Взаимное притяжение и отталкивание молекул. Аллотропия

Мы уже знаем, что молекула и атомы — наименьшие частицы, составляющие то или иного вещества. Однако, иметь знания о составляющих вещество молекулах недостаточно, чтобы описать его свойства. Например, пар и лед состоят из одинаковых молекул воды, но свойства у них отличаются (рисунок 1).

Вспомните конструктор «Лего». Мы высыпаем из коробки просто кучу деталей, которые можно собрать и построить дом или автомобиль, в зависимости от того, каким образом одни и те же детали будут нами соединены.

Аналогично обстоит дело и с веществом. Чтобы его описать, необходимо не только знать атомный и молекулярный состав, но и способы соединения частиц, а также их взаимодействия.

Аллотропия

Аллотропия — это свойство разных простых веществ состоять из одинаковых частиц.

Сами вещества, обладающие таким свойством, называются аллотропными модификациями.

Самым большим количеством аллотропных модификаций обладает углерод (рисунок 2). Его атом получил свое название от вещества, состоящего из атомов угля.

Из таких же самых атомов состоят сажа, графит и алмаз. Просто атомы в них по-другому расположены и по-другому взаимодействуют. Поэтому, их свойства сильно отличаются: из твердого алмаза делают режущие инструменты, а из мягкого графита — стержни для карандашей.

{"questions":[{"content":"Аллотропия – это свойство, характерное для[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["простых веществ","сложных веществ","всех веществ"],"answer":[0]}}}]}

Взаимное притяжение молекул

Если же все молекулы находятся в беспрерывном движении, почему твердые и жидкие тела не распадаются? Значит, молекулы как-то взаимодействуют между собой, взаимно притягиваются друг к другу.

Но, если вы сломаете карандаш, он же не склеится обратно? Из этого можно сделать простой вывод: притяжение между молекулами действует только на очень коротком расстоянии. Притяжение между молекулами разных тел неодинаково, что объясняется различной прочностью. 

Рассмотрим следующий опыт. Если у двух цилиндров идеально ровно срезать поверхности и прижать их друг к другу, вам удастся разорвать их только при большой нагрузке (рисунок 3).

Заметим, что притяжение между молекулами становится заметным, когда расстояние между ними не превышает размеров самих молекул.

Если мы попытаемся таким же образом соединить осколки стекла, то из-за неровностей у нас ничего не выйдет – расстояние между молекулами окажется слишком велико. Но если нагреть куски стекла, то стекло станет возможно починить. На том же принципе происходит соединение кусков металла при сварке или пайке.

Но почему тогда между молекулами существуют промежутки? По логике вещей, они должны намертво слипнуться. Но этого не происходит, поскольку между молекулами (атомами) в то же время существуют силы отталкивания.

Когда заметнее проявляется отталкивание, а когда притяжение между молекулами?

На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении – отталкивание (рисунок 4).

{"questions":[{"content":"Молекулы притягиваются друг к другу, если расстояние между ними[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["сравнимо с размерами самих молекул","намного больше размеров молекул","намного меньше размеров молекул"],"answer":[0]}}}]}

Взаимное отталкивание молекул

Рассмотрим примеры, подтверждающие существование отталкивания между молекулами.

Если вы несильно скомкаете лист бумаги, постепенно он начнет расправляться. При сжатии молекулы оказались настолько близко друг к другу, что начало проявляться отталкивание.

Другие явление связаны со смачиванием твердого тела жидкостью. Взгляните на рисунок 5.

На пружине с помощью нитей закреплена стеклянная пластина, ее подносят к емкости с водой так, чтобы она легла на поверхность жидкости.

Когда мы пытаемся оторвать платину от поверхности воды, пружина заметно растягивается. Это доказывает существование притяжения между молекулами.

К тому же, мы можем заметить, что стеклянная пластина теперь покрыта тонким слоем воды. Это означает, что разрыв произошел там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом, а не с поверхностью стекла.

{"questions":[{"content":"Самостоятельное расправление скомканного листа бумаги – это пример[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["взаимного отталкивания молекул","взаимного притяжения молекул","обратной диффузии","диффузии"],"answer":[0]}}}]}

Смачиваемость и несмачиваемость

Какое явление, наблюдаемое в природе, основано на притяжении молекул твердого тела и жидкости?
Это и есть явление смачивания.

Благодаря этому явлению мы можем совершать многие бытовые действия. Например, вытирать мокрые предметы, стирать белье, писать ручкой на бумаге.

Но с другой стороны, вода может и не смачивать тела (парафин/воск/жир). Это означает, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к молекулам твердого тела. Такое явление называют несмачиваемостью. Благодаря ему мы можем во время дождя ходить под зонтом или в непромокаемом плаще и оставаться сухими.

У водоплавающих птиц перья и пух остаются сухими. Какое явление здесь наблюдается?

Это как раз яркий пример явления несмачиваемости. У водоплавающих птиц есть специальные железы, вырабатывающие жир. Когда мы видим, как такие птицы чистят перья, на самом деле они смазывают их этим жиром. Так перья не намокают, и птица может легко держаться на воде и не замерзать.

{"questions":[{"content":"Вода смачивает[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["кожу","дерево","парафин","воск","стекло"],"answer":[0,1,4]}}}]}

Задания

Эти листы не слипнутся между собой. Мы будем наблюдать пример несмачивания, ведь вода не смачивает жирные поверхности. Это означает, что молекулы воды притягиваются друг к другу намного сильнее, чем при взаимодействии с молекулами масла.

Обратите внимание, что если мы положим мыло на сухую тарелку, то поднять ее мы не сможем. В нашем же случае наблюдается эффект смачивания. Дополнительно мы еще и придавили мыло к тарелке. Расстояние между молекулами воды на тарелке и мыла стало сравнимо с расстоянием молекул в веществе. Их взаимное притяжение позволяет теперь поднять тарелку вместе с мылом.