Строение и превращение веществ

Молекулярное строение вещества

Является ли вещество сплошным или в нем есть промежутки? Для решения этого вопроса вспомним некоторые факты из физики, относящиеся к газам. Очень важен из них тот, что всякий газ может быть сжат в весьма сильной степени. Нажимая поршнем на находящийся в цилиндре газ, мы можем уменьшить его объем во много раз. В приборах, выдерживающих сильное давление, можно сжать кислород до объема, в 200 раз меньшего, чем объем, занимаемый этим самым количеством газа при нормальных условиях.
Когда сжимаем газ, количество его остается неизменным, т.к. выхода для газа нигде нет. Вместе с тем мы видим, что объем, занимаемый газом, при этом все время уменьшается. Куда же девается газ при сжатии? Где умещается, например, тот газ, который до сжатия занимал объем аб (рис. 1)?

Ясно, что эта часть газа при сжатии была как бы вдавлена в ту часть газа, которая занимала объем бв. Но тогда это указывает, что газ не сплошь заполняет занимаемое им пространство, что в нем существуют какие-то промежутки, в которых могут расположиться частицы такого же или другого газа. Промежутки между частицами газов особенно ясно обнаруживаются при диффузии газов. Мы знаем, что пары брома проникают в находящийся над ними воздух, совершенно равномерно окрашивая его. Это указывает на то, что пустые промежутки находятся не в каком-либо одном месте газа, а распределены равномерно по всей его массе.
Если в газе имеются промежутки между частицами, то, очевидно, эти частицы отделены друг от друга. Далее, из того, что газ может быть очень сильно сжат, мы заключаем, что сами частицы занимают очень незначительный объем по сравнению со всем объемом, занятым газом.
Если существование промежутков в газах, отделяющих их частицы друг от друга, не вызывает у нас сомнений, то может показаться странным утверждение, что такого рода промежутки существуют также в жидких и твердых веществах. А это действительно так. Доказательством может прежде всего служить способность таких веществ сжиматься и расширяться. В приборе, изображенном на рис. 2, можно проверить способность жидких веществ к сжатию и расширению.

В пробирку до самого края наливают одну из жидкостей — спирт или керосин. Затем закрывают пробкой с трубочкой так, чтобы вся пробирка осталась заполненной жидкостью и часть ее вошла в трубочку. При помощи каучукового колечка отмечают уровень жидкости в трубочке, помещают пробирку в охладительную смесь или в ледяную воду. Очень скоро можно заметить, что жидкость, охлаждаясь, уменьшается в объеме.
Рассуждая здесь, как и в случае газов, мы приходим к убеждению, что и в жидкостях есть промежутки, не заполненные веществами. Точно так же и диффузия веществ в жидкости служит доказательством этого. Ясно, что одно вещество может проникнуть в другое лишь в том случае, если последнее не является сплошным. Если бы вещество было сплошным, не имело бы промежутков, то другое вещество не могло бы в нем поместиться, ибо одно и то же пространство не могут занимать одновременно два тела.
Уже на основании того, что такие вещества, как перманганат калия и медный купорос, равномерно распределяются в воде, мы можем утверждать, что и твердые вещества построены из отдельных частичек, которые и располагаются между частицами воды.
Есть и другие подтверждающие это данные. Но нам придется здесь ограничиться только лишь описанием соответствующих опытов, т. к. проделать их не представляется возможным.
Опыты эти заключались в том, что два куска различных металлов, например золота и свинца, плотно прижимали друг к другу. Когда через несколько лет исследовали эти куски, то оказалось, что частицы золота проникли в глубь свинца на 5 мм и свинец проник в золото. Процесс проникновения частиц одного металла в другой идет медленно при обычной температуре, но его можно значительно ускорить, повышая температуру.
Вот еще один интересный факт, доказывающий, что и твердое вещество состоит из отдельных частиц.
Во второй половине XVII в. в Италии флорентийские ученые, желая выяснить вопрос, сжимается ли вода, поставили следующий опыт: они наполнили серебряный шар водой, герметически его закрыли и били по нему молотком. Если, рассуждали они, вода сжимается, то в шаре должны появиться вмятины, если же их не будет, значит, вода несжимаема. Серебряный шар получил вмятину (но не трещины), но вопрос о сжимаемости воды все же не был решен этими учеными, т. к. было обнаружено совершенно неожиданное для того времени явление: вода выступила через серебряные стенки шара наружу. Соответственно обнаружилось существование промежутков между частицами серебра.
На основании ряда различных опытов было доказано, что вещества состоят из частиц, отделенных друг от друга промежутками. Пользуясь этими же опытами, можно убедиться в том, что эти частицы не находятся в покое, а все время движутся.
Если, к примеру, поднять поршень цилиндра, в котором находится газ, то мы не получим под поршнем пустого пространства, т. к. газ будет расширяться по мере движения поршня вверх и освободившийся объем будет тотчас же заполняться находящимся в цилиндре газом. Способность газа или пара расширяться не имеет предела: если мы откроем цилиндр, то газ распространится по всему окружающему пространству, поэтому нельзя хранить газы в открытых сосудах, даже если они тяжелее воздуха.
Испарение веществ может служить указанием, что движутся не только частицы газообразных, но и жидких и твердых веществ. Если поместить в одном месте какое-нибудь пахучее вещество — жидкое (например, керосин) или твердое (например, нафталин), то запах распространится на значительное расстояние. Это указывает на то, что частички вещества рассеялись в воздухе и, попадая вместе с воздухом на слизистую оболочку носа, вызывают ощущение запаха. Наконец, в качестве доказательства движения частиц твердого вещества может служить уже описанный нами опыт с золотом и свинцом.
Рассматривая воду, мы не видим отдельных ее частиц и промежутков между ними. Быть может, легко увидеть эти частицы при рассмотрении капли воды в микроскоп? Оказывается, что при рассмотрении воды даже в самый сильный микроскоп в ней нельзя обнаружить ни отдельных частиц, ни их движения. Точно так же при рассмотрении в микроскоп капли раствора, например поваренной соли в воде, мы не увидим частиц соли. Но в их присутствии в воде можно легко убедиться, попробовав каплю раствора на язык. Вообще утверждать, что частичек нет, только потому, что мы их не видим даже в самый сильный микроскоп, нельзя, ибо отнюдь не обязательно видеть, чтобы быть уверенным в присутствии чего-нибудь. Можно обнаружить присутствие многих веществ и другими способами. По запаху, например, обнаруживают вещество меркаптан, если в воздухе его находится всего лишь стомиллионная часть миллиграмма.
Не видя отдельных частиц воды, нельзя видеть и их движения. Если, например, смотреть на лес издалека, то он кажется сплошной массой, в которой не отличишь отдельных деревьев. В лесу может свирепствовать сильная буря, но для далеких наблюдателей этот лесной массив будет казаться неподвижным. Издалека может казаться также и море спокойным, однако в нем все время передвигаются большие массы воды. Но если на поверхности моря находится корабль, то это движение воды издалека обнаруживается. Подобно этому и различные вещества, например вода, нам кажутся при рассмотрении в микроскоп сплошными и спокойными. В действительности же вода, конечно, не сплошная. Частицы ее движутся, но в микроскоп это движение незаметно, ибо сами частицы настолько малы, что даже при сильном увеличении их нельзя заметить. Если же поместить на воду своего рода кораблик, можно убедиться, что наше микроскопическое «море» неспокойно: частицы воды все время движутся.
Если рассматривать в сильный микроскоп каплю воды (или другой жидкости), в которой взвешено какое-нибудь нерастворимое в ней вещество, например гуммигут (это сгущенный млечный сок, получаемый из надрезов в коре некоторых деревьев, растущих на Цейлоне), то глазу представляется удивительное зрелище, напоминающее движение пылинок в солнечном луче, проникшем через узкое отверстие в темную комнату.
Огромное количество шариков гуммигута, видимых в микроскоп, находится в непрерывном, беспорядочном движении. Они вращаются около своей оси, подпрыгивают и перемещаются зигзагами. Под очень сильным микроскопом можно проследить и зарисовать путь какого-нибудь шарика. Можно было бы предположить, что это движение происходит от незаметного сотрясения сосуда или, например, оттого, что вода неравномерно нагрета, и поэтому холодные слои ее, падая вниз, а теплые, поднимаясь вверх, увлекают за собой шарики. Однако это явление можно наблюдать всегда и всюду — в подвале, куда не доходят никакие сотрясения, или ночью, когда уличное движение незначительно. Точными опытами установлено также, что причинами этого движения не являются одностороннее нагревание, освещение и т. п.
Самое удивительное в этом движении – оно никогда не прекращается. Названо оно броуновским по имени ботаника Роберта Броуна, который впервые в 1827 г. наблюдал его.
Что же вызывает это причудливое движение шариков гуммигута? Обусловлено оно непрерывным движением частиц жидкости (воды), которые, налетая на шарик гуммигута, отбрасывают его в сторону, но здесь на него налетают другие частицы, которые отбрасывают его в другом направлении и т.д. Под действием этих ударов шарики и совершают свои зигзагообразные движения. Эти удары можно сравнить с ударами небольших морских волн о корабль. Так, стоя на расстоянии, не различишь самих волн, но будешь судить о волнении по качке корабля.
Наименьшая частица любого вещества (простого или сложного), обладающая его основными химическими свойствами, называется молекулой. Таким образом, мы узнали, что все вещества состоят из молекул, отделенных друг от друга промежутками, и молекулы веществ находятся в непрерывном движении.
К этому нужно прибавить еще следующее. Из того, что разные вещества наряду с одинаковыми свойствами обладают и различными свойствами, следует, что молекулы разных веществ различны. С другой стороны, из того, что различные образцы одного и того же вещества обладают одинаковыми свойствами, можно прийти к заключению, что молекулы, составляющие это вещество, одинаковы.
Несмотря на то, что молекулы чрезвычайно малы, удалось целым рядом способов – конечно, не непосредственными измерениями и взвешиванием – определить размеры молекул, их массу и количество в единице объема. Один из способов основан на изучении броуновского движения. Способы эти слишком сложны, чтобы можно было их здесь рассмотреть, поэтому ограничимся только указанием полученных результатов.
· Диаметр молекулы воды составляет всего лишь около одной стомиллионной доли сантиметра.
· Масса молекулы воды равна всего лишь

· Следовательно, в 1 см³ воды (примерно полнаперстка) содержится 3•10²³ молекул.
Нашему воображению трудно представить себе такие, с одной стороны, малые, с другой — огромные величины. Чтобы получить более наглядное представление, прибегнем к некоторым сравнениям.
Предположим, что наша Земля со всеми находящимися на ней телами увеличилась в 1 000 000 раз. Тогда муха превратилась бы в гигантское животное длиной 8 км, а молекула равнялась бы по величине приблизительно точке типографского шрифта. Например, мы хотим сосчитать молекулы в 1 см³ воды, и нам удалось отсчитать в одну секунду 1 000 000 000 штук. Нам пришлось бы тогда безостановочно считать в течение 3 000 000 лет.

П.А.КОШЕЛЬ