку так, чтобы её нижний конец был погружён в воду, а горлышко вокруг трубки герметично залепите пластилином. Вода должна подняться в трубке на 2–3 см над пластилином. Рядом с трубкой закрепите полоску бумаги и нанесите на неё деления; для градуировки сравните положение уровня с показаниями настоящего термометра при нескольких температурах (в холодной воде, при комнатной температуре, в тёплой воде).
Опыт. Поместите бутылочку в горячую воду: уровень жидкости в трубке поднимется. Переставьте её в воду со льдом: уровень опустится.
Принцип действия. При нагревании молекулы жидкости движутся быстрее, расстояния между ними немного увеличиваются, и жидкость расширяется. Объём бутылочки почти не меняется, поэтому лишняя жидкость выдавливается в узкую трубку, и её столбик заметно растёт. При охлаждении молекулы сближаются, объём жидкости уменьшается и уровень падает. Чем уже трубка и больше резервуар, тем чувствительнее термометр. В настоящих термометрах используют ртуть или подкрашенный спирт, так как они равномерно расширяются и хорошо видны.
Вывод: высота столба жидкости в трубке служит мерой температуры, потому что объём жидкости зависит от скорости движения её молекул.
Оговорка: показания самодельного термометра приблизительные и зависят от размеров бутылочки и трубки; шкалу необходимо градуировать по эталонному термометру.
Изготовление. Налейте в бутылочку подкрашенную воду почти доверху. Вставьте в горлышко трубку так, чтобы её нижний конец был погружён в воду, а горлышко вокруг трубки герметично залепите пластилином. Вода должна подняться в трубке на 2–3 см над пластилином. Рядом с трубкой закрепите полоску бумаги и нанесите на неё деления; для градуировки сравните положение уровня с показаниями настоящего термометра при нескольких температурах (в холодной воде, при комнатной температуре, в тёплой воде).
Опыт. Поместите бутылочку в горячую воду: уровень жидкости в трубке поднимется. Переставьте её в воду со льдом: уровень опустится.
Принцип действия. При нагревании молекулы жидкости движутся быстрее, расстояния между ними немного увеличиваются, и жидкость расширяется. Объём бутылочки почти не меняется, поэтому лишняя жидкость выдавливается в узкую трубку, и её столбик заметно растёт. При охлаждении молекулы сближаются, объём жидкости уменьшается и уровень падает. Чем уже трубка и больше резервуар, тем чувствительнее термометр. В настоящих термометрах используют ртуть или подкрашенный спирт, так как они равномерно расширяются и хорошо видны.
Вывод: высота столба жидкости в трубке служит мерой температуры, потому что объём жидкости зависит от скорости движения её молекул.
Оговорка: показания самодельного термометра приблизительные и зависят от размеров бутылочки и трубки; шкалу необходимо градуировать по эталонному термометру.
Проекты и исследования.
2. «Объясняется диффузией» (возможная форма: презентация, демонстрация опытов, компьютерная анимация).
План презентации.
1. Что такое диффузия: самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого. Причина — непрерывное беспорядочное движение молекул.
2. Опыт 1. В стакан с холодной и в стакан с горячей водой одновременно опустите по кристаллику марганцовки или каплю чернил. Окраска в горячей воде распространяется быстрее: с повышением температуры скорость диффузии растёт.
3. Опыт 2. Откройте флакон духов или разрежьте дольку чеснока в углу комнаты: через некоторое время запах чувствуют в другом конце помещения — диффузия в газах (самая быстрая).
4. Опыт 3. Осторожно налейте под раствор медного купороса воду (или наоборот) в узкий сосуд: резкая граница размывается за несколько суток — диффузия в жидкостях.
5. Опыт 4. Гладко отшлифованные пластины свинца и золота, сжатые друг с другом, спустя годы срастаются; в месте контакта обнаруживают атомы одного металла в другом — диффузия в твёрдых телах (самая медленная).
Где диффузия встречается: запахи цветов и еды; растворение сахара и соли в чае; засолка огурцов, варенье; дыхание — кислород переходит из лёгких в кровь, углекислый газ — обратно; питание корней растений; поверхностное упрочнение стальных деталей насыщением углеродом; склеивание пластмасс сваркой; загрязнение воздуха и воды и его распространение.
Заключение. Диффузия служит наглядным доказательством того, что вещества состоят из частиц, что частицы движутся и что между ними есть промежутки. Для компьютерной анимации можно показать два вида частиц разного цвета, которые случайно перемещаются и постепенно перемешиваются; повышение «температуры» увеличивает скорость частиц и ускоряет перемешивание.
1. Что такое диффузия: самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого. Причина — непрерывное беспорядочное движение молекул.
2. Опыт 1. В стакан с холодной и в стакан с горячей водой одновременно опустите по кристаллику марганцовки или каплю чернил. Окраска в горячей воде распространяется быстрее: с повышением температуры скорость диффузии растёт.
3. Опыт 2. Откройте флакон духов или разрежьте дольку чеснока в углу комнаты: через некоторое время запах чувствуют в другом конце помещения — диффузия в газах (самая быстрая).
4. Опыт 3. Осторожно налейте под раствор медного купороса воду (или наоборот) в узкий сосуд: резкая граница размывается за несколько суток — диффузия в жидкостях.
5. Опыт 4. Гладко отшлифованные пластины свинца и золота, сжатые друг с другом, спустя годы срастаются; в месте контакта обнаруживают атомы одного металла в другом — диффузия в твёрдых телах (самая медленная).
Где диффузия встречается: запахи цветов и еды; растворение сахара и соли в чае; засолка огурцов, варенье; дыхание — кислород переходит из лёгких в кровь, углекислый газ — обратно; питание корней растений; поверхностное упрочнение стальных деталей насыщением углеродом; склеивание пластмасс сваркой; загрязнение воздуха и воды и его распространение.
Заключение. Диффузия служит наглядным доказательством того, что вещества состоят из частиц, что частицы движутся и что между ними есть промежутки. Для компьютерной анимации можно показать два вида частиц разного цвета, которые случайно перемещаются и постепенно перемешиваются; повышение «температуры» увеличивает скорость частиц и ускоряет перемешивание.
Проекты и исследования.
3. «Свойства воды в твёрдом и жидком состоянии» (возможная форма: презентация, демонстрация опытов).
План презентации.
1. Вода в природе: лёд, жидкая вода, пар — одно вещество, состоящее из одинаковых молекул H₂O в разных агрегатных состояниях.
2. Лёд (твёрдое состояние). Молекулы расположены упорядоченно, колеблются около определённых положений. Лёд сохраняет форму и объём. Плотность льда около 900 кг/м³, он легче воды и плавает: опыт — кусочек льда в стакане с водой, примерно 9/10 его объёма под водой.
3. Жидкая вода. Молекулы расположены плотно, но могут перескакивать с места на место. Вода сохраняет объём и принимает форму сосуда, текуча. Плотность 1000 кг/м³ при 4 °C.
4. Особенность воды: при замерзании объём увеличивается примерно на 9 %. Опыт: заполните водой пластиковую бутылку не доверху, закройте и заморозьте — бутылка деформируется. Следствие: трещины в горных породах, разрыв водопроводных труб, лёд всегда образуется сверху, и водоёмы не промерзают до дна, что спасает зимой рыб.
5. Переходы: плавление льда при 0 °C, кристаллизация воды при 0 °C. Опыт: снег или лёд в стакане с термометром, измерение температуры при таянии (она остаётся 0 °C, пока лёд не растает).
6. Сходства и различия: те же молекулы, одинаковый химический состав; различаются расположением и характером движения молекул, а значит, формой, сжимаемостью и плотностью.
Вывод: свойства воды в разных состояниях объясняются строением вещества — расположением, движением и взаимодействием молекул.
1. Вода в природе: лёд, жидкая вода, пар — одно вещество, состоящее из одинаковых молекул H₂O в разных агрегатных состояниях.
2. Лёд (твёрдое состояние). Молекулы расположены упорядоченно, колеблются около определённых положений. Лёд сохраняет форму и объём. Плотность льда около 900 кг/м³, он легче воды и плавает: опыт — кусочек льда в стакане с водой, примерно 9/10 его объёма под водой.
3. Жидкая вода. Молекулы расположены плотно, но могут перескакивать с места на место. Вода сохраняет объём и принимает форму сосуда, текуча. Плотность 1000 кг/м³ при 4 °C.
4. Особенность воды: при замерзании объём увеличивается примерно на 9 %. Опыт: заполните водой пластиковую бутылку не доверху, закройте и заморозьте — бутылка деформируется. Следствие: трещины в горных породах, разрыв водопроводных труб, лёд всегда образуется сверху, и водоёмы не промерзают до дна, что спасает зимой рыб.
5. Переходы: плавление льда при 0 °C, кристаллизация воды при 0 °C. Опыт: снег или лёд в стакане с термометром, измерение температуры при таянии (она остаётся 0 °C, пока лёд не растает).
6. Сходства и различия: те же молекулы, одинаковый химический состав; различаются расположением и характером движения молекул, а значит, формой, сжимаемостью и плотностью.
Вывод: свойства воды в разных состояниях объясняются строением вещества — расположением, движением и взаимодействием молекул.