1. Какие наблюдения и опыты подтверждают, что молекулы взаимодействуют друг с другом?
Молекулы взаимодействуют друг с другом, что подтверждается множеством экспериментов. Например, в опыте с диффузией молекулы одного газа могут проникать через другой, что указывает на их взаимодействие на молекулярном уровне. Также опыт с броуновским движением, который показал случайные колебания микроскопических частиц в жидкости, подтверждает, что молекулы жидкости постоянно сталкиваются и взаимодействуют между собой. Наблюдения за поверхностным натяжением также подтверждают межмолекулярные силы — молекулы на поверхности жидкости "стягиваются" друг к другу, что делает поверхность менее подверженной внешним воздействиям.
2. На каких расстояниях между молекулами проявляются силы притяжения, а на каких — силы отталкивания?
На больших расстояниях между молекулами, когда они ещё не очень близки, проявляются силы притяжения, которые действуют, например, в межмолекулярных силах в газах и жидкостях. Однако, при уменьшении расстояния молекулы начинают отталкиваться друг от друга, особенно когда они слишком близки, что связано с репульсивными силами, возникающими из-за взаимного отталкивания электронных облаков молекул. Это явление можно наблюдать в упругих столкновениях молекул, когда молекулы отталкиваются друг от друга на очень маленьких расстояниях.
3. Объясните, почему газы принимают форму и объём сосуда, в котором они находятся. Почему жидкости принимают форму сосуда, но имеют собственный объём? Почему твёрдые тела имеют собственную форму?
Газы принимают форму и объём сосуда, потому что молекулы газа находятся в хаотичном движении и занимают весь доступный объём. Они не имеют фиксированной формы, так как силы притяжения между молекулами газа слишком слабы, чтобы удерживать молекулы на месте. В случае жидкостей молекулы связаны между собой более сильными силами, чем в газах, что позволяет жидкости принимать форму сосуда, но объём сохраняется, так как молекулы не могут свободно рассеиваться, как в газах. Твёрдые тела имеют собственную форму, потому что молекулы в них расположены в упорядоченном виде, в решётке, где молекулы тесно связаны друг с другом и не могут свободно двигаться, что придаёт телу твёрдость и форму.
Упражнение 17
1. В чём сходство явлений спаивания и склеивания деталей?
Оба процесса включают соединение двух или более частей с помощью внешнего вещества. При спаивании используются вещества, которые плавятся при высокой температуре, и частицы материала соединяются благодаря этому. Склеивание же происходит за счёт использования клеящих веществ, которые при отвердевании образуют прочную связь между частями. В обоих случаях результатом является создание единой, связанной структуры, но механизм соединения различается: при спаивании задействовано плавление, а при склеивании — адгезия.
2. Почему не соединяются осколки разбитой тарелки, если их сложить и прижать друг к другу? Почему при склеивании их соединение будет достаточно прочным?
Осколки тарелки не соединяются при обычном прижиме, потому что их поверхности неровные, с микроскопическими зазорами и загрязнениями, что мешает их взаимодействию. При склеивании используются специальные клеи, которые заполняют эти зазоры и обеспечивают более плотное и прочное соединение. Клей, при затвердевании, соединяет молекулы осколков на молекулярном уровне, что делает склеивание прочным.
3. Как объяснить хорошую сжимаемость газов и плохую — жидкостей и твёрдых тел?
Газ имеет много свободного пространства между молекулами, поэтому при приложении внешнего давления молекулы могут перемещаться ближе друг к другу, что и приводит к сжатию. В жидкостях молекулы уже расположены достаточно близко, поэтому их сжатие требует гораздо больше усилий. В твёрдых телах молекулы вообще находятся в фиксированных положениях, и любые изменения расстояний между ними требуют значительных усилий, что делает сжатие практически невозможным.
4. Объясните явления смачивания и несмачивания жидкостью поверхности твёрдого тела.
Смачиваемость поверхности зависит от взаимодействия молекул жидкости и твёрдого тела. Если сила адгезии (взаимодействие между молекулами жидкости и твёрдого тела) больше, чем сила когезии (взаимодействие между молекулами жидкости), то жидкость будет смачивать поверхность. Например, вода хорошо смачивает стекло, потому что сила взаимодействия между молекулами воды и молекулами стекла велика. В случае несмачивания, как, например, с водоотталкивающими покрытиями, сила когезии жидкости превышает её адгезию к поверхности.
Вопросы для дискуссии
1. Какие повседневные наблюдения свидетельствуют о том, что кажущееся непрерывным состоит из отдельного, дискретного, а какие — не подтверждают это?
Примером дискретности можно считать явления, такие как звуковые и световые волны, которые на самом деле состоят из квантов (фотонов). Однако явления вроде света, когда мы его воспринимаем как непрерывный поток, не всегда подтверждают это. В то же время, эксперименты, такие как фотоэлектрический эффект, подтверждают идею квантования энергии.
2. Что вы считаете естественным в идеях молекулярно-кинетической теории строения вещества, а что кажется странным и маловероятным? Обоснуйте свою точку зрения.
Естественными кажутся идеи о том, что вещества состоят из молекул, которые находятся в постоянном движении и взаимодействуют друг с другом. Однако представление о том, что молекулы газа имеют настолько высокие скорости, что их движение можно описать случайным образом, может казаться странным. Это противоречит интуитивному восприятию мира.
3. Как связано агрегатное состояние вещества с соотношением между средней кинетической энергией движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия?
В твёрдых телах молекулы расположены в решётке, где их потенциальная энергия взаимодействия велика, а кинетическая энергия молекул относительно мала. В жидкостях молекулы находятся ближе друг к другу, их потенциальная энергия меньше, а кинетическая энергия возрастает. В газах молекулы двигаются свободно, их кинетическая энергия значительно больше потенциальной, что и объясняет разницу в агрегатных состояниях.
4. Покажите на примерах, что принцип минимума потенциальной энергии является общенаучным принципом.
Принцип минимума потенциальной энергии проявляется в различных областях. Например, в механике, когда объект падает, он стремится принять положение с минимальной потенциальной энергией. Также в химии, когда молекулы или атомы соединяются, они формируют связи, которые минимизируют общую потенциальную энергию системы.