В прошлой статье мы узнали, что атомы практически пусты, но на этом удивительный мир атомов не заканчивается. Как вам, например, такое заявление: никакие предметы не имеют чётких границ, так как молекулы этих предметов находятся в постоянном движении?
Давайте сразу сделаем отступление и разберём что такое молекула по отношению к атомам и веществу в целом. Например, если вы делите кусок того или иного вещества, например сахара, надвое, каждая его часть всё еще будет сахаром. Если вы продолжаете делить сахар на меньшие и меньшие части, каждый фрагмент — всё еще сахар. Даже если было бы возможно делить сахар так точно, чтобы разделить его на отдельные молекулы (миллиарды триллионов молекул), каждая молекула оставалась бы сахаром. Молекула, однако, — наименьшая частица, которая может сохранить характеристики вещества, которое она составляет. Если бы вы должны были разделить молекулу сахара надвое, вы остались бы с двумя группами атомов, каждая из которых представляет собой половину размера первоначальной молекулы. Ни одна из новых групп, однако, уже не была бы сахаром.
Это то же самое, как если бы вы взяли класс из 16 учеников и разделили бы его на два. Вы тогда бы имели два класса по 8 учеников в каждом. Вы могли продолжить и сделать 4 класса по 4 ученика в каждом, 8 классов по 2 ученика в каждом или даже 16 классов по 1 ученику. Но на этом вы должны были бы остановиться. Если бы вы попробовали продолжить этот увлекательный процесс и сформировать 32 класса по половине ученика в каждом, вы остались бы без классов вообще, без каких-либо учеников, но зато с серьезными неприятностями с полицией.
Молекула – это то, из чего состоит вещество. В состав молекул могут входить два и более атомов, которые между собой связаны межатомными связями. Более точно можно сказать так, что молекула состоит из атомных ядер и внутренних электронов, которые движутся по своим орбитам, а также внешних валентных электронов. В разных молекулах находится разное количество атомов определенного вида и разного количества. Молекула имеет сложную архитектурную постройку, где у каждого атома своё место и свои вполне определённые соседи. Свойства молекулы определяется тем, сколько в ней атомов. На эти свойства влияет порядок и конфигурация соединения атомов. Атомная постройка, которая образует молекулу, может быть жёсткой, но не во всех случаях. Каждый атом находится в непрерывном движении, он колеблется около своего положения равновесия. Сами молекулы тоже находятся в постоянном движении, но оно различается в зависимости от агрегатного состояние вещества – газ, жидкость, твёрдое тело. Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества (например молекулы воды могут быть в жидком состоянии, в состоянии газа (пар) или в состоянии льда) ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия. Молекулы одного вещества не только движутся в пределах своего объёма, но могут взаимодействовать и перемешиваться с молекулами другого – этот процесс называется диффузией.
Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Диффузия молекул в общем случае протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.
Молекулы находятся в постоянном движении, это движение вызвано теплом. Чем больше температура объекта – тем быстрее движение его молекул. В горячих газах это движение очень интенсивно, молекулы находятся далеко друг от друга, движутся во все стороны в хаотичном порядке, сталкиваются друг с другом и вновь расходятся в разные стороны. В жидкости или в твёрдом веществе движение гораздо медленней, но оно есть даже в куске льда. В жидкостях молекулы находятся гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и удерживаются особыми силами взаимодействия, поэтому у жидкостей есть объём – мы можем набрать полбутылки воды, но не можем набрать полбутылки воздуха.
Молекулы твёрдых тел расположены в пространстве в определённом порядке, и не могут перемещаться по всему объёму тела, но всё же находятся в постоянном движении или колебании.
Если молекулы в веществе постоянно сталкиваются друг с другом и выталкивают друг друга в разные стороны во всех направлениях, то почему мы не видим результатов этого движения? Почему, например, мы не видим, чтобы кусок железа изменялся из-за этого движения? Почему он кажется таким твёрдым? Причина этого в том, что в твёрдых телах молекулы удерживаются на своих местах силами притяжения между молекулами. Поэтому твёрдое тело, в отличие от жидкостей и газов, имеет определённую форму. Если атомы или молекулы в теле движутся медленно, тело кажется нам холодным; если быстро - горячим. Температура тела определяется энергией движения его молекул. Эту энергию мы называем теплотой.
Нагревая тело, мы увеличиваем скорость и энергию движения составляющих его частиц, а, следовательно, повышаем его температуру. Молекулы в куске железа, помещённом в печь, колеблются всё быстрее и быстрее. Размах их колебаний становится всё больше и больше. Наконец, энергия молекул становится так велика, что силы взаимодействия уже не в состоянии удержать их на прежних местах. Молекулы уходят со своих мест, порядок нарушается, железо плавится и становится жидким.
Любопытно:
На большой высоте над уровнем моря, где атмосфера очень разрежена, молекулы воздуха за секунду могут перемещаться на огромные расстояния, не сталкиваясь друг с другом. У поверхности Земли наблюдается иная картина: за 1 секунду каждая молекула сталкивается с другими молекулами в среднем около 800 млн. раз. Она описывает в высшей степени изломанную траекторию, и при условии отсутствия воздушных потоков, с большой вероятностью оказывается на расстоянии всего 1-2 см от того места, где находилась в начале этой секунды.
Солнечные лучи, нагревая нашу кожу, заставляют её молекулы колебаться быстрее – мы ощущаем это как тепло.
Если положить горячий кирпич на холодный – то колебания молекул горячего кирпича передадутся холодному, соответственно второй будет нагреваться. Во всех случаях, когда тепло передаётся от одного тела к другому, движение молекул первого замедляется, а второго ускоряется, а энергия частиц второго тела увеличивается ровно на столько, насколько уменьшилась энергия частиц первого.
Поскольку теплота вызвана движением молекул, можно повышать температуру тела не за счёт подвода тепла, а например, с помощью трения: молекулы трущихся поверхностей соударяются друг с другом и температура поверхностей повышается.
Молекулы всех веществ и объектов находятся в постоянном движении, чтобы этого движения не было объект нужно охладить до температуры абсолютного нуля (-273,15 °C). Таким образом, всё, что вас окружает (да и ваше тело тоже) на молекулярном уровне постоянно колеблется, соответственно если мы захотим узнать размер какого-либо объекта с максимальной точностью, то сделать это не получится, так как крайние молекулы будут находиться в постоянном движении. Ни у чего нет абсолютно чётких границ как таковых.
