Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы начинаем большую тему, которая называется "Строение вещества", а тема сегодняшней лекции - "Атомы и молекулы". И так...
Еще в древности люди задумывались о том из чего состоит все на свете. Например, древние люди думали о том, что существует основных 4 составных части из которых все состоит - это Земля, вода, воздух и огонь. И все на свете и, в том числе, мы состоим из этих частей.
Далее в IV - V веках до нашей эры древнегреческие ученые Левкипп и Демокрит пришли к другому выводу. Как они к нему пришли? Для того, что бы понять идею Левкиппа и Демокрита, что все на свете состоит не из Земли, воды и т.д. давайте вспомним старинную притчу. Что такое притча? Притча - это поучительная история. Так вот притча состоит в следующем:
"Встречаются учитель и ученик. И учитель спрашивает своего ученика: "ты видишь вот эту кадку?" и показывает ему глиняный сосуд. И продолжает: "я сейчас ее наполню три раза и при этом ни разу не буду ее опустошать". Как и положено, ученик не поверил своему учителю. Тогда учитель ему говорит: "не веришь - смотри". Берет эту кадку и набрасывает туда камней. Спрашивает своего ученика: "наполнилась кадка?". "Наполнилась" - отвечает ученик. "А теперь смотри, что будет дальше" - говорит учитель. Насыпает в кадку песок, при этом не вываливает из нее насыпанные ранее камни. Таким образом, кадка наполняется второй раз до верху песком...камни остались там. "Наполнилась кадка?" - опять спрашивает учитель. "Да, наполнилась" - отвечает ученик. "Смотри, кадка наполнится и в третий раз!"- говорит учитель. И что он при этом делает? Правильно! Он начинает в кадку заливать воду...
...и так почему учителю удалось трижды наполнить кадку ни разу ее не опорожняя? Как вы думаете? Первое: между камнями оставалось лишнее пространство. В это свободное пространство были засыпаны частички песка, но и между песчинками оставалось свободное пространство, которое заполнила вода. И стали думать, что может быть такое наполнение может происходит сколько угодно много раз? Может быть можно налить что-то такое в кадку, что будет попадать между частичками воды? Т.е уже здесь возникает идея о том, что все состоит из частиц. Камни - крупные частицы, песчинки - менее мелкие частички, а вода состоит из еще более мелких частичек не видимых человеческому глазу. Так может между частичками воды, тоже есть промежутки, в которые можно что-то залить?
И вот древние ученые Левкипп и Демокрит пришли к выводу, что нет. Т.е должны существовать самые мельчайшие частички, которые делить уже не возможно.Почему так должно быть? Представьте себе, что вещество абсолютно однородно и не состоит не из каких частиц, т.е не имеет внутренней структуры. Например, у вас есть два вещества. Одно размером с железнодорожный вагон, а другое размером с кусочек мела. Если при этом два куска однородны, то тогда не понятно чем эти куски отличаются? И эти идеи были изложены в поэтической форме древнеримским поэтом Титом Лукрецием Каром в I веке до нашей эры. Он написал поэму которая называлась "О природе вещей". Давайте приведем несколько фрагментов из этой поэмы в которой Лукреций излагает идей Левкиппа и Демокрита, труды, которых к сожалению не сохранились до наших дней.
"...и ничего не отторгнуть у них, не уменьшить природа не допускает уже семена для вещей сберегая. Если не будет затем ничего наименьшего, будет из бесконечных частей состоять и мельчайшее тело у половины всегда найдется своя половина и для деления нигде не окажется вовсе предела. Чем ты тогда отличишь наименьшую вещь от Вселенной?"
Чем же можно отличить наименьшую вещь от вселенной, если вещество можно беспредельно делить? Нет такого средства. Значит есть частицы, которые дальше делить не возможно. "Разрезать" их невозможно. Лукреций - эти частицы, которые невозможно разрезать называл первоначалом вещей. А древнегреческие ученые называли их атомы. Приставка "а" - означает "не", а "томос" - "делить" поэтому в переводе с древнегреческого неделимый.
Есть, например, такая технология, как томография. "Томос" - означает "делить", "резать". Томография - это медицинская технология, которая позволяет рассматривать срезы нашего организма. Такой еще пример, как "микротом", у биологов это устройство, которое позволяет получить тончайшие срезы биологических тканей. Если мы под микроскоп положим кусочек мяса, то ничего не сможем увидеть, а вот если сделать тончайший срез с помощью микротома, то получится тончайшая пленка элементы, которой уже можно рассмотреть под микроскопом.
Таким образом, атомы по мнению Левкиппа и Демокрита - это не делимые частицы, хотя, современная физика уже знает, что, конечно же, атомы состоят из более мелких частиц. Но при этом у вещества состоящего из каких-то мелких частей все равно эти частицы состоят из более мелких частиц (элементарных частиц они являются составными частями атомов. Немного позже мы познакомимся с внутренним строением атома).
Итак, атомы - это то из чего состоит наш мир по мнению древнегреческих ученых.
Кроме древнегреческих ученых вопросами строения вещества занимались так же ученые на востоке, например Иранский ученый Абу-Бекр имел следующие представления о строении вещества.
Стоит отметить, что взгляды Ар-Рази представляли собой более полную картину тогдашнего представления о строении вещества и являлись более близкими к современным представлениям о его строении. Другие восточные ученые, такие как Беруни и Авицена, полемизировали на тему делим атом или нет и так же высказывали свои взгляды.
Беруни в своих письмах высказывал Авицене, взгляды на то, что атом не может быть не делим, но и делиться он не может до бесконечности. Авицена же в своих ответах к Беруни писал следующее:
Т.е мы видим, что Авицена также поддерживал идеи Ар-Рази о том, что атом может делиться, но это деление не может быть бесконечным.
Но давайте вернемся к Демокриту и Лукрецию. Они утверждали, что размеры атома, как бы определяют пространственные масштабы мира. И это используется в наше время - в современных эталонах длины. Например, не тот который хранится в Париже с двумя метками одной сорока миллионной длины Парижского меридиана, а современный эталон, в котором "задатчиками" размеров используются именно атомы. Оказывается атомы в определенных условиях могут испускать волны, которые характеризуются определенными размерами. И что интересно уже у Лукреция мы можем прочитать, что "сортов" атомов не так уж и много. Сейчас мы знаем, что существует около сотни различных "сортов" атомов, чем они отличаются мы сейчас говорить не будем, но с другой стороны из этих атомов состоит множество веществ. Из нескольких сотен "сортов" атомов состоит несколько миллионов веществ. Почему из небольшого количества состоит огромное количество веществ? Потому что можно составлять различные комбинации атомов. Давайте прочитаем Лукреция:
"Часто имеет еще большое значение с какими и в положении каком войдут в сочетании те же первоначала, и как они двигаться будут взаимно. Те же начала собой образуют небо и Землю, Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных. Но и смешение их и движение их в разном различны. Даже и в наших стихах постоянно, как можешь заметить, множество слов состоит из множества букв однородных, но и стихи и слова, как ты непременно признаешь, разница между собой по смыслу и так же по звуку. Видишь как буквы сильны изменением одного лишь порядка. Что до первоначал, то они имеют еще большее средств для того, чтобы из них возникали различные вещи."
Т.е получается так, что у нас в алфавите букв не так уж много (в русском алфавите) 33 буквы, но из этих букв мы можем составлять десятки тысяч слов. Об этом говорит Лукреций.
Точно так же "сортов" атомов, которые мы будем называть химическими элементами не так уж много, но комбинируя эти сорта в различных комбинациях мы можем получать вещества с разными свойствами. И вот такие комбинации веществ носят название - молекул. Что же такое молекула? Молекула - это тоже мельчайшая частица вещества.
Мы можем взять каплю воды и дробить ее на более мелкие капли. Мельчайшие капельки воды - туман. Но в конце концов мы доберемся таким дроблением до представленной выше молекулы воды. Если мы ее разрушим, то получится уже кислород и водород. Т.е мы утратим воду. Другим примером может служить кусочек сахара, который если мы будем дробить до определенного размера не будет терять своих вкусовых свойств, т.е останется сладким и сохранить свои свойства, следовательно:
Молекула - это мельчайшая частица вещества имеющая наименьший размер, при котором сохраняются его химические свойства.
Это важнейшее определение необходимо выучить и запомнить. Слово "химическое" здесь важно, потому что у воды могут быть разные физические свойства. Одну и ту же воду мы знаем в трех различных состояниях: пар, жидкая вода и лед. У молекул пара, у молекул жидкости и у молекул льда у всех этих перечисленных молекул основа - это молекулы воды. У них одинаковые химические свойства: и то, и то, и то - все это вода, просто в разных агрегатных состояниях. Об агрегатных состояниях веществ мы будем говорить позже и очень подробно.
На рисунке мы видим стакан воды и чашку с чаем, молекулы воды в стакане ничем не отличаются молекул в чашке с чаем, просто в чашке с чаем молекулы воды смешиваются с молекулами чаинок. Можно привести другой пример, что молекулы воды испарившееся от арбузного сока ничем не отличаются от молекул морской воды и от молекул родниковой воды.
Например, молекула воды состоит из двух атомов кислорода и одного атома водорода - это можно изобразить, как это представлено на рисунке ниже в виде моделей молекул и не только для молекул воды, но и для молекул других веществ.
Что мы видим в данных моделях и о чем говорит их строение? Например мы видим, что молекула озона состоит из трех одинаковых атомов кислорода. Молекула воды, как мы говорили уже выше, состоит из одной молекулы кислорода и двух молекул водорода, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода и т.д. Как обозначаются молекулы и отдельные атомы подробно разбирается в школьном курсе по общей химии.
Каковы же доказательства того, что все вещества состоят из мельчайших частиц будь то атомы или молекулы? Таких доказательств можно привести несколько и вот, например, одно из них. Конечно, трудно доказать эти доказательства очень убедительными, но во всяком случае они не противоречат тому, что мы представляем о строении вещества, что все вещества состоят из атомов и молекул. Мы будем говорить, что эти доказательства не строгие, так как даже в начале XX века находились такие ученые, которые не верили в то, что вещества состоят из атомов. Давайте наглядно продемонстрируем в опыте в видеоролике ниже, что между молекулами веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, различные расстояния.
Итак мы с вами выяснили, что можно изменять расстояния между молекулами твердого тела, жидкости и газов. Легче всего меняются расстояния между молекулами газа, труднее между молекулами жидкости и еще труднее, как оказывается, меняется расстояние между молекулами твердого тела, но это делать можно.
Кстати, если газы нагревать, то они тоже расширяются, причем очень даже сильно. Эти все явления мы пока с вами видим на качественном уровне, без вычислений. Но в дальнейшем мы научимся вычислять как расширяются тела: твердые, жидкие и газообразные. Но для этого сначала надо будет подробнее поговорить о том какова их внутренняя структура.
Первый вопрос который приходит в голову, а почему же этих молекул или атомов не видно? Ответом является то, что они находятся в микромире т.е их размеры очень маленькие и опять таки не сегодня к этому выводу пришли ученые. Давайте опять приведем цитату из сочинений Лукреция. Лукреций так описывает причину по которой мы не можем видеть атомы и молекулы:
"...ибо лежит за пределами нашего чувства вся природа начал (это значит не в макромире, ну а как правильно было сказано выше в микромире. прим. автора), поэтому раз не доступны нашему зрению они, то от нас и движения их скрыты, даже и то, что мы способны увидеть скрывает часто движения свои на далеком от нас расстоянии. Часто по склону холма густарунные овцы пасутся медленно идя туда, куда их на пастбище тучном свежая манит трава сверкая алмазной росою. Сытые прыгают там и резвятся бодаясь ягнята - все это издали нам представляется слившимся вместе будто бы белым пятном неподвижным на склоне."
Атомы и молекулы настолько мелкие, что мы их не можем видеть. Точно так же как мы не можем видеть, как пишет Лукреций, отдельных овец в стаде, которое находится от нас далеко. Давайте приведем наглядный пример о размере и количестве молекул.
Размеры молекул определить можно и что самое интересное, увидеть их удалось только сравнительно недавно. Через обычный микроскоп, например такой как у биологов, сделать этого нельзя, но позже был изобретен так называемый электронный микроскоп. В электронный микроскоп удалось увидеть самые крупные молекулы.
Но немного позже в 80-е годы ученые Бинниг и Рорер изобрели микроскоп, который называется растровый туннельный микроскоп. Принцип его действия мы сейчас описывать не будем, но это устройство позволяет увидеть отдельные атомы, даже если это вещество, атомы которого сравнительно малы. Если в электронный микроскоп можно увидеть только самые крупные молекулы, в растровый туннельный микроскоп, за изобретение которого Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию, можно увидеть отдельные атомы. Вы наверное думаете, что это длинная труба в которую необходимо смотреть, поэтому приведем на картинке ниже как выглядит растровый туннельный микроскоп.
Растровый туннельный микроскоп - это установка в которой создается высокий вакуум, который позволяет перемещать иглу на конце которой один единственный атом с точностью порядка атомных размеров. Технологически это очень сложно. Игла растрового туннельного микроскопа выглядит, как это приведено на картинке ниже.
На изображении представлена игла, сделанная из вольфрама, у которой очень тонкий кончик. На кончике этой иглы всего один атом. Но как оказывается, сделать такую иглу не так уж сложно. Эта игла скользит по поверхности образца и управляется специальными устройствами с огромной точностью. При этом между кончиком иглы и поверхностью образца создается электрический ток, величина которого сильно зависит от расстояния между кончиками иглы и поверхностью вещества, которое вы изучаете. Полученные данные обрабатываются с помощью компьютера и на его мониторе мы можем видеть изображение отдельных атомов.
И на мониторе компьютера выводится изображение поверхности исследуемого вещества, состоящего из отдельных атомов, представленное на изображении ниже.
А теперь давайте приведем еще одну картинку атомов поверхности изучаемого материала, но на изображении которого указан масштаб.
На данном изображении указан масштаб 1 нм, в размер которого укладывается порядка десятка атомов, т.е размеры атомов доли нанометра. Приведем еще одно изображение поверхности вещества, состоящую из атомов, но уже с другим масштабом
Обратите внимание, что отдельные атомы располагаются стройными рядами. Немного позже мы разберемся почему так получается. Эти ряды образую так называемую кристаллическую решетку. Пока лишь отметим, что кристаллическая решетка существует только у твердых тел.
Итак, характерные размеры атомов, как вы видите, полученные непосредственно на растровом туннельном микроскопе лежат в пределах 10^-10 - 10^-9 метра (от десять в минус десятой - до десять в минус девятой степени метра). Т.е размеры атомов - это нанометры и доли нанометров. Самый маленький атом - это атома гелия. Его диаметр - 0,032 нм, а радиус соответственно в два раза меньше. Размер атома водорода равен 0,2 нм, а размер молекулы белка составляет 0,23 нм. Таким образом, атомы и молекулы бывают разных размеров.
Но и без участия микроскопов люди научились экспериментально оценочно определять размеры одной молекулы. Как это сделали? Давайте наглядно на это посмотрим на картинке ниже.
В чашку с водой капнули одну каплю масла, объем которой заранее был измерен и составлял 1 кубический миллиметр. Капля на поверхности воды разошлась маленьким и тонким слоем покрыв всю поверхность воды и образовав при этом круг. С помощью уже хорошо нам знакомого штангенциркуля измерили диаметр капли на поверхности воды и нашли площадь поверхности растекшейся капли. Она оказалась равна 3 метра квадратных. Далее предположили, что пленка образовавшаяся на поверхности воды - это есть монетка. Чтобы найти объем такой "монетки" необходимо площадь занимаемую каплей умножить на высоту или ширину представляемой "монетки". Теперь возвращаемся к нашей пленке. Эта пленка настолько тонка, что мы здесь можем найти диаметр одной молекулы. И воспользовавшись формулой определения объема "монетки" мы из нее можем выразить диаметр одной молекулы, которая будет равна отношению объема капли к площади ее растекания. И таким образом, можно получить оценочный размер диаметра одной молекулы.
Давайте ниже приведем подобную задачу на определение диаметра молекулы растекшейся по поверхности пленки.
И давайте приведем вторую задачу, которая будет связывать между собой тему определения диаметра молекулы и разрешения полученного изображения электронным микроскопом.
Начало этой лекции мы начали притчей о наполнении катки камнями, песком и водой, давайте немного вернемся опять к началу этой лекции...Оказывается можно обойтись не камнями и песком, а вместо них "взять" молекулы разных размеров. Существует такой опыт: если взять 100 мл воды и 100 мл спирта и слить их в одну посуду, то на первый взгляд должно получится 200 мл смеси, но если провести такой опыт, то оказывается, что объем смеси будет меньше, чем 200 мл. Почему? Потому что молекулы спирта растворяются в молекулах воды. А что это значит? Это значит что молекулы спирта проникают между молекулами воды. А как вы думаете какие молекулы крупнее? Молекулы спирта или молекулы воды? Для того, что бы это понять приведем химические формулы спирта и воды
Из формулы видно, что молекула спирта "крупнее" по размерам, чем молекула воды. Таким образом, правильнее говорит о том, что молекулы воды проникают в промежутки между молекулами спирта, потому что они крупнее. Можно говорить, что вода растворяется в спирте, а не спирт растворяется в воде. И чтобы лучше понять, что происходит мы можем рассмотреть более повседневный пример. Давайте возьмем ведро картошки и ведро яблок. Если их смешать, то получится два ведра их смеси. Почему? Потому что картофелины и яблоки примерно одного размера. А вот если взять ведро картошки и ведро гороха и смешать их, то горох пройдет в промежутки между картофелинами и получится меньше, чем два ведра смеси. Точно так же и в примере с водой и спиртом. Молекулы воды - это горох, а молекулы спирта - это картофель. И при их смешении молекулы воды проникая в промежутки между молекулами спирта получается объем меньший, чем изначально смешанные 2 мл обеих жидкостей.
В современном представлении о строении мира самыми мельчайшими частичками атомы, конечно же, не являются и атомы делимы. Современная физика уже точно знает, что атомы делятся на ядро и электроны, ядра атомов в свою очередь делятся на протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны делятся на кварки, но подробнее об этом мы будем говорить далее, а, например, такие частички как кварки изучаются только в высшей школе в рамках дисциплины "физика элементарных частиц". А сейчас давайте приведем наглядную схему отражающую современное представление о строении вещества.
На схеме отражено тело, состоящее из молекул, молекулы, в свою очередь состоящие из атомов, атомы состоящие из ядра и вращающихся вокруг них электронов, ядро состоящее из нейтронов и протонов и протоны с нейтронами состоящие из кварков. Если представить данную схему на иерархическом уровне, то получится такая схема, как представлена ниже.
Давайте подведем итог лекции. На этой лекции мы с вами выяснили, что существует предел деления вещества на части и не мы это первые придумали - это придумали еще древние греки Левкипп и Демокрит. Оказывается, что количество разных атомов относительно не велико - порядка нескольких сотен, но из различных комбинации этих атомов мы можем получить огромное количество разных молекул. Молекула состоит из атомов и молекула - это мельчайшая частица, которая сохраняет его химические свойства. Молекулы очень маленькие, мы их не видим, непосредственно невооруженным глазом, но с помощью современной аппаратуры можно увидеть не только молекулы, но и отдельные атомы. Оказывается, что молекулы не просто есть они еще и находятся в непрерывном движении. Мы не акцентировали на этом внимания, читая Лукреция, но на следующей лекции мы с вами рассмотрим явления, которые объясняются именно движением молекул. И в конце лекции мы узнали о современном представлении физики о строении вещества, а также научились определять экспериментально размеры молекул и закрепили это решением задач.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, то пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.