Строение вещества. Молекулы. Молекулы и атомы"

Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов.

Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.

Догадка Демокрита была надолго забыта. Однако, его взгляды на строение вещества дошли до нас благодаря римскому поэту Лукрецию Кару: "... все вещи, как мы замечаем, становятся меньше, И как бы тают они в течение долгого века..."

Атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и с помощью даже самого мощного оптического микроскопа.
Глаз человека не способен разглядеть атомы и промежутки между ними, поэтому любое вещество кажется нам сплошным.

В 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга. Различия атомов элементов можно определить по периодической таблице Менделеева.

Молекулы

Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая.

Молекулы состоят из атомов.

Размеры молекул ничтожно малы.

Как увидеть молекулу? - с помощью электронного микроскопа.

Как добыть молекулу из вещества? - механическим дроблением вещества.

Каждому веществу соответствует определеенный вид молекул. У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). Молекулы различных веществ могут иметь форму треугольника, пирамиды и других геометрических фигур, а также быть линейными.

Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы.

Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, т.е. расширение и сжатие вещества при изменении температуры, и явление диффузии. Молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом движении.

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Если бы размер молекулы увеличить до размера точки в конце предложения в книге, то толщина человеческого волоса стала бы равна 40м, а человек, стоя на поверхности Земли, упирался бы головою в Луну!

Если из детского резинового шарика, надутого и наполненного водородом (массой 3г), каждую секунду выпускать по 1 миллиону молекул, то понадобится 30 миллиардов лет!

Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то все, что останется, сможет пролезть через игольное ушко.

1. Рука золотой статуи в древнегреческом храме, которую целовали прихожане, за десятки лет заметно похудела. Почему?

Молекулы состоят из атомов. Атомы связаны в молекулы силами, которые называют химическими силами.

Существуют молекулы, состоящие из двух, трех, четырех атомов. Крупнейшие молекулы - молекулы белков - состоят из десятков и даже сотен тысяч атомов.

Царство молекул исключительно разнообразно. Уже сейчас химики выделили из природных веществ и создали в лабораториях миллионы веществ, построенных из различных молекул.

Свойства молекул определяются не только тем, сколько атомов того или иного сорта участвует в их постройке, но и тем, в каком порядке и в какой конфигурации они соединены. Молекула - это не груда кирпичей, а сложная архитектурная постройка, где каждый кирпич имеет свое место и своих вполне определенных соседей. Атомная постройка, образующая молекулу, может быть в большей или меньшей степени жесткой. Во всяком случае, каждый из атомов совершает колебания около своего положения равновесия. В некоторых же случаях одни части молекулы могут вращаться по отношению к другим частям, придавая свободной молекуле в процессе ее теплового движения различные и самые причудливые конфигурации.

Разберем подробнее взаимодействие атомов. На рис. 2.1 изображена кривая потенциальной энергии двухатомной молекулы. Она имеет характерный вид- сначала идет вниз, затем загибается, образуя "яму", и потом более медленно приближается к горизонтальной оси, по которой отложено расстояние между атомами.

Рис. 2.1

Мы знаем, что устойчиво состояние, в котором потенциальная энергия имеет наименьшее значение. Когда атом входит в состав молекулы, он "сидит" в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия.

Расстояние от вертикальной оси до дна ямы можно назвать равновесным. На этом расстоянии расположились бы атомы, если бы прекратилось тепловое движение.

Кривая потенциальной энергии рассказывает о всех деталях взаимодействия между атомами. Притягиваются или отталкиваются частицы на том или ином расстоянии, возрастает или убывает сила взаимодействия при отдалении или сближении частиц - все эти сведения можно получить из анализа кривой потенциальной энергии. Точки левее "дна" соответствуют отталкиванию. Напротив, участки кривой правее дна ямы характеризуют притяжение. Важные сведения сообщает и крутизна кривой: чем круче идет кривая, тем больше сила.

Находясь на больших расстояниях, атомы притягиваются один к другому; эта сила весьма быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. При сближении сила притяжения возрастает и достигает наибольшего значения уже тогда, когда атомы подойдут один к другому очень близко. При еще большем сближении притяжение ослабевает и, наконец, на равновесном расстоянии сила взаимодействия обращается в нуль. При сближении атомов на расстояние, меньшее равновесного, возникают силы отталкивания, которые очень резко нарастают и быстро делают практически невозможным дальнейшее уменьшение расстояния между атомами.

Равновесные расстояния (ниже мы будем говорить короче - расстояния) между атомами различны для разных сортов атомов.

Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикальной оси до дна ямы, но и глубина ям.

Глубина ямы имеет простой смысл: чтобы выкатиться из ямы, нужна энергия, как раз равная глубине. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц.

Расстояния между атомами молекул столь малы, что для их измерения надо выбрать подходящие единицы, иначе пришлось бы выражать их значения, например, в таком виде: 0,000000012 см. Это цифра для молекулы кислорода.

Единицы, особенно удобные для описания атомного мира, называются ангстремами (правда, фамилия шведского ученого, именем которого названы эти единицы, правильно читается Онгстрем; для напоминания об этом над буквой А ставят кружок):

т. е. одной стомиллионной доле сантиметра.

Расстояния между атомами молекул лежат в пределах от 1 до 4A. Написанное выше равновесное расстояние для кислорода равно 1,2 A.

Межатомные расстояния, как вы видите, очень малы. Если опоясать земной шар веревкой у экватора, то длина "пояса" во столько же раз будет больше ширины вашей ладони, во сколько раз ширина ладони больше расстояния между атомами молекулы.

Для измерения энергии связи пользуются обычно калориями, но относят их не к одной молекуле, что дало бы, разумеется, ничтожную цифру, а к одному молю, т.е. к N A молекулам.

Ясно, что энергия связи на один моль, если ее поделить на число Авогадро N A =6,023*10 23 моль -1 , даст энергию связи одной молекулы.

Энергия связи атомов в молекуле, как и межатомные расстояния, колеблется в незначительных пределах.

Для того же кислорода энергия связи равна 116 000 кал / моль, для водорода 103 000 кал / моль и т. д.

Мы уже говорили, что атомы в молекулах располагаются вполне определенным образом одни по отношению к другим, образуя в сложных случаях весьма замысловатые постройки.

Приведем несколько простых примеров.

Рис. 2.2

В молекуле С0 2 (углекислый газ) все три атома расположены в ряд - атом углерода посередине. Молекула воды Н 2 0 имеет уголковую форму, вершиной угла (он равен 105°) является атом кислорода.

В молекуле аммиака NH 3 атом азота находится в вершине трехгранной пирамиды; в молекуле метана СН 4 атом углерода находится в центре четырехгранной фигуры с равными сторонами, которая называется тетраэдром.

Рис. 2.3

Атомы углерода бензола С 6 Н 6 образуют правильный шестиугольник. Связи атомов углерода с водородом идут от всех вершин шестиугольника. Все атомы расположены в одной плоскости.

Схемы расположения центров атомов этих молекул показаны на рис. 2.2 и 2.3. Линии символизируют связи.

Прошла химическая реакция; были молекулы одного сорта, образовались другие. Одни связи порваны, другие созданы вновь. Для разрыва связей между атомами - вспомните рисунок - нужно затратить такую же работу, как при выкатывании шара из ямы. Напротив, при образовании новых связей энергия выделяется - шар скатывается в яму.

Что больше, работа разрыва или работа созидания? В природе мы сталкиваемся с реакциями обоих типов.

Излишек энергии называется тепловым эффектом или иначе - теплотой превращения (реакции). Тепловые эффекты реакций - это большей частью величины порядка десятков тысяч калорий при расчете на моль. Очень часто тепловой эффект включают в качестве слагаемого в формулу реакции.

Например, реакция сгорания углерода (в виде графита), т. е. соединения его с кислородом, пишется так:

Это значит, что при соединении углерода с кислородом выделяется энергия 94 250 калорий. Сумма внутренних энергий моля углерода и моля кислорода в графите равняется внутренней энергии моля углекислого газа плюс 94 250 калорий.

Таким образом, подобные записи имеют ясный смысл алгебраических равенств, записанных для величин внутренней энергии.

С помощью таких уравнений можно найти тепловые эффекты превращений, для которых не годятся по тем или иным причинам прямые способы измерения. Вот пример: если бы углерод (графит) соединить с водородом, то образовался бы газ ацетилен:

Реакция не идет таким путем. Тем не менее можно найти ее тепловой эффект. Запишем три известные реакции -

окисление углерода:

окисление водорода:

окисление ацетилена:

Все эти равенства можно рассматривать как уравнения для энергий связи молекул. Если так, то ими можно оперировать как алгебраическими равенствами. Вычитая из нижнего два верхних, получим

Значит, интересующее нас превращение сопровождается поглощением 56 000 калорий на один моль.

До того как исследователи получили детальное представление о структуре вещества, такого различия не делалось. Молекула есть молекула, т. е. мельчайший представитель вещества. Казалось бы, этим все сказано. Однако дело обстоит не так.

Те молекулы, о которых мы сейчас рассказали, являются молекулами в обоих смыслах слова. Молекулы углекислого газа, аммиака, бензола, о которых мы говорили, и молекулы практически всех органических веществ (о которых мы не говорили) состоят из атомов, которые сильно связаны друг с другом. При растворении, плавлении, испарении эти связи не разрываются. Молекула продолжает себя вести как отдельная частичка, как маленькое физическое тело при любых физических воздействиях и изменениях состояния.

Но так обстоит дело далеко не всегда. Для большинства неорганических веществ о молекуле можно говорить лишь в химическом смысле этого слова. А вот мельчайшей частички таких общеизвестных неорганических веществ, как поваренная соль или кальцит, или сода, не существует. Мы не находим отдельных частичек в кристаллах (об этом будет рассказано через несколько страниц); при растворении молекулы распадаются на части.

Сахар - органическое вещество. Поэтому в воде сладкого чая "плавают" молекулы сахара. А вот в соленой воде никаких молекул поваренной соли (хлористого натрия) мы не найдем. Эти "молекулы" (приходится ставить кавычки) существуют в воде в виде атомов (а точнее, ионов - электрически заряженных атомов,- о них речь впереди).

Так же точно и в парах, и в расплавах части молекул живут самостоятельной жизнью.

Когда речь идет о силах, связывающих атомы в физическую молекулу, то такие силы называют валентными. Межмолекулярные силы являются невалентными. Однако тип кривой взаимодействия, который был показан на рис. 2.1, одинаков в обоих случаях. Различие лишь в глубине ямы. В случае валентных сил яма в сотни раз глубже.

Молекулы взаимно притягиваются, в этом невозможно сомневаться. Если бы в какое-то мгновение они перестали притягиваться друг к другу, все жидкие и твердые тела распались бы на молекулы.

Молекулы взаимно отталкиваются, и это несомненно, так как иначе жидкости и твердые тела сжимались бы с необыкновенной легкостью.

Между молекулами действуют силы, во многом похожие на силы между атомами, о которых говорилось выше. Кривая потенциальной энергии, которую мы только что рисовали для атомов, правильно передает основные черты взаимодействия молекул. Однако между этими взаимодействиями имеются и существенные различия.

Сравним, например, равновесное расстояние между атомами кислорода, образующими молекулу, и атомами кислорода двух соседних молекул, притянувшихся в затвердевшем кислороде до равновесного положения. Различие будет очень заметным: атомы кислорода, образующие молекулу, устанавливаются на расстоянии 1,2 A, атомы кислорода разных молекул подходят друг к другу на 2,9 A.

Подобные результаты получаются и для других атомов. Атомы чужих молекул устанавливаются дальше один от другого, чем атомы одной молекулы. Поэтому молекулы легче оторвать одну от другой, чем атомы от молекулы, причем различия в энергиях много больше разницы в расстояниях. Если энергия, необходимая для разрыва связи между атомами кислорода, образующими молекулу, составляет около 100 ккал / моль, то энергия на растаскивание молекул кислорода меньше 2 ккал / моль.

Значит, на кривой потенциальной энергии молекул "яма" лежит дальше от вертикальной оси и, кроме того, "яма" гораздо менее глубока.

Однако этим не исчерпывается различие взаимодействия атомов, образующих молекулу, и взаимодействия молекул.

Химики показали, что атомы сцепляются в молекулу с вполне определенным числом других атомов. Если два атома водорода образовали молекулу, то третий атом уже не присоединится к ним. Атом кислорода в воде соединен с двумя атомами водорода и присоединить к ним еще один невозможно.

Ничего подобного мы не находим в межмолекулярном взаимодействии. Притянув к себе одного соседа, молекула ни в какой степени не теряет своей "притягательной силы". Подход соседей будет происходить до тех пор, пока хватит места.

Что значит "хватит места"? Разве молекулы - это что-то вроде яблок или яиц? Конечно, в некотором смысле такое сравнение оправдано: молекулы - физические тела, обладающие определенными "размерами" и "формой". Равновесное расстояние между молекулами и есть не что иное, как "размеры" молекул.

Взаимодействие между молекулами может иметь большее или меньшее значение в "жизни" молекул.

Три состояния вещества - газообразное, жидкое и твердое - различаются одно от другого той ролью, которую в них играет взаимодействие молекул.

Слово "газ" придумано учеными. Оно произведено от греческого слова "хаос" - беспорядок.

И действительно, газообразное состояние вещества является примером существующего в природе полного, совершенного беспорядка во взаимном расположении и движении частиц. Нет такого микроскопа, который позволил бы увидеть движение газовых молекул, но, несмотря на это, физики могут достаточно детально описать жизнь этого невидимого мира.

В кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) находится огромное число молекул, примерно 2,5*10 19 (т. е. 25 миллиардов миллиардов молекул). На каждую молекулу приходится объем 4*10 -20 см 3 , т. е. кубик со стороной примерно 3,5*10 -7 см = 35 A. Однако молекулы очень малы. Например, молекулы кислорода и азота - основная часть воздуха - имеют средний размер около 4 A.

Таким образом, среднее расстояние между молекулами в 10 раз больше размера молекулы. А это в свою очередь означает, что средний объем воздуха, на который приходится одна молекула, примерно в 1000 раз больше объема самой молекулы.

Представьте себе ровную площадку, на которой беспорядочно разбросаны монетки, причем на площадь в 1 м 2 приходится в среднем сто монеток. Это значит одна-две монетки на страницу книги, которую вы читаете. Приблизительно так же редко расположены газовые молекулы.

Каждая молекула газа находится в состоянии непрерывного теплового движения.

Проследим за одной молекулой. Вот она стремительно движется куда-то вправо. Если бы на ее пути не встретилось препятствий, то молекула с той же скоростью продолжала бы свое движение по прямой линии. Но путь молекулы пересекают ее бесчисленные соседи. Столкновения неминуемы, и молекулы разлетаются, как два столкнувшихся биллиардных шара. В какую сторону отскочит наша молекула? Приобретет или потеряет она свою скорость? Все возможно: ведь встречи могут быть самые различные. Удары возможны и спереди и сзади, и справа и слева, и сильные и слабые. Ясно, что, подвергаясь таким беспорядочным соударениям при этих случайных встречах, молекула, за которой мы наблюдаем, будет метаться во все стороны по сосуду, в котором заключен газ.

Какой путь удается молекулам газа пробежать без столкновения?

Он зависит от размеров молекул и от плотности газа. Чем больше размеры молекул и число их в сосуде, тем чаще они будут сталкиваться. Средняя длина пути, пробегаемого молекулой без соударения,- она называется средней длиной пробега - равна при обычных условиях 11*10 -6 см = 1100 A для молекул водорода и 5*10 -6 см=500 A для молекул кислорода. 5*10 -6 см - двадцатитысячная доля миллиметра, расстояние очень малое, но по сравнению с размерами молекул оно далеко не мало. Пробегу 5*10 -6 см для молекулы кислорода соответствует в масштабе у биллиардного шара расстояние в 10 м.

Стоит обратить внимание на особенности движения молекул в сильно разреженном газе (вакууме). Движение молекул, "образующих вакуум", меняет свой характер, когда длина свободного пробега молекулы становится больше размеров сосуда, в котором находится газ. Тогда молекулы редко сталкиваются между собой и совершают свое путешествие прямыми зигзагами, ударяясь то об одну, то о другую стенку сосуда.

Как только что было сказано, в воздухе при атмосферном давлении длина пробега равна 5*10 -6 см. Если увеличить ее в 10 7 раз, то она составит 50 см, т. е. будет заметно больше среднего по размерам сосуда. Поскольку длина пробега обратно пропорциональна плотности, а следовательно, и давлению, то давление для этого должно составлять 10 -7 атмосферного или примерно 10 -4 мм рт. ст.

Даже межпланетное пространство не является совсем Пустым. Но плотность вещества в нем составляет около 5*10 -24г / см 3 . Основная доля межпланетного вещества - атомарный водород. В настоящее время считается, что в космосе приходится но нескольку атомов водорода на 1 см 3 . Если увеличить молекулу водорода до размеров горошины и поместить такую "молекулу" в Москве, то ее ближайшая "космическая соседка" окажется в Туле.

Строение жидкости существенно отличается от строения газа, молекулы которого находятся далеко одна от другой и лишь изредка сталкиваются. В. жидкости молекулы постоянно находятся в непосредственной близости. Молекулы жидкости расположены, как картофелины в мешке. Правда, с одним отличием: молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного хаотического теплового движения. Из-за большой тесноты они не могут передвигаться так свободно, как молекулы газа. Каждая "топчется" все время почти на одном и том же месте в окружении одних и тех же соседей и только понемногу перемещается по объему, занятому жидкостью. Чем более вязкая жидкость, тем это перемещение медленней. Но даже в такой "подвижной" жидкости, как вода, молекула сместится на 3 A за то время, которое нужно газовой молекуле для пробега в 700 A.

Совсем решительно расправляются силы взаимодействия между молекулами с их тепловым движением в твердых телах. В твердом вещества молекулы практически все время находятся в неизменном положении. Тепловое движение сказывается только в том, что молекулы непрерывно колеблются около положений равновесия. Отсутствие систематических перемещений молекул и есть причина того, что мы называем твердостью. Действительно, если молекулы не меняют соседей, то тем более остаются в неизменной связи одна с другой отдельные части тела.

Как дождевые капли барабанят по крыше, так бьются о стенки сосуда молекулы газа. Число этих ударов огромно, и действие их, сливаясь воедино, и создает то давление, которое может двигать поршень двигателя, разорвать снаряд или надуть воздушный шар. Град молекулярных ударов - это атмосферное давление, это давление, заставляющее прыгать крышку кипящего чайника, это сила, выбрасывающая пулю из винтовки.

С чем же связано давление газа? Ясно, что давление будет тем больше, чем сильнее удар, наносимый одной молекулой. Не менее очевидно, что давление будет зависеть от числа ударов, наносимых в секунду. Чем больше молекул в сосуде, тем чаще удары, тем больше давление. Значит, прежде всего давление р данного газа пропорционально его плотности.

Если масса газа неизменна, то, уменьшая объем, мы в соответствующее число раз увеличиваем плотность. Значит, давление газа в таком закрытом сосуде будет обратно пропорционально объему. Или, иными словами, произведение давления на объем должно быть неизменным:

?V = const.

Этот простой закон был открыт английским физиком Бойлем и французским ученым Мариоттом. Закон Бойля - Мариотта - один из первых количественных законов в истории физической науки. Разумеется, он имеет место при неизменной температуре.

По мере сжатия газа уравнение Бойля - Мариотта выполняется все хуже. Молекулы приближаются, взаимодействие между ними начинает сказываться на поведении газа.

Закон Бойля - Мариотта справедлив в тех случаях, когда вмешательство сил взаимодействия в жизнь молекул газа совершенно незаметно. Поэтому о законе Бойля - Мариотта говорят как о законе идеальных газов.

Прилагательное "идеальный" звучит несколько забавно по отношению к слову "газ". Идеальный - это значит совершенный, такой, что лучше быть не может.

Чем проще модель или схема, тем идеальнее она для физика. Упрощаются расчеты, легкими и ясными становятся объяснения физических явлений. Термин "идеальный газ" относится к простейшей схеме газа. Поведение достаточно разреженных газов практически неотличимо от поведения идеальных газов.

Сжимаемость жидкостей гораздо меньше, чем сжимаемость газов. В жидкости молекулы уже находятся в "соприкосновении". Сжатие состоит лишь в улучшении "упаковки" молекул, а при очень больших давлениях - в спрессовке самой молекулы. Насколько силы отталкивания затрудняют сжатие жидкости, видно из следующих цифр. Повышение давления от одной до двух атмосфер влечет за собой уменьшение объема газа вдвое, в то время как объем воды изменяется на 1 / 20 000 , а ртути - всего на 1 / 250 000 .

Даже огромное давление на глубинах океана неспособно сколько-нибудь заметно сжать воду. Действительно, давление в одну атмосферу создается столбом воды в десять метров. Давление под слоем воды в 10 км равно 1000 атмосфер. Объем воды уменьшается на 1000 / 20 000 , т. е. на 1 / 20 .

Сжимаемость твердых тел мало отличается от сжимаемости жидкости. Это и понятно - в обоих случаях молекулы уже соприкасаются, и сжатие может быть достигнуто лишь за счет дальнейшего сближения уже сильно отталкивающихся молекул. Сверхвысокими давлениями в 50-100 тысяч атмосфер удается сжать сталь на 1 / 1000 , свинец - на 1 / 7 долю объема.

Из этих примеров видно, что в земных условиях не удается сколько-нибудь значительно сжать твердое вещество.

Но во Вселенной есть тела, где вещество сжато несравненно сильнее. Астрономы открыли существование звезд, плотность вещества в которых доходит до 10 6г / см 3 . Внутри этих звезд - их называют белыми карликами ("белые" - по характеру светимости "карлики" - из-за относительно малых размеров) - должно поэтому иметь место огромное давление.

Можно ли выйти сухим из воды? Конечно, для этого нужно смазаться несмачивающимся водой веществом.

Натрите палец парафином и опустите в воду. Когда вы его вынете, окажется, что воды на пальце нет, если не считать двух-трех капелек. Небольшое движение - и капельки стряхиваются.

В этом случае говорят: вода не смачивает парафин. Ртуть ведет себя таким образом по отношению почти ко всем твердым телам: ртуть не смачивает кожу, стекло, дерево...

Вода более капризна. Она тесно льнет к одним телам и старается не соприкасаться с другими. Вода не смачивает жирные поверхности, но хорошо смачивает чистое стекло. Вода смачивает дерево, бумагу, шерсть.

Если капельку воды нанести на чистое стекло, то она растечется и образует очень тонкую лужицу. Если такую же капельку опустить на парафин, то она так и останется капелькой почти сферической формы, чуть придавленной силой тяжести.

К веществам, "пристающим" почти ко всем телам, относится керосин. Стремясь растечься по стеклу или металлу,; керосин способен выползать из плохо закрытого сосуда. Лужица пролитого керосина может на долгое время отравить существование: керосин захватит большую поверхность, заползет в щели, проникнет в одежду. Поэтому так трудно избавиться от его малоприятного запаха.

Несмачивание тел может привести к любопытным явлениям. Возьмите иголку, смажьте ее жиром и аккуратно положите плашмя на воду. Иголка не утонет. Внимательно всматриваясь, можно заметить, что иголка продавливает воду и спокойно лежит в образовавшейся ложбинке. Однако достаточно легкого нажатия, и иголка пойдет ко дну. Для этого нужно чтобы значительная ее часть оказалась в воде.

Это интересное свойство используется насекомыми, быстро бегающими по воде, не замочив лапок.

Смачивание используется при флотационном обогащении руд. Слово "флотация" значит "всплывание". Сущность явления состоит в следующем. Тонко измельченную руду загружают в чан с водой, туда добавляют небольшое количество специального масла, которое должно. обладать свойством смачивать крупинки полезного ископаемого и не смачивать крупинки "пустой породы" (так называют" ненужную часть руды). При перемешивании крупинки полезного ископаемого обволакиваются маслянистой пленкой.

В черную кашу из руды воды и масла вдувается воздух. Образуется множество мелких пузырьков воздуха - пена. Пузырьки воздуха всплывают. Процесс флотации основан на том, что покрытые маслом крупинки цепляются за воздушные пузырьки. Крупный пузырек выносит крупинку вверх, как воздушный шар.

Полезное ископаемое переходит в пену на поверхность. Пустая порода остается на дне. Пену снимают и направляют в дальнейшую обработку для получения так называемого "концентрата", который содержит в десятки раз меньшую долю пустой породы.

Силы сцепления поверхностей способны нарушить уравнивание жидкости в сообщающихся сосудах. Справедливость этого очень легко проверить.

Если тоненькую (доля миллиметра в, диаметре) стеклянную трубочку опустить в воду, то в нарушение закона сообщающихся сосудов вода в ней быстро начнет подниматься вверх, и уровень ее установится существенно выше, чем в широком сосуде (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Что же произошло? Какие силы удерживают вес поднявшегося столба жидкости? Подъем произведен силами сцепления воды со стеклом.

Силы поверхностного сцепления отчетливо проявляются лишь тогда, когда жидкость поднимается в достаточно тонких трубках. Чем уже трубочка, тем выше поднимается жидкость, тем отчетливее явление. Название этих поверхностных явлений связано с названием трубочек. Канал в такой трубке имеет диаметр, измеряющийся долями миллиметра; такую трубку называют капиллярной (что значит в переводе: "тонкой, как волос"). Явление подъема жидкости в тонких трубках называется капиллярностью.

На какую же высоту способны поднять жидкость капиллярные трубки? Оказывается, в трубке диаметром 1 мм вода поднимается на высоту 1,5 мм. При диаметре 0,01 мм высота подъема возрастает во столько же раз, во сколько уменьшился диаметр трубки, т. е. до 15 см.

Разумеется, подъем жидкости возможен лишь при условии смачивания. Нетрудно догадаться, что ртуть не будет подниматься в стеклянных трубках. Наоборот, ртуть в стеклянных трубках опускается. Ртуть так не "терпит" соприкосновения со стеклом, что стремится сократить общую поверхность до того минимума, который разрешает сила тяжести.

Существует множество тел, которые представляют собой нечто вроде системы тончайших трубок. В таких телах всегда наблюдаются капиллярные явления.

Целая система длинных каналов и пор имеется у растений и деревьев. Диаметры этих каналов меньше сотых долей миллиметра. Благодаря этому капиллярные силы поднимают почвенную влагу на значительную высоту и разносят воду по телу растения.

Очень удобная вещь - промокательная бумага. Вы сделали кляксу, а надо перевернуть страницу. Не ждать ведь, пока клякса высохнет! Берется листик промокательной бумаги, конец его погружается в каплю, и чернила быстро бегут кверху против силы тяжести.

Происходит типичное капиллярное явление. Если рассмотреть промокательную бумагу в микроскоп, то можно увидеть ее структуру. Такая бумага состоит из неплотной сетки бумажных волокон, образующих друг с другом тонкие и длинные каналы. Эти каналы и играют роль капиллярных трубочек.

Такая же система длинных пор или каналов, образованных волокнами, имеется в фитилях. По фитилю поднимается кверху керосин в лампах. С помощью фитиля можно создать и сифон, опустив фитиль одним концом в неполный стакан жидкости так, чтобы другой конец перевешивающийся через борт, был ниже первого (рис. 2.5).

Рис. 2.5

В технологии красильного производства тоже часто используют способность тканей затягивать в себя жидкость тонкими каналами, образованными нитями ткани.

Но мы еще ничего не сказали о молекулярном механизме этих интересных явлений.

Различия в поверхностных силах превосходно объясняются межмолекулярными взаимодействиями.

Капля ртути не растекается по стеклу. Это происходит по той причине, что энергия взаимодействия атомов ртути между собой больше энергии связи атомов стекла и ртути. По этой же причине ртуть не поднимается в узких капиллярах.

С водой дело обстоит иначе. Оказывается, что атомы водорода молекул воды охотно цепляются за атомы кислорода окиси кремния, из которой в основном состоит стекло. Межмолекулярные силы вода - стекло больше межмолекулярных сил вода - вода. Поэтому вода растекается по стеклу и поднимается в стеклянных капиллярах.

Поверхностные силы, вернее энергию связи (глубина ямы на рис. 2.1), для разных пар веществ можно и измерить, и вычислить. Разговор о том, как это делается, завел бы нас слишком далеко.

Многие думают, что кристаллы - это красивые, редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, обычно прозрачные и, что самое замечательное, обладают красивой правильной формой. Чаще всего кристаллы представляют собой многогранники стороны (грани) их идеально плоские," ребра строго прямые. Они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения.

Есть среди них скромные кристаллы каменной соли - природного хлористого натрия, т. е. обычной поваренной соли. Они встречаются в природе в виде прямоугольных параллелепипедов или кубиков. Простая форма и у кристаллов кальцита - прозрачных косоугольных параллелепипедов. Куда сложнее кристаллы кварца. У каждого кристаллика множество граней разной формы, пересекающихся по ребрам разной длины.

Однако кристаллы - совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твердые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту,- почти все они относятся к кристаллам. Почему же мы этого не видим? Дело в том, что в природе редко попадаются тела в виде отдельных одиночных кристаллов (или, как говорят, монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся кристаллических зернышек уже совсем малого размера - меньше тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть лишь в микроскоп.

Тела, состоящие из кристаллических зернышек, называются мелкокристаллическими, или поликристаллическими ("поли"-по-гречески "много").

Конечно, к кристаллам надо отнести и мелкокристаллические тела. Тогда окажется, что почти все окружающие пас твердые тела - кристаллы. Песок и гранит, медь и железо, салол, продающийся в аптеке,; и краски - все это кристаллы.

Есть и исключения; стекло и пластмассы не состоят из кристалликов. Такие твердые тела называются аморфными.

Итак, изучать кристаллы- это значит изучать почти все окружающие нас тела. Понятно, как это важно.

Одиночные кристаллы сразу же узнают по правильности форм. Плоские грани и прямые ребра являются характерным свойством кристалла; правильность формы несомненно связана с правильностью внутреннего строения кристалла. Если кристалл в каком-то направлении особо вытянулся, значит, и строение кристалла в этом направлении какое-то особенное.

Но представьте себе, что из крупного кристалла на станке изготовлен шар. Удастся ли сообразить, что в руках у нас кристалл, и отличить этот шар от стеклянного? Поскольку разные грани кристалла развиты в различной степени, то это наводит на мысль о том, что и физические свойства кристалла неодинаковы в разных направлениях. Сказанное относится к прочности, электропроводности, да и вообще ко многим свойствам. Эта особенность кристалла называется анизотропией его свойств. Анизотропный - это значит разный в разных направлениях.

Кристаллы анизотропны. Напротив, аморфные тела, жидкости и газы изотропны ("изо" - по-гречески "одинаково", "тропос" -- направление), т. е. обладают одинаковыми свойствами в разных направлениях. Анизотропия свойств и позволяет узнать,(является ли прозрачный бесформенный кусочек вещества кристаллом или нет.

Отправимся в минералогический музей и внимательно рассмотрим разные монокристаллические образцы кристаллов одного и того же вещества. Вполне возможно, что на стенде будут выставлены образцы и правильной и неправильной формы. Некоторые кристаллы будут выглядеть как обломки,- другие будут иметь 1-2 грани "ненормального" развития.

Отберем из общей кучи образцы, которые покажутся нам идеальными, и зарисуем их. Картинка, которая получится, показана на рис. 2.6. В качестве примера выбран все тот же кварц. У кварца, как и у других кристаллов, может развиться разное число граней одного "сорта", а также разное число самих "сортов" граней. Пусть внешнее сходство не бросается в глаза, все же такие кристаллики похожи друг на друга, как близкие родственники, как близнецы. В чем же заключается их сходство?

Рис. 2.6

Посмотрите на рис. 2.6, где изображен ряд кристаллов кварца. Все эти кристаллики - близкие "родственники". Их можно сделать и совсем одинаковыми, сошлифовывая грани на различную глубину параллельно самим себе. Легко видеть, что таким способом, например, кристалл II может быть сделан совершенно таким же, как кристалл I. Это возможно потому, что углы между сходственными гранями образцов одинаковы" например, между гранями А и Б, Б и В и т. д.

В этом равенстве углов и заключается "семейное" сходство кристаллов. При сошлифовывании граней параллельно самим себе форма кристалла изменяется, но углы между гранями сохраняют свое значение.

При росте кристалла в зависимости от ряда случайностей одни грани могут попасть в условия более благоприятные, другие в менее удобные для увеличения своих размеров. Внешнее сходство выросших в разных условиях образцов станет незаметным, но углы между сходственными гранями всех кристаллов изучаемого вещества будут всегда одинаковы. Форма кристалла случайна, а углы между гранями отвечают (вы дальше поймете, почему) его внутренней природе.

Но плоскогранность не является единственным свойством кристаллов, которое отличает их от бесформенных тел. Кристаллы обладают симметрией. Смысл этого слова лучше всего мы поймем на примерах.

Рис. 2.7

На рис. 2.7 изображена скульптура; перед ней стоит большое зеркало. В зеркале возникает отражение, в точности повторяющее предмет. Скульптор может изготовить две фигуры и расположить их так же, как фигуру и ее отражение в зеркале. Эта "двойная" скульптура будет симметричной фигурой - она состоит из двух зеркально равных частей. Правая часть скульптуры в точности совпадает с отражением левой ее части. Такая симметричная фигура обладает вертикальной плоскостью зеркальной симметрии, которая проходит посередине между ними. Плоскость симметрии -o мысленная плоскость, но мы ее отчетливо ощущаем, рассматривая симметрично построенное тело.

Плоскостью симметрии обладают тела животных, вертикальную плоскость внешней симметрии можно провести через человека. В животном мире симметрия осуществляется лишь приблизительно, да и вообще идеальной симметрии в жизни не существует. Архитектор может изобразить на чертеже дом, состоящий из двух идеально симметричных половин. Но когда дом будет построен, как бы хорошо его ни делали, всегда можно найти разницу в двух соответствующих частях здания; скажем, в одном месте есть трещинка, а в другом - нет.

Наиболее точная симметрия осуществляется в мире кристаллов, но и здесь она неидеальная: невидимые глазом трещинки, царапины всегда делают равные грани слегка отличными друг от друга.

Рис. 2.8

На рис. 2.8 изображена детская бумажная вертушка. Она тоже симметрична, но плоскость симметрии через нее провести нельзя. В чем же тогда заключается симметрия этой фигурки? Прежде всего спросим себя о симметричных ее частях. Сколько их? Очевидно, четыре. В чем заключается правильность взаимного расположения этих одинаковых частей? Это также нетрудно заметить. Повернем вертушку на прямой угол против часовой стрелки, т. е. на 1 / 4 окружности: тогда крыло 1 встанет на то место, где было крыло 2, крыло 2 - на место 3, 3 - на место 4 и 4 - на место 1. Новое положение неотличимо от предыдущего. Про такую фигурку мы скажем так: она обладает осью симметрии, говоря точнее - осью симметрии 4-го порядка, так как совмещение происходит при повороте на 1 / 4 окружности.

Итак, ось симметрии - это такая прямая линия, поворотом около которой на долю оборота можно перевести тело в положение, не отличимое от исходного. Порядок оси (в нашем случае 4-й) указывает, что такое совмещение происходит при повороте на 1 / 4 окружности. Следовательно, четырьмя последовательными поворотами мы возвращаемся в исходное положение.

Встречаемся ли мы с симметрией любого типа в царстве кристаллов? Опыт показывает, что нет.

В кристаллах мы встречаемся лишь с осями симметрии 2-, 3-, 4- и 6-го порядков. И это не случайно. Кристаллографы доказали, что это связано с внутренним строением кристалла. Поэтому число различных видов или, как говорят, классов симметрии кристаллов относительно невелико - оно равно.

Почему так красива, правильна форма кристалла? Грани его, блестящие и ровные, выглядят так, как будто бы над кристаллом поработал искусный шлифовальщик. Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую симметричную фигуру. Эта исключительная правильность кристаллов была знакома уже людям древности. Но представления древних ученых о кристаллах мало отличались от сказок и легенд, сочиненных поэтами, воображение которых было пленено красотой кристаллов. Верили, что хрусталь образуется из льда, а алмаз - из хрусталя. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека...

В XVII - XVIII веках появились первые научные взгляды на природу кристаллов. Представление о них дает рис. 2.9 , заимствованный из книги XVIII века. По мнению ее автора, кристалл построен из мельчайших "кирпичиков", плотно приложенных друг к другу. Эта мысль довольно естественна. Разобьем сильным ударом кристалл кальцита (углекислый кальций). Он разлетится на кусочки разной величины. Рассматривая их внимательно, мы обнаружим, что эти куски имеют правильную форму, вполне подобную форме большого кристалла - их родителя. Наверное, рассуждал ученый, и дальнейшее дробление кристалла будет происходить таким же образом, пока мы не дойдем до мельчайшего, невидимого глазом кирпичика, представляющего кристалл данного вещества. Эти кирпичики так малы, что построенные из них ступенчатые "лестницы" - грани кристалла - кажутся нам безукоризненно гладкими. Ну, а дальше, что же представляет собой этот "последний" кирпич? На такой вопрос ученый того времени ответить не мог.

Рис. 2.9

"Кирпичная" теория строения кристалла принесла науке большую пользу. Она объяснила происхождение прямых ребер и граней кристалла: при росте кристалла одни кирпичики подстраиваются к другим, и грань растет подобно стене дома, выкладываемой руками каменщика.

Итак, ответ на вопрос о причине правильности и красоты формы кристаллов был дан уже давно. Причиной этого обстоятельства является внутренняя правильность. А правильность заключается в многократном повторении одних и тех же элементарных частей.

Представьте себе парковую решетку, сделанную из прутьев разной длины и расположенных как попало. Безобразная картина. Хорошая решетка построена из одинаковых прутьев, расположенных в правильной последовательности на одинаковых расстояниях один от другого. Такую же самоповторяющуюся картину мы находим в обоях. Здесь элемент рисунка - скажем, девочка, играющая в мяч,- повторяется уже не в одном направлении, как в парковой решетке, а заполняет плоскость.

Какое же отношение имеют парковая решетка и обои к кристаллу? Самое прямое. Парковая решетка состоит из звеньев, повторяющихся вдоль линии, обои - из картинок, повторяющихся вдоль плоскости, а кристалл - из групп атомов, повторяющихся в пространстве. Поэтому и говорят, что атомы кристалла образуют пространственную (или кристаллическую) решетку.

Нам надо обсудить ряд деталей, относящихся к пространственной решетке, но чтобы не затруднять художника построением сложных объемных рисунков, мы объясним то, что нам надо, на примере куска обоев.

На рис. 2.10 выделен тот наименьший кусок, простым перекладыванием которого можно составить все обои. Чтобы выделить такой кусок, проведем из любой точки рисунка, например из центра мячика, две линии, соединяющие выбранный мячик с двумя соседними. На этих линиях можно построить, как это видно на нашем рисунке, параллелограмм. Перекладывая этот кусочек в направлении основных исходных линий, можно составить весь рисунок обоев. Этот наименьший кусок может быть выбран по-разному: из рисунка видно, что можно выбрать несколько разных параллелограммов, каждый из которых содержит одну фигурку. Подчеркнем, что для нас в данном случае безразлично, будет ли эта фигурка целой внутри выделенного куска или разделенной на части линиями, ограничивающими этот кусок.

Рис. 2.10

Было бы неверным полагать, что, изготовив повторяющуюся на обоях фигурку, художник может считать свою задачу оконченной. Это было бы так лишь в том случае, если составление обоев можно было бы провести единственным способом - прикладыванием к данному кусочку, содержащему одну фигурку, другого такого же, параллельно сдвинутого.

Однако кроме этого простейшего способа есть еще шестнадцать способов заполнения обоев закономерно повторяющимся рисунком, т. е. всего существует 17 типов взаимных расположений фигурок на плоскости. Они показаны на рис. 2.11. В качестве повторяющегося рисунка здесь выбрана более простая, но, так же как и на рис. 2.10, лишенная собственной симметрии фигурка. Однако составленные из нее узоры симметричны, и их различие определяется различием симметрии расположения фигурок.

Рис. 2.11

Мы видим, что, например, в первых трех случаях. рисунок не обладает зеркальной плоскостью симметрии -- нельзя поставить вертикальное зеркало так,; чтобы одна часть рисунка была "отражением" другой части. Напротив, в случаях 4 и 5 имеются плоскости симметрии. В случаях 8 и 9 можно "установить" два взаимно перпендикулярных зеркала. В случае 10 имеются оси 4-го порядка, перпендикулярные к чертежу, в случае 11 - оси 3-го порядка. В случаях 13 и 15 имеются оси 6-го порядка и т. д.

Плоскости и оси симметрии наших рисунков выступают не поодиночке, а параллельными "семействами". Если мы нашли одну точку, - через которую можно провести ось (или плоскость) симметрии, то найдем быстро и соседнюю и далее на таком же расстоянии третью и четвертую и т. д. точки, через которые проходят такие же оси (или плоскости) симметрии.

17 типов симметрии плоского узора не исчерпывают, конечно, всего разнообразия узоров, составляемых из одной и той же фигурки; художник должен указать еще одно обстоятельство: как расположить фигурку по отношению к граничным линиям ячейки. На рис. 2.12 показаны два узора обоев с той же исходной фигуркой по различно расположенной по отношению к зеркалам. Оба эти узора относятся к случаю 8.

Рис. 2.12

Каждое тело, в том числе и кристалл, состоит из атомов. Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные - из атомов двух или нескольких сортов. Предположим, что мы могли бы в сверхмощный микроскоп рассмотреть поверхность кристалла поваренной соли и увидеть центры атомов. Рис. 2.13 показывает, что атомы расположены вдоль грани кристалла, как узор обоев. Теперь вы уже можете легко понять, как построен кристалл. Кристалл представляет собой "пространственные обои". Пространственные, т. е. объемные, а не плоские элементарные ячейки - это "кирпичи", прикладыванием которых друг к другу в пространстве строится кристалл.

Рис. 2.13

Сколько же способов построения "пространственных обоев" из элементарных кусков? Эта сложная математическая задача была решена в конце прошлого века Евграфом Степановичем Федоровым. Он доказал,; что должны существовать 230 способов построения кристалла.

Все современные данные о внутреннем строении кристаллов получены при помощи рентгеноструктурного анализа, о котором мы расскажем в книге 4.

Существуют простые кристаллы, построенные из атомов одного сорта. Например, алмаз - это чистый углерод. Кристаллы поваренной соли состоят из ионов двух сортов: натрия и хлора. Более сложные кристаллы могут быть построены из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов многих сортов.

Однако в кристалле всегда можно выделить наименьшую повторяющуюся группу атомов (в простейшем случае это будет один атом), иными словами, элементарную ячейку.

Размеры ячейки могут быть весьма различными. Наименьшие расстояния между соседними узлами (вершинами ячейки) встречаются у простейших кристаллов, построенных из атомов одного вида, наибольшие - у сложных кристаллов белка. Расстояния колеблются от 2-3 до нескольких сот ангстремов (стомиллионных долей сантиметра).

Кристаллические решетки очень разнообразны. Однако свойства, общие для всех кристаллов, безупречно объясняются решетчатым строением кристаллов. Прежде всего нетрудно понять, что идеально плоские грани - это плоскости, проходящие через узлы, в которых сидят атомы. Но узловых плоскостей можно провести сколько угодно по самым различным направлениям. Какие же из этих узловых плоскостей ограничивают выросший кристалл?

Обратим внимание прежде всего на следующее обстоятельство: разные узловые плоскости и линии заполнены узлами не одинаково плотно. Опыт показывает, что кристалл огранен плоскостями, которые гуще всего уееяны узлами, плоскости же пересекаются по ребрам, в свою очередь наиболее густо заселенным узлами.

Рис. 2.14 дает вид кристаллической решетки перпендикулярно к ее грани; проведены следы некоторых узловых плоскостей, перпендикулярных к чертежу. Из сказанного ясно, что у кристалла могут развиться грани, параллельные узловым плоскостям I и III, и не будет граней, параллельных редко усеянным узлами плоскостям II.

Рис. 2.14

В настоящее время известно строение многих сотен кристаллов. Расскажем про строение простейших кристаллов и прежде всего тех, которые построены из атомов одного сорта.

Наиболее распространены три типа решеток. Они показаны на рис. 2.15. Точками изображены центры атомов; линии, объединяющие точки, не имеют реального смысла. Они проведены лишь для того, чтобы сделать читателю более ясным характер пространственного расположения атомов.

Рис. 2.15

Рис. 2.15, а и 2.15, б изображают кубические решетки. Чтобы представить себе эти решетки яснее, вообразите, что вы сложили простейшим способом - ребро к ребру, грань к грани -- детские кубики. Если теперь мысленно разместить точки по вершинам и центрам объемов кубов, то возникнет кубическая решетка, изображенная на левом рисунке. Такая структура называется кубической объемно-центрированной. Если разместить точки по вершинам кубов и в центрах их граней, то возникнет кубическая решетка, изображенная на среднем рисунке. Она называется кубической гранецентрированной.

Третья решетка (рис. 2.15, в ) называется плотней-шей гексагональной (т. е. шестиугольной). Чтобы понять происхождение этого термина и яснее представить себе расположение атомов в этой решетке, возьмем биллиардные шары и начнем укладывать их как можно плотнее. Прежде всего составим плотный слой - он выглядит так, как биллиардные шары, собранные "треугольником" перед началом игры (рис. 2.16). Отметим, что шар внутри треугольника имеет шесть соприкасающихся с ним соседей, и эти шесть соседей образуют шестиугольник. Продолжим укладку наложением слоев друг на друга. Если поместить шары следующего слоя непосредственно над шарами первого слоя, то такая упаковка была бы неплотной. Стараясь разместить в определенном объеме наибольшее число шаров, мы должны положить шары второго слоя в лунки первого, третьего слоя - в лунки второго и т. д. В гексагональной плотнейшей упаковке шары третьего слоя размещены так, что центры этих шаров лежат над центрами шаров первого слоя.

Рис. 2.16

Центры атомов в гексагональной плотнейшей решетке расположены так, как центры шаров, плотно уложенных описанным способом.

В описанных трех решетках кристаллизуется множество элементов:

Гексагональная плотнейшая упаковка..... Be, Co, Hf, Ti, Zn, Zr

Кубическая гранецентрированная......... А1, Си, Со, Fe, Au, Ge, Ni, Ti

Кубическая объемно-центрированная........ Cr, Fe, Li, Mo, Ta§ Ti, U, V

Из других структур упомянем лишь немногие. На рис. 2.17 изображена структура алмаза. Для этой структуры характерно то, что атом углерода алмаза имеет четыре ближайших соседа. Сопоставим это число с соответствующими числами описанных только что трех наиболее распространенных структур. Как видно из рисунков, в плотнейшей гексагональной упаковке у каждого атома 12 ближайших соседей, столько же соседей у атомов, образующих гранецентрированную кубическую решетку; в объемно-центрированной решетке у каждого атома 8 соседей.

Рис. 2.17

Несколько слов скажем о графите, строение которого показано на рис. 2.18. Особенность этой структуры бросается в глаза. Графит состоит из слоев атомов, причем атомы одного слоя связаны между собой сильнее, чем атомы соседних слоев. Это связано с величиной межатомных расстояний: расстояние между соседями в одном слое в 2,5 раза меньше кратчайшего расстояния между слоями.

Рис. 2.18

Наличие слабо связанных атомных слоев приводит к тому, что кристаллы графита легко расщепляются вдоль этих слоев. Поэтому твердый графит может служить смазочным материалом в тех случаях, когда невозможно применять смазочные масла,- например, при очень низких или очень высоких температурах. Графит - твердый смазочный материал.

Трение между двумя телами сводится, грубо говоря, к тому, что микроскопические выступы одного тела западают во впадины другого. Усилие, достаточное для того, чтобы расщепить микроскопический графитовый кристаллик, много меньше сил трении, поэтому наличие графитовой смазки значительно облегчает скольжение одного тела по другому.

Бесконечно разнообразны структуры кристаллов химических соединений. Крайними - в смысле различий - примерами могут служить структуры каменной соли и двуокиси углерода, изображенные на рис. 2.19 и 2.20.

Кристаллы каменной соли (рис. 2.19) состоят из чередующихся вдоль осей куба атомов натрия (маленькие темные шары) и хлора (большие светлые шары). Каждый атом натрия имеет шесть равноотстоящих соседей другого сорта. То же относится и к хлору. Но где же молекула хлористого натрия? Ее нет; в кристалле отсутствует не только группа из одного атома натрия и одного атома хлора, но и вообще какая бы то ни было группа атомов не выделяется своим сближением среди других.

Рис. 2.19

Химическая формула NaCl не дает нам оснований говорить, что "вещество построено из молекул NaCl". Химическая формула указывает лишь, что вещество построено из одинакового числа атомов натрия и хлора.

Вопрос о существовании молекул у вещества решается структурой. Если в ней не выделяется группа близких атомов, то молекул нет.

Кристалл углекислого газа С0 2 (сухого льда, который лежит в ящиках у продавщиц мороженого) - пример молекулярного кристалла (рис. 2.20). Центры атомов кислорода и углерода молекулы С0 2 расположены вдоль прямой линии (см. рис. 2.2). Расстояние С-О равно 1,3 A, а расстояние между атомами кислорода соседних молекул - около 3 A. Ясно, что при таких условиях мы сразу же "узнаем" молекулу в кристалле.

Рис. 2.20

Молекулярные кристаллы представляют собой плотные упаковки молекул. Чтобы это видеть, надо обрисовать контуры молекул. Это и сделано на рис. 2.20.

Все органические вещества дают молекулярные кристаллы. Органические молекулы зачастую содержат многие десятки и сотни атомов (а о таких, которые состоят из десятков тысяч атомов, мы поговорим особо в отдельной главе). Изобразить их упаковку графически невозможно. Поэтому вы можете увидеть в книгах рисунки, подобные рис. 2.21.

Рис. 2.21

Молекулы этого органического вещества составлены из атомов углерода. Стерженьки символизируют валентные связи. Молекулы как бы висят в воздухе. Но не верьте глазам своим. Чертеж сделан таким лишь для того, чтобы можно было рассмотреть, как расположены молекулы в кристалле. Для простоты авторы рисунка даже не изобразили атомов водорода, присоединенных к внешним атомам углерода (впрочем, химики так делают очень часто). Тем более авторы не сочли нужным "оконтурить" молекулу - придать ей форму. Если это сделать, то мы увидели бы, что принцип упаковки молекул - ключ к замку - работает в этом случае, как и в других ему подобных.

Мы уже говорили о том, что аморфные тела - это редкость в мире твердых тел. Большинство окружающих нас предметов состоит из маленьких кристаллических зернышек, размерами около одной тысячной доли миллиметра.

Еще в прошлом веке зернистое строение металлов было обнаружено исследователями. Помог самый обычный микроскоп. Пришлось только приспособить его так, чтобы вести рассмотрение не "на просвет", а на отражение. Так поступают и сегодня.

Картинка, которая представляется глазу, показана на рис. 2.22. Границы зернышек обычно видны совершенно отчетливо. Как правило, на этих границах скапливаются примеси.

Рис. 2.22

От величины зерен, от того, что делается на их границах, от ориентации зерен зависят в огромной степени свойства материала. Поэтому физики потратили очень много труда на изучение поликристаллических веществ. То, что каждое зерно является кристалликом, было доказано с помощью рентгеноструктурного анализа, о котором мы уже обещали рассказать читателю.

Всякая обработка металла сказывается на его зернах. Вот получен кусок литого металла: зерна его расположены беспорядочно, размер их довольно велик. Из металла делают проволоку, протягивают ее. Как ведут себя при этом кристаллические зерна? Исследования показали, что изменение формы твердого тела при протягивании проволоки или при другой механической обработке вызывает раздробление кристаллических зерен. Одновременно под действием механических сил в их расположении появляется некоторый-порядок. О каком порядке может идти здесь речь? Ведь обломки зерен совершенно бесформенны.

Это верно, внешняя форма обломка может быть какой угодно, но обломок кристалла есть все же кристалл: атомы в его решетке упакованы так же правильно, как и в хорошо ограненном кристалле. Поэтому в каждом обломке можно указать, как расположена его элементарная ячейка. До обработки ячейки строго упорядочены только в пределах каждого отдельного верна - общего порядка обычно нет. После же обработки зерна выстраиваются так, что в расположении их ячеек проступает некоторый общий порядок, называемый текстурой; например, диагонали ячеек всех зерен устанавливаются примерно параллельно направлению обработки.

Рис. 2.23 помогает понять, что такое текстура. Ряды точек внутри зерен символизируют атомные плоскости. Слева - текстура отсутствует. Справа - порядок.

Рис. 2.23

Различные виды обработки (прокат, ковка, протяжка) приводят к текстурам различных типов. В одних случаях зерна поворачиваются так, что их элементарные ячейки выстраиваются вдоль направления обработки диагональю, в других случаях -ребром куба и т. д. Чем совершеннее прокат или протяжка, тем совершеннее и текстура кристаллических зерен металла. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия. Изучение расположения и размеров кристаллических зерен в металлических изделиях пролило свет на сущность механической обработки металлов и указало, как следует правильно вести ее.

С перестройкой кристаллических зерен связан и другой важнейший технический процесс - отжиг. Если нагревать прокатанный или протянутый металл, то при достаточно высокой температуре начинается рост новых кристаллов за счет старых. В результате отжига текстура постепенно разрушается; новые кристаллы располагаются беспорядочно. По мере повышения температуры (или просто при увеличении длительности отжига) новые зерна растут, старые исчезают. Зерна могут вырасти до видимых глазом размеров. Отжиг резко меняет свойства металла. Металл становится более пластичным, менее твердым. Это происходит потому, что зерна становятся крупнее и текстура исчезает.

Мельчайшей частицей вещества, которая определяет все свойства данного вещества, является молекула . Молекула состоит из атомов . Число атомов и их распределение в молекуле является различным. В природе существует немногим более сотни атомов различного вида. Элементы обобщены и расположены в периодической таблице химических элементов, им даны наименования, например, водород, азот, углерод.

Движение частиц вещества называют тепловым движением.

Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых, плавающих в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул, называют диффузией (от латинского «диффузио» - распространение, растекание).

Состояние вещества .

Вещества в природе встречаются в трёх состояниях:

• твёрдом
• жидком
• газообразном

Твёрдые тела сохраняют объём и форму. Жидкости сохраняют объём, но легко меняют свою форму. Газы не имеют постоянного объёма и собственной формы. Редко встречающимся состоянием вещества является плазма , которая сходна с газом и излучает свет. Плазму часто называют четвёртым агрегатным состоянием вещества.

Молекулы одного и того же вещества в различных состояниях не отличаются друг от друга. Различные свойства вещества во всех состояниях определяются тем, что его молекулы расположены иначе и движутся по-разному.

Каждому твёрдому телу характерна твёрдость. Твёрдость - способность тела сопротивляться воздействию другого тела. Твёрдость вещества выясняют, царапая его каким-либо другим веществом.

Существуют различные шкалы твёрдости . Одна из них составлена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Она состоит из 10 уровней, самым мягким веществом в ней является тальк, а самым твёрдым - алмаз. Алмаз в 58 раз твёрже стоящего на втором месте по твёрдости минерала корунда, из которого изготавливают рубины и сапфиры.

Свойством тел, изготовленных из твёрдого вещества, является их деформация. Деформация - изменение формы или размера тела под воздействием другого тела.

Эластичностью называют возможность тела после деформации возвращать себе первоначальную форму. Пластилин является пластичным, ему легко придать любую форму, которая сохраняется.

Прочность - способность вещества сопротивляться разрушению. У каждого материала имеется свой предел прочности. Стекло нельзя гнуть, т.к. оно хрупкое. Очень прочными являются металлы.

Кристаллы - это твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Это лёд, соль, металлы, минералы и т.д.

Аморфные тела - тела, не имеющие строгой кристаллической решётки, бесформенные тела. («аморфный» происходит от греч. «аморфос» - бесформенный)

В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней.

Структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего. По этой причине принято считать аморфные тела очень густыми, вязкими, застывшими жидкостями. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии при низких температурах, либо в состоянии расплава при высоких температурах. Аморфные тела обладают текучестью, хотя и значительно меньшей, чем жидкости. При повышении температуры текучесть аморфных тел увеличивается. Благодаря этому из капли нагретого стекла можно выдуть стеклянный сосуд.

Таблица «Строение вещества» ученика___________________________________ 7 __ класса

Примечания: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

«Приложение2»

Урок «Строение вещества» ученика_____________________________ 7 __ класса

Задание 1. Составьте кластер (схему) строения вещества:

Подсказка. Звенья кластера: молекулы, тело, атомы, вещество. Распредели их в соответствующем порядке.

Задание 2: Найди ошибки в тексте:

Надутый воздушный шарик внесли с мороза в теплое помещение и его объем при этом не изменился.

При охлаждении медного шарика его объем увеличился, так как уменьшаются его частицы, из которых состоит шарик.

Молекулы духов во флаконе отличаются от молекул духов в воздухе.

В стакан чая опустили несколько кусочков сахара. После полного растворения сахара объем полученной смеси будет больше суммы объемов чая и сахара.

Просмотр содержимого документа
«Рефлексия (Приложение 3)»

Урок «Строение вещества» ученика_______________________________ 7 __ класса

Давайте ответим на вопрос: «Что тебе понравилось на уроке?».

Предлагаются варианты ответов:

● Сегодня я узнал…

Было интересно…

Было трудно…

Я понял, что…

Я научился…

Меня удивило…

Мне захотелось…

Просмотр содержимого документа
«Техналогическая карта»

Учебный предмет: физика

Класс: 7 класс

УМК: «Физика»

Тема урока: «Строение вещества. Молекулы.»

Технологическая карта урока по теме «Строение вещества. Молекулы»

Просмотр содержимого документа
«Заявка»

Анкета - заявка на участие в конкурсе

«Лучшая методическая разработка урока физики»

Просмотр содержимого документа
«Конспект урока»

Строение вещества. Молекулы.

Цель урока: рассказать учащимся о молекулярном строении веществ.

Задачи: Образовательные : вызвать объективную необходимость изучения нового материала; планировать свою деятельность при построении ответа, выполнении заданий и поисковой деятельности. Р азвивающие : содействовать развитию речи, мышления, познавательных и общетрудовых умений; содействовать овладению методами научного исследования: анализ и синтез. Воспитательные : сообщая интересные сведения; воспитывать чувство уважения к собеседнику, индивидуальной культуры общения.

Тип урока: изучение нового материала

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, проблемный, демонстрации и практические задания, решение задачи физического содержания.

Техническое оборудование: компьютер, проектор, экран.

Лабораторное оборудование: яблоко, нож, резиновый мяч (воздушный надутый шарик), модель упругих пружин, две книги с вложенными друг в друга страницами, мензурка с водой, стакан с водой, стакан с окрашенной водой, мензурка со спиртом, закрытая колба с дымом,металлическая проволока, тетрадные листы, колба с водой, стакан, красящее вещество, пластилин, резина.

ПЛАН УРОКА:

Организационный момент (1 мин);

Актуализация знаний (3мин)

Этап постановки цели и задачей урока (4 мин);

Этап получения новых знания (8 мин);

Этап исследовательской работы учащихся (15 мин);

Этап обобщения и закрепления нового материала (13 мин);

Заключительный этап: домашнее задание, итоги урока (2 мин);

Рефлексия (1 мин).

ХОД УРОКА

Организационная часть. Здравствуйте, кадеты! Вольно! Садитесь! Мы продолжим открывать страницы в познании окружающего нас мира. Но прежде мне хотелось бы вместе с вами вспомнить определения физического тела, явления, вещества с точки зрения физики.

II . Актуализация знаний.

Приведите примеры веществ физических тел, явлений, веществ.

Материальны ли вещества?

Что означает термин «материя»?

Приведите примеры материальных и нематериальных объектов.

III. Целеполагание и мотивация. Человек издавна пытался объяснить необъяснимое, увидеть невидимое, услышать неслышимое. Оглядываясь вокруг себя, он размышлял о природе и пытался решить загадки, которые она перед ним ставила. Сначала человек считал природу одушевленной, но позже человек стал понимать, что движет всем вокруг закон. И только он стоит во главе всего, что нас окружает.

Все мы знаем, что вода может быть и жидкой (это её естественное состояние), и твердой – лёд (при температуре ниже 0°С), и газообразной – водяной пар (слайд № 1). Отличаются ли свойства воды, льда и водяного пара? Может кто-то и затрудняется ответить. Поэтому, рассмотрим ещё один пример: алмаз и графит, два тела состоящие их углерода (слайд № 2). Отличаются ли их свойства? Конечно, графит легко расслаивается – грифель карандаша тому подтверждение, алмаз – один из самых твердых пород. Чем можно объяснить такую разницу?

Молодцы! Чтобы ответить на этот вопрос, и на многие другие, необходимо знать внутреннее “устройство” тел.

Как вы думаете, какая тема урока “ожидает” нас сегодня?

Тема урока : Строение вещества. Молекулы и атомы.

Цель , которую мы ставим сегодня перед собой: получить представление о внутреннем строении вещества, ответить на вопросы

1. Как доказать, что все вещества состоят из частиц?

2. Какими размерами и массами определяются частицы вещества ?

3. Почему не видны частицы, из которых состоит вещество ?

4. Почему твердые тела, состоящие из частиц, кажутся сплошными?

Откройте свои рабочие тетради и запишите тему сегодняшнего урока “Строение вещества. Молекулы и атомы” (слайд № 3)

IV . Первичное усвоение новых знаний

Вы не поверите, но вопросами внутреннего “устройства” тел задавалось человечество ещё в древние времена. Легенда гласит, что в Древней Греции в IV-V веках до н.э. ученый Демокрит (слайд № 4), держа в руке яблоко, задумался: сколько раз можно яблоко разрезать на части? (Действенные генеративные вопросы)

Правильно, деление яблока можно выполнять до какой-то малой части. Эту малую и неделимую часть Демокрит назвал атом, что в переводе с древнегреческого языка так и переводится “неделимый”. Продолжили изучать строение вещества уже ученые XVIII века. Но с древних времен и до наших дней утверждение о строении вещества является одним из самых верных и значимых для изучения тепловых, электрических и квантовых явлений. Как же мы с вами можем сформулировать это утверждение.

Правильно. Все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул.

Ребята, возьмите, пожалуйста, лист №1 “Строение вещества” (Приложение1) . Ваша цель: в ходе урока заполнить данную таблицу. Записываем первое утверждение. Теперь подумаем, как это утверждение можно доказать. Есть два способа: прямое (слайд № 5) и экспериментальное (слайд № 6). Микроскопов не было в Древней Греции, нет и у нас с вами, да и не в каждой физической лаборатории есть такое оборудование, поэтому воспользуемся вторым способом доказательства существования молекул.

Я могу продемонстрировать следующий опыт: опыт с мензурками с небольшим объемом воды и стаканом с окрашенной водой. При переливании воды из стакана в мензурку № 1, из мензурки № 1 в мензурку 2, из мензурки № 2 в мензурку № 3. Наблюдаем, что в мензурках вода окрашивалась, хоть и не так ярко как в стакане.

А теперь посмотрите на то оборудование, которое у вас на парте, и подумайте, что из это оборудования вы могли бы использовать для доказательства первого утверждения. Подумали, обсудили в парах, проделали, записали в таблицу. (Сингал Релли Робин: учитель спрашивает у ученика, что ему сообщил его партнер по плечу)

Молодцы! Мир молекул уникален и удивителен. Вот еще один опыт (слайд № 7). В одну мензурку нальём 100 мл воды, а в другую – 100 мл подкрашенного спирта. Перельём жидкости из этих мензурок в третью (см. рисунок). Удивительно, но объём смеси получится не 200 мл, а меньше: 190 мл. Однако при этом масса смеси в точности равна сумме масс воды и спирта. /В опыте спирт можно заменить сахаром-рафинадом/

Почему же так происходит? (Действенные конструктивные вопросы)

Или воздушный шарик можно сжать без особого труда. Почему?

Между молекулами есть промежутки. Запишите в таблицу второе утверждение. Посмотрите на то оборудование, которое у вас на парте, и подумайте, что из это оборудования вы могли бы использовать для доказательства второго утверждения. Подумали, обсудили в парах, проделали, записали в таблицу.(Сингал Релли Робин: учитель спрашивает у ученика, что ему сообщил его партнер по плечу)

Вывод: все вещества состоят из молекул и между молекулами есть промежутки! Но, все тела мы видим сплошными. (слайд № 8) Дело в том, что молекулы настолько малы, что оптической силы глаза не достаточно для видения молекул. Поможет в определении размера молекул эксперимент. (слайд № 9) Размер молекулы масла d=1,6*10 -9 м=1,6 нм (нано метр).

Не смотря на свои столь малые размеры, молекулы состоят ещё из более мелких частиц – атомов. Например, наименьшая частица воды – молекула воды. (слайд № 10) Она состоит их трех атомов: двух атомов Н – водорода и одного атома О – кислорода. Ученые доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного вещества - одинаковы. Молекулы воды одинаковы (слайд № 11), молекулы углерода в графите и алмазе одинаковы (слайд № 12). На вопрос: почему отличаются свойства этих тел, мы ответим с вами на следующих наших уроках…

V. Первичная проверка понимания

У нас осталась последняя колонка таблицы не заполненная. Подумайте, что было бы, если бы не было молекул? Что было бы, если бы не было промежутков между молекулами? (Действенные фасильтирующие вопросы)

Подумали, обсудили в парах, записали в таблицу. (Сингал Релли Робин)

Ребята, встаньте, пожалуйста, кто полностью справились с этим заданием. (Тэйк – Оф – Тач Даун ). Спасибо!

VI. Физкультминутка: Клоунада

VII. Первичное закрепление новых знаний: Видео вопрос “Тепловое расширение твердого тела”http://class-fizika.narod.ru/vid.htm (слайд № 13 )

Просмотр видео с отключением звука. Ребятам предлагается ответить на вопросы: Что будет дальше? (видео останавливается на моменте нагревания шара); Прокомментируйте видеоролик. (Зум Ин)

Подумали, обсудили в парах. (Сингал Релли Робин: учитель спрашивает у ученика, что он сам думает, как он сам ответил)

VIII. Подведение итогов урока

Подведем итоги урока. Для этого выполним следующие задания: (Приложение 2) рефлексия учебных знаний. (слайд № 14-15)

Сегодня знания о молекулах вещества заложены в основу атомной и ядерной физики, давшие возможность развиваться нано технологиям.(слайд № 16 ) На следующих уроках мы продолжим изучать характеристики молекул и сможем ответить на вопросы: почему вода, водяной пар и лед (алмаз и графит) состоят из одинаковых молекул, но свойства имеют различные, почему распространяются запахи и окрашиваются жидкости. И сможем заполнить таблицу № 1 полностью.

Домашнее задание

Задание на дом: параграфы 7-8; вопросы;

Рефлексия

В ходе нашего урока вы показали себя наблюдательными экспериментаторами, способными не только подмечать вокруг себя все новое и интересное, но и самостоятельно проводить научное исследование.

Наш урок подошёл к концу. Давайте ответим на вопрос: “Что тебе понравилось на уроке?”. Рефлексия (Приложение 3) .

Класс встать! Смирно! До свидания товарищи кадеты!

Используемая литература

1. Фещенко Т.С., Чурилов В.И. Учимся работать по новым стандартам. Новое качество работы учителя – новые успехи ученика. // Физика. Все для учителя. – 2012. - №6.

6. Я. И. Перельман. Занимательная физика: книга 1. – М.: ООО “Издательство АСТ”, 2001.

7. А.В. Перышкин. Физика. 7 класс: Учебник для общеобразовательных заведений. – М.: “Дрофа”, 2008.

8. Классная физика для любознательных: http://class-fizika.narod.ru/ .

Просмотр содержимого презентации
«Презентация урока»

УГЛЕРОД - С

ГРАФИТ АЛМАЗ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ. 7 КЛАСС

С ВРЕМЕН ДРЕВНЕГО МИРА…

«Ничто не существует, кроме атомов и пустого пространства …» Демокрит

Прямое доказательство существования молекул:

наблюдение в микроскоп

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ

экспериментальное

Косвенное доказательство существования молекул: экспериментальное

… ДО НАНО ТЕХНОЛОГИЙ

Наноавтомобиль

,состоящий преимущественно из атомов углерода с включениями атомов азота и серы

УГЛЕРОД - C

ГРАФИТ АЛМАЗ

Косвенное доказательство существования молекул: экспериментальное

почти все тела расширяются при нагревании

СОСТАВЬТЕ КЛАСТЕР (СХЕМУ) СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА:

МОЛЕКУЛЫ

ТЕЛО

АТОМЫ

ВЕЩЕСТВО

• МОЛЕКУЛЫ ТЕЛО АТОМЫ ВЕЩЕСТВО

ТЕЛО

ВЕЩЕСТВО

МОЛЕКУЛЫ

АТОМЫ

НАЙДИ ОШИБКИ В ТЕКСТЕ:

• Надутый воздушный шарик внесли с мороза в теплое помещение и его объем при этом увеличился .
• При охлаждении медного шарика его объем уменьшился , так как уменьшаются расстояние между частицами , из которых состоит шарик.
• Молекулы духов во флаконе не отличаются от молекул духов в воздухе.
• В стакан чая опустили несколько кусочков сахара. После полного растворения сахара объем полученной смеси будет меньше суммы объемов чая и сахара.

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ – ПРЕДЕЛ ДЕЛИМОСТИ ВЕЩЕСТВА

Теория о молекулярном строении вещества – одно из самых значимых знаний, имеющихся у человечества

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/z/zont2.html

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/z/zont.html

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/m/mach.html

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/k/klo2.html

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/r/rom2.html

• http://www.nivagold.ru/raznoe1/cloun1/cloun.htm

• http://tovary.ru/images/goods.aspx?id=26438

• http://www.sozvezdie74.ru/Portals/0/Gallery/Album/9/21.jpg

• http://fantasyflash.ru/anime/index.php?kont=lines&n=1

• http://mywap.artemka.ru/mp3.pwml?view=abc&litera=72&isp=864

• http://www.lenagold.ru/fon/clipart/tc/tcvet/raz/tcvet22.jpgм

• Диск МР3 дорожка1 Dolli_song

Строение вещества. 7-й класс

Малиновская Наталья Васильевна , преподаватель физики

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

Тип урока: урок изучения нового материала

Цели урока:

Образовательные: изучить смысл понятий – вещество, простые вещества, сложные вещества, молекула (атом); изучить состав молекул (водород, кислород, вода).

Развивающие: развивать наблюдательность, грамотную речь, формировать умение делать выводы из наблюдений.

Воспитывающие: воспитывать интерес к изучению физики, трудолюбие на примере из жизни ученых

Оборудование : Приборы и материалы для демонстрационного и фронтального экспериментов: стакан с водой, 3 пустых стакана, стальной шарик, кольцо, спиртовка, акварельные краски, масло, стакан воды, воздушный шарик, колба с водой, пробкой и стеклянной трубкой, штатив,несколько моделей кристаллических решеток; для каждого ученика – салфетка, пузырек со спиртом (одеколоном), стакан с водой, крупинка марганцовки,5 маленьких сосудов, стакан с чистой водой, модели молекул воды,пространственные кристаллические решетки.

Ход урока.

I. Организационный момент –

приветствие, подготовка класса к уроку; мотивация учебной деятельности.

II. Проверка знаний по пройденным ранее темам

1 . - фронтальный опрос

Что называется «физическим телом»? (каждое из окружающих нас тел )

Что называют «веществом» в физике? (то, из чего состоят физические тела )

Что такое «явление»? (изменения, происходящие с физическими телами )

Приведите примеры тел, назовите вещество, из которого состоит тело (стакан –стекло)

- Назовите физические явления (плавление льда, листопад, гроза)

- Что характеризует температура? Каким прибором она измеряется? (степень нагретости тела, измеряется термометром).

III. Изучение нового материала (метод – беседа с постановкой проблемных вопросов).

Вступительное слово учителя.

В древности большинство людей принимало мифические представления о мире как реальность, не вызывающую сомнений. Но уже в YI веке до н.э. некоторые люди перестали верить в мифы и стали самостоятельно размышлять над вопросами об окружающем мире и искать на них ответы.

Человек с давних времен пытался объяснить все загадочное, с чем встречался.Наблюдая за природой, он стремился раскрыть ее тайны. Вы, конечно же, ежедневно сталкиваетесь с различными физическими явлениями и в большинстве случаев можете предсказать, как они закончатся.Попробуйте предсказать результат:

если бросить мяч вверх, то он через некоторое время…

если капнуть каплю краски в стакан с водой, то …

если нагреть лед, то …

Окружающие нас тела имеют определенные свойства: кирпич твердый, а пластилин мягкий. При нагревании лед тает, превращается в воду. Почему это происходит? Как обычно отвечают люди на вопросы о природе вещей? Это что? Это гвоздь. А он из чего сделан? Из железа. А железо из чего сделано? Железо – из жедеза, и все. Предположим, что вам необходимо сконструировать космический корабль, который совершит полет в космос.Что нужно знать для этого? (Свойства материалов, из которых он должен состоять). А какие знания необходимо иметь для создания материалов с заданными свойствами? (надо знать строение вещества) .

Составление схемы строения вещества:

ТЕЛО - ВЕЩЕСТВО - ???

Постановка проблемного вопроса - КАКОВО СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА?

Сообщение темы и цели урока.

Проведем несколько опытов.

1 опыт. Сожмем руками воздушный шар. Что с ним произошло? (он уменьшился в объеме). Объясните, почему? (воздух состоит из частиц, между ними есть промежутки).

2 опыт (фронтальный) – учащимся предлагается капнуть на лист салфетки каплю пахучей жидкости (спирт, одеколон) и понаблюдать за пятном на бумаге, а затем объяснить, куда исчезло пятно. (спирт состоит из частиц, которые покинули поверхность салфетки)

3 опыт - Возьмем металлический шарик и кольцо.Легко ли проходит металлический шарик сквозь кольцо? (да ). Подержим его в пламени спиртовки. Проходит ли теперь шарик сквозь кольцо? (нет ).

Почему? (при нагревании увеличился объем тела )

4 опыт. Колбу с водой закроем пробкой, в которую вставлена узкая стеклянная трубка. При нагревании воды в колбе уровень воды в трубке повышается, при охлаждении - понижается. На этом основан принцип действия обычного термометра для измерения температуры. В трубке термометра находится ртуть или спирт. Вывод: При нагревании жидкости расширяются.

5 опыт (результат будем заносить в рабочую тетрадь по физике, 7 кл стр. 11.- деление вещества на мельчайшие частицы). Растворим маленькую крупинку марганцовки в воде, налитой в стакан. Отольём немного окрашенной воды в другой стакан и дольём в него чистую воду. Что наблюдаем? (раствор окрашен слабее ). Повторим предыдущее действие несколько раз. Что теперь наблюдаем? (Раствор окрашен ещё слабее). Каков был размер крупинки марганца? (онамаленькая). Какое основное свойство сохранились в растворе (окраска ).Что вы можетесказать о размерах частиц марганца, которые находятся в воде? (Они малы).

Сделайте вывод о строении вещества… Вещество состоит из отдельных частиц.

Каковы размеры этих частиц? Частицы, из которых состоят вещества.очень маленькие. Каково количество частиц даже в внебольшом количестве вещества? Частиц в веществе очень много.

Название мельчайшей частицы вещества - молекула.

Какую частицу называют молекулой? Молекула – мельчайшая частица вещества .

Молекула - от лат “moles” - масса с уменьшительным суффиксом “cula” - массочка. Сам термин появился в 1647 г. (фр. ученый Пьер Гассенди).

Самая малая частица воды – молекула воды. Самая малая частица соли – молекула соли. Молекулы сохраняют основные свойства вещества. Молекула соли – солёная. Молекула зеленой краски – зеленая.

А как вы думаете, молекулы различных веществ одинаковы или нет? (нет)

Что вы можете сказать о молекулах одного и того же вещества?Лед, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул или нет? (да).

Почему? (Потому что это одно и то же вещество, но в разном виде).

Вывод: Молекулы разных веществ различны. Молекулы одного вещества одинаковы.

Каковы же размеры молекул? Известно, что из пшеницы получают муку. Капля масла, растекаясь по поверхности воды, может образовать плёнку, толщина которой в десятки тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Но в крупинке воды и в толще масляной плёнки содержится не одна, а много молекул. Значит, размеры молекул этих веществ ещё меньше, чем размеры крупинки муки и толщина плёнки. Давайте попробуем представить их размеры. Молекула во столько раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Можно ли увидеть молекулыс помощью наших органов зрения? (нет)

Почему? (их размеры очень малы).

Тем не менее, оказывается, есть частицы, из которых, в свою очередь, состоят и молекулы – они называются атомами.

Вывод: Молекулы состоят из атомов .

Завершение схемы строения вещества (записываем в тетрадь ):

ТЕЛО – ВЕЩЕСТВО – МОЛЕКУЛЫ – АТОМЫ - ??? (продолжение следует…)

В рабочих тетрадях по физике 7 кл, стр. 12 учащиеся выполняют задание № 2 «Допишите предложения» - самостоятельно, с последующей проверкой.

Сведения из истории : (возможно выступление учащегося с заранее подготовленным материалом). Древнегреческий ученый Демокрит впервые высказал гениальное предположение о том, что все тела состоят из мельчайших неделимых и неизменных частичек - атомов, которые находятся в движении и, взаимодействуя между собой, образуют все тела природы. Наблюдая различные природные явления, Демокрит пришел к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными, на самом же деле они состоят из мельчайших частиц, но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Демокрит предполагал, что у различных тел эти частицы различны по форме. Он назвал эти мельчайшие частички “атомами”, что по-гречески означает “неделимые”. Таким образом, древние ученые высказали многое из современных представлений о строении вещества. В ту пору их высказывания являлись, конечно, лишь гениальными догадками, основанными на наблюдениях, но не подтвержденными никакими экспериментальными фактами.

Ответьте на вопрос: Мы не видим молекулы или атомы. Тела нам представляются сплошными. Каким же образом было доказано их существование? (на основании опытов и наблюдений высказывались гипотезы) . Только наука XX в. предоставила многочисленные прямые доказательства существования атомов и молекул. Атомы можно увидеть в самые современные электронные и ионные микроскопы!

Атомы каждого вида принято обозначать специальными символами. Например: (записываем на доске и в тетрадях): “О – атом кислорода, H – атом водорода».

Молекулы также обозначаются специальными символами. Объяснение строения молекул воды с применением модели: рассмотрение моделей молекул воды.

- Атомов в природе чуть больше 100, но их комбинации создают различные вещества, которое окружают нас. В природе 88 атомов, остальные получены в лабораториях. Существуют молекулы-гиганты, в которых содержатся тысячи и сотни тысяч атомов. Это молекулы полимеров. При помощи шариков можно конструировать модели молекул.

- М.В. Ломоносов (1711-1765) - великий просветитель и основатель науки в России,который своим титаническим трудом сделал очень много открытий во многих областях науки, писал, что молекула может быть однородной и разнородной.

Если какое-либо вещество состоит из одинаковых молекул, то его называют простым. Если вещество состоит из молекул, построенных из различных атомов, его называют сложным . Есть тела, молекулы которых состоят из одного атома (алмаз, графит), существуют молекулы, состоящие из двух атомов. Например: О 2 – молекула кислорода. Она состоит из 2-х атомов кислорода. Н 2 – молекула водорода. Она состоит из 2-х атомов водорода. Н 2 О – молекула воды. Она состоит из 2-х атомов водорода и одного атома кислорода. . Вместе с тем существуют молекулы-гиганты, в которых содержатся тысячи и сотни тысяч атомов. Это молекулы полимеров. При помощи шариков можно конструировать модели молекул. (Демонстрация пространственных кристаллических решеток).

В современном мире с использованием новейшего оборудования изучены свойства таких молекул-гигантов, из которых состоит вещество «фуллерен».Дополнительный материал: фуллерены - это совершенно новый тип молекулярной формы углерода. Учащийся может заранее подготовить небольшое сообщение с информацией об истории открытия фуллеренов, их структурных, физических и химических свойствах, а также области их применения.

Как вы считаете – атомы – это самые мельчайшие частицы вещества? (мнения могут разделиться, тогда учитель сам сообщает о строении атома). Существуют ещё более мелкие частицы (протоны, нейтроны, электроны), о которых вы узнаете в 8 классе.

Итог этапа изучения нового материала - с какими новыми понятиями вы сегодня встретились на уроке?

IV. Закрепление изученного(фронтальный опрос).

Из чего состоит вещество? (вещество состоит из частиц)

Почему частицы, из которых состоит вещество, нельзя наблюдать невооруженным глазом?, (они очень маленькие)

Что вы знаете о количестве частиц, составляющих вещество? (их очень много).

Что происходит с телами при их нагревании? При охлаждении? (при нагревании тела расширяются, при охлаждении – сжимаются)

Объясните эти утверждения с точки зрения внутреннего строения вещества.

Приведите примеры из своего жизненного опыта, доказывающие эти утверждение (учащиеся приводят примеры из своего опыта).

Выполнение заданий из сборника задач по физике, В.И. Лукашик №№ 40, 43, 44, 45, 49, 50 – устно- решение качественных задач.

V. Проверка усвоения изученного материала.

Кратковременная самостоятельная работа (с последующей самопроверкой и выставлением оценки за работу

5 верных ответов – оценка «5»

4 верных ответа – оценка «4»

3 верных ответа – оценка «3»

если 2 или 1 верный ответ –необходимо повторить изученный материал

Поставить на листочках с выданными заданиями «+», если ответ «да», «-», если ответ «нет».

I вариант

Вещество состоит из маленьких частиц, которые можно увидеть - (нет).

Молекулы холодной и горячей воды различны - (нет).

При нагревании вещества промежутки между его частицами увеличиваются + (да).

Атомы состоят из молекул - (нет).

Молекула водорода состоит из двух атомов водорода + (да)

II вариант

Объем тела при нагревании уменьшается - (нет).

При сжатии газа уменьшаются размеры молекул - (нет).

Молекулы водяного пара отличаются от молекул воды - (нет).

Молекулы состоят из атомов + (да).

Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода + (да)

V. Домашнее задание (с комментарием, дифференцированное)

Для всех - Изучить параграфы 7, 8, ответить на вопросы.

Для желающих - Изготовить модель молекулы воды

Провести опыт с каплей масла (лучше машинного) по определению размеров молекулы масла,

Написать мини-сочинение «В мире молекул».

VI. Итог урока.

Рефлексия (что было непонятно, что понравилось на уроке, что не понравилось?)

Выставление оценок за урок.

Литература:

Кабардин О.Ф. История развития физики и развитие представлений о мире: элективный курс: 10-11 класс: учеб.пособие / О.Ф.Кабардин. – М., Астрель: Транзиткнига, 2005. – 318, с,:ил.

Рабочая тетрадь по физике: 7 класс: к учебнику А. В. Пёрышкина «Физика 7 класс»/ Р. Д. Минькова, В. В. Иванова.-2-е изд., стереотип. – М.: Издательство «Экзамен», 2010. – 142, с.

Сборник задач по физике: 7-9 кл.: к учебникам А. В. Пёрышкина и др. «Физика. 7 класс», «Физика. 8 класс», «Физика. 9 класс»/ А. В. Пёрышкин; Сост. Н. В. Филонович.-5-е изд., стереотип. – М.: Издательство «Экзамен», 2010. – 190,

Сборник задач по физике. 7-9 классы: пособие для учащихся общеобразоват. учреждений / В. И. Лукашик, Е. В. Иванова. – 24-е изд. – М.: Просвещение, 2010. – 240 с.: ил.

Универсальные поурочные разработки по физике: 7 класс. – 2-е изд.,перераб. И доп. – М.: ВАКО, 2010. – 304 с. – (В помощь школьному учителю).

Физика. 7 кл.: учеб.для общеобразоват. учреждений/А. В. Пёрышкин. – 14-е изд., стереотип. – М. Дрофа, 2010. – 192 с.:ил.