Текст книги "Рассказ о строении вещества"
Автор книги: Владимир Мезенцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 10 страниц)
IV. В ПОИСКАХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
1. Теория приходит на помощь
Почему при сжатии воздуха увеличивается его давление? Чем объяснить, что с уменьшением давления воздух расширяется? Говоря короче, в чём секрет упругости этого газообразного тела?
На эти вопросы современники Ломоносова давали такой ответ: в воздухе находится особая «материя упругости», она и расталкивает частички воздуха в разные стороны.
Такой маловразумительный, хотя и «учёный», ответ не удовлетворял великого учёного.
В самом деле, ну, а что же в таком случае представляет собой эта таинственная упругая материя? Об этом никто ничего не знал. Ломоносов начинает искать другое, правильное объяснение «упругой силы» воздуха. И на этот раз его могучим союзником является атомная теория.
«Мы считаем излишним, – пишет М. В. Ломоносов, – призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие – по обычаю века, изобилующего тонкими материями – применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».
Ломоносов считает, что упругая сила воздуха происходит от «непосредственного взаимодействия» его атомов.
Вот как рассуждает учёный. Воздух, как и все тела природы, состоит из огромного числа невидимых частичек-молекул. Молекулы эти находятся в постоянном движении. Двигаясь в самых различных направлениях, молекулы воздуха постоянно сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, но тут же вновь и вновь налетают друг на друга. Результатом этого является то, что движение молекул газа получается совершенно беспорядочным. Молекулы как бы стремятся разлететься в разные стороны.
«…отдельные атомы воздуха, – пишет М. В. Ломоносов, – взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками они стремятся рассеяться во все стороны».
И вот, если мы помещаем какое-то количество воздуха в закрытый сосуд, то его стремящиеся разлететься молекулы будут беспрерывно с силой ударяться о стенки сосуда. Эти удары, настолько частые, что мы не можем различить их в отдельности, и создают давление.
Ну, а что же происходит с движением молекул при сжатии газа? Сжимая воздух, то-есть уменьшая его объём, мы тем самым уменьшаем промежутки между его отдельными частичками-молекулами. Молекулам остаётся меньше свободного места для движения. Столкновения частиц учащаются, и в каждую секунду о стенки сосуда ударяется большее количество молекул. Давление газа возрастает.
Так великий русский учёный, приняв атомные представления как рабочую гипотезу, просто и убедительно объяснил природу упругой силы газов. Это было в 1745 году.
Давая истинное объяснение теплоты, о котором мы рассказывали в первой главе, М. В. Ломоносов также исходит из атомных представлений о строении вещества. В самом деле, он говорит, что «теплота состоит во внутреннем движении материи», а внутреннее движение материи – это такое движение, при котором имеется «…перемена места мельчайших частичек материи». Иными словами, теплота характеризуется движением атомов и молекул. Мы не замечаем этого движения «вследствие малости частичек».
«Открытие, что теплота представляет собой некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке», – писал позднее Ф. Энгельс.
Ломоносов с гениальной прозорливостью наметил пути развития атомно-молекулярной теории на многие десятилетия вперед.
Спустя полвека после Ломоносова, когда был открыт важный закон химии – закон кратных отношений, – атомная теория получила новое убедительное подтверждение.
О чём говорит этот закон?
А вот о чём. Вспомните закон постоянства состава. Согласно этому закону химическое соединение двух простых тел осуществляется всегда одинаково – на определённое весовое количество одного элемента приходится также определённое количество другого элемента. В качестве простого примера этого приводилась вода; в ней 88,9 весовой части кислорода соединяются точно с 11,1 части водорода. Всякое другое соединение кислорода и водорода воды уже не даёт. Однако другие соотношения возможны. Так, и у кислорода с водородом существует другое соединение, уже упоминавшееся нами, – перекись водорода. И вот, естественно, возникает такой вопрос: скажем, мы имеем два простых тела – газы азот и кислород. Они, как и многие другие элементы, дают между собой не одно химическое соединение, а несколько. Известны, например, закись азота, окись азота, азотистый ангидрид и другие соединения азота с кислородом. Есть ли какая-нибудь связь между этими соединениями двух одинаковых элементов или нет? Вот на этот вопрос и был дан ответ в первой четверти XIX столетия.
Почему в разных химических соединениях каких-либо двух элементов содержится разное по весу количество этих элементов? Теперь уже не было никаких сомнений в том, что причину этого надо искать в атомной природе вещества. Когда два простых тела соединяются друг с другом в разных соотношениях, это означает, что соединяется в молекулы неодинаковое число их неделимых и имеющих равный вес атомов. Но каждый из этих двух элементов состоит из атомов, отличных друг от друга как по величине, так и по массе. Значит, и в молекулах химического соединения (то-есть в самом химическом соединении) входящие в них атомы будут неодинаковы по весу – одни легче, другие тяжелее. Возьмите, например, окись азота, молекулы которой состоят из одного атома кислорода и одного атома азота. В ней на 46,7 весовой части азота приходится 53,3 части кислорода. Это означает, что атомы кислорода, содержащиеся в окиси азота, тяжелее атомов азота, входящих в это соединение, в 1,14 раза.
Ну, а если два элемента дают между собой несколько различных химических соединений, тогда как?
Очевидно, что различие этих соединений заключается в том, что атомы двух элементов соединяются как-то иначе. Если, скажем, в первом случае один атом азота соединяется с одним же атомом кислорода, то ведь можно ожидать и другого – с одним атомом азота могут соединяться два или три атома кислорода; или, наоборот, к двум атомам азота может присоединяться один атом кислорода. Или, может быть, два атома азота соединятся с тремя атомами кислорода и т. д. Только так могут образовываться молекулы сложных соединений, только из целых атомов, а не из половинок или четвертушек их строятся молекулы.
Отсюда следует, что, сколько бы ни возникало различных химических соединений двух элементов, во всех этих соединениях весовые количества одного элемента, приходящиеся на одну весовую часть другого, должны относиться между собою, как простые целые кратные числа – 1, 2, 3 и т. д. Ведь соединяются-то друг с другом только целые атомы.
И учёный Дальтон так формулирует закон: когда два каких-либо элемента образуют между собой несколько различных химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, то-есть относятся друг к другу, как целые числа.
Следует отметить, что, конкретизируя некоторые положения атомного учения, Дальтон не поднимался, однако, до уровня идей ломоносовского учения об атомах и молекулах в целом. Так, он отрывал движение от вещества, что было шагом назад в сравнении с гениальной идеей Ломоносова о неразрывности материи и движения.
Дальтон проверил закон кратных отношений на газообразных соединениях. Сперва учёный взял для испытания два газа – болотный газ, или метан, и маслородный газ (последний теперь называют этиленом). Оба этих газа представляют собой соединение двух элементов – углерода и водорода. И вот оказалось, что на одно и то же количество углерода водорода приходится в болотном газе ровно вдвое больше, чем в маслородном.
Точно так же в различных соединениях кислорода с азотом на одно и то же количество последнего приходится кислорода ровно в два, три и т. д. раза больше, чем в том соединении, где кислорода наименьший процент. На одну весовую часть азота приходится кислорода: в одном соединении – 0,57 части, в другом – 1,14 части, в третьем – 1,71 части и т. д. Другими словами, эти содержания кислорода относятся друг к другу, как простые целые числа: 0,57 относится к 1,14, как 1 к 2, к 1,71 как 1 к 3 и т. д.
После опубликования этих работ атомно-молекулярная теория получила широкое признание.
По примеру великого русского ученого М. В. Ломоносова, ею стал пользоваться в своей работе почти каждый учёный. И каждое новое открытие, каждый новый факт в физике и химии тут же находил своё объяснение с точки зрения этой теории.
Но в то время ещё не существовало прямых доказательств существования молекул и атомов. Неясно было, сколько различных видов частиц имеется кругом нас. Как они выглядят? Каким образом из них строятся различные тела?
Это давало возможность идеалистам не признавать реальности атомов и молекул, называть их «плодом человеческого воображения».
Перед учёными возникла новая задача – доказать, что атомы и молекулы реально существуют.
2. В вечном движении
Как же можно доказать реальность существования атомов и молекул?
Увидеть эти частички непосредственно очень трудно – они слишком малы. Однако в настоящее время в распоряжении учёных имеется много других, совершенно достоверных доказательств существования атомов и молекул. Существование этих частичек доказывается при помощи различных специальных приборов и опытов.
Раньше, в главе III, мы уже приводили некоторые косвенные доказательства существования атомов. Здесь мы расскажем ещё о нескольких простейших опытах, подтверждающих существование невидимых частичек вещества.
Однажды был проведён такой опыт. На отполированную свинцовую пластинку была положена и прижата к ней пластинка золота. Спустя несколько месяцев пластинки спаялись. Когда пластинки разрезали поперёк, то обнаружили, что в золоте на глубине до 1 миллиметра находятся мельчайшие частички свинца, а в свинце – частички золота.
Такое проникновение одного вещества в другое обычно называют диффузией.
Чем же можно объяснить диффузию мельчайших частичек золота и свинца в описанном опыте? Только одним – «зернистым» строением этих металлов. Отдельные атомы золота, находясь в движении, пробиваются между атомами свинца вниз; в свою очередь часть атомов свинца проникает между атомами золота вверх.
Диффузия частичек вещества наблюдается и среди жидкостей и среди газов.
Возьмите полстакана крепкого раствора медного купороса и влейте туда осторожно по стенке при помощи палочки немного чистой воды. Вода легче раствора купороса, поэтому она расположится отдельным слоем поверх него. Оставьте этот стакан в покое на длительное время и посмотрите, что произойдет со слоями воды и медного купороса.
Оба слоя обязательно перемешаются без каких-либо видимых причин.
В школах часто проделывают такой опыт. Толстостенный стакан с отшлифованными краями заполняют углекислым газом, который, как известно, значительно тяжелее воздуха. Затем сверху закрывают этот стакан другим, наполненным воздухом, и, не трогая с места оба стакана, оставляют их в покое на некоторое время.
Если после этого проверить содержимое обоих стаканов, то окажется, что тяжёлый углекислый газ проник из нижнего стакана в верхний, а более лёгкий воздух частично перешёл в нижний стакан и перемешался с углекислым газом.
Как можно объяснить оба последних примера с диффузией жидкостей и газов? Тем же самым. Молекулы углекислого газа и медного купороса пробиваются между молекулами воздуха и воды вверх; в то же время отдельные молекулы воздуха и воды проталкиваются между частичками углекислого газа и купороса вниз.
Диффузия жидкостей и газов наблюдается и в тех случаях, когда их разделяют какие-либо пористые перегородки. Так, если налить тот же медный купорос в свиной пузырь, крепко завязать его и опустить в банку с водой, то спустя некоторое время вода в банке окрасится – молекулы купороса проникнут через поры пузыря наружу в чистую воду.
Интересный опыт доказательства существования невидимых частичек вещества был произведён одним физиком. Он брал толстостенный стальной цилиндр, наполнял его маслом и сжимал масло под огромным давлением в несколько тысяч атмосфер. При этом, хотя сталь и не пористое тело, масло просачивалось через стенки цилиндра!
Все эти опыты говорят нам о том, что все окружающие нас тела действительно состоят из атомов и молекул.
Но какими силами удерживаются вместе эти отдельные невидимые частички твёрдых и жидких тел? Они удерживаются особыми так называемыми «силами сцепления». Именно этими силами и объясняется то, что для разрушения какого-либо твёрдого тела мы всегда должны затрачивать какую-то работу – эта работа необходима для преодоления сил сцепления отдельных частичек тела.
Лишь в телах газообразных отдельные частички совсем не связаны друг с другом. Поэтому любой газ всегда сам стремится распространиться, разлететься в разные стороны.
Говоря о реальном существовании атомов и молекул, нельзя не упомянуть об их неотъемлемом свойстве. Это свойство с совершенной очевидностью подтверждается многими из тех опытов, которые доказывают и самое существование невидимых частиц вещества.
Речь идёт о движении молекул. Вспомните хотя бы опыты с диффузией в газах, жидкостях и твёрдых телах.
Или всем известное явление переноса запахов на расстояние. О чём ещё говорят, кроме самого факта существования мельчайших частичек, эти опыты?
О постоянном, непрерывном движении молекул.
В самом деле, чем можно объяснить тот факт, что более тяжёлые молекулы углекислого газа и медного купороса поднимаются кверху и перемешиваются там с более лёгкими частицами воды и воздуха? Это можно объяснить только одним – непрерывным движением этих молекул.
Только движением молекул можно объяснить и диффузию в твёрдых телах и явление пахучести отдельных веществ.
Очевидно, что проникнуть на большое расстояние внутрь твёрдого вещества или оторваться, преодолевая силы сцепления, от поверхности какого-то твёрдого тела могут только частички, находящиеся в состоянии постоянного движения.
Впервые о движении мельчайших материальных частичек вещества совершенно чётко и подробно сказал наш великий Ломоносов, – вспомните его объяснение давления в газах!
Вот что сейчас известно учёным о движении молекул.
Как вы знаете, любое тело может находиться в трёх состояниях – в твёрдом, жидком и газообразном. Во всех этих трёх случаях движение молекул тел различно. Если это газ, то молекулы его находятся в совершенно беспорядочном движении; они стремятся разлететься в разные стороны и беспрерывно сталкиваются друг с другом. Именно поэтому газ не имеет определённой формы и не занимает определённого объёма; одно и то же количество газа может занимать сколь-угодно большой объём.
Если это жидкость, молекулы её также движутся в самых различных направлениях, сталкиваются друг с другом каждое мгновение; но здесь каждая отдельная молекула уже не может совсем оторваться от других: молекулы слишком близко находятся друг около друга, и между ними действуют силы сцепления. Поэтому жидкость уже имеет определённый объём.
И у твёрдого тела частички не находятся в покое. Правда, здесь каждая частичка как бы привязана к определённому месту и не движется поступательно, а лишь колеблется около своего положения равновесия.
Поэтому твёрдое тело имеет определённые как объём, так и форму.
С движением молекул связаны многие свойства тел. Так, например, как мы уже говорили, в прямой зависимости от движения невидимых частичек находится теплота.
Согласно современным воззрениям скорость движения молекул любого тела характеризует его температуру. Чем быстрее молекулы тела колеблются или движутся, тем это тело теплее. Когда мы нагреваем какой-нибудь твёрдый предмет, скажем, на огне, мы ускоряем колебания его молекул за счёт энергии, излучаемой раскалёнными газами пламени. Предмет нагревается. Наоборот, при охлаждении мы замедляем эти колебания. Чем сильнее мы нагреваем какое-либо тело, тем быстрее и быстрее движутся его невидимые частички. Если это твёрдое дело, то постепенно, с повышением температуры, промежутки между его отдельными частичками увеличиваются.
Этим-то и объясняется наблюдаемое в действительности расширение многих тел при нагревании. Такое увеличение промежутков между частичками тела может привести к тому, что форма тела уже не сможет сохраниться. Силы сцепления не смогут удержать частички на своих местах. Тогда тело расплавляется, превращается в жидкость. При этом отдельные частички жидкости приобретают такие скорости движения, что отрываются с поверхности жидкости. Говорят, жидкость испаряется. С повышением температуры жидкости число отрывающихся частичек будет увеличиваться. Жидкость будет испаряться быстрее.
В обратном случае, когда движение частичек замедляется, мы наблюдаем превращение газа в жидкость – сжижение газа, а жидкости – в твёрдое тело – затвердевание жидкости. Уменьшить скорости движения молекул можно путём понижения температуры. Вот почему и превращается вода в лёд, если температура её падает до 0 градусов.
Но ведь из этого следует, что любой газ можно превратить в жидкость и твёрдое тело!
Да, можно! И учёные в наше время умеют это делать со всеми газами. Так, можно, например, превратить в жидкость все составные части воздуха. Для этого необходимо лишь сильно понизить температуру этих газов, почти до 200 градусов мороза.
Движение молекул можно увидеть и почти непосредственно.
Один ботаник ещё более ста лет назад наблюдал странное явление. Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Учёный решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно, неживые частички не находились в покое; они были охвачены непрерывным движением (рис. 4).
Рис. 4. Мелкие частички глины, взмученные в воде, находятся в беспрерывном движении. На рисунке показаны пути движения трех таких частичек.
Чем меньше были частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник такую каплю воды. Но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Выходило, что их как бы постоянно толкали какие-то невидимые силы.
Что это были за силы? Человек, первый заметивший пляску частичек, умер, не найдя ответа. Правильная разгадка этого явления была найдена много позднее. Оказывается, это невидимые молекулы жидкости ударяются беспрерывно о частички вещества и приводят их в движение.
Конечно, видимые под микроскопом частички, в сравнении с отдельными молекулами жидкости, очень велики – они не «чувствуют» ударов отдельных молекул. Но всё дело в том, что в одно и то же время о каждую частичку ударяются многие тысячи молекул, и при этом сила ударов молекул не одинакова с разных сторон каждой отдельной частички. В результате таких ударов частички вещества и мечутся в жидкости в самых различных направлениях. Сколько бы вы ни смотрели на такие частички, вы не дождётесь того момента, когда их движение прекратится. Это и понятно, ведь тепловое движение молекул на земле никогда не прекращается.
В некоторых минералах, например в кварце, можно найти включённые капельки жидкости, не высыхающие очень долгое время. И вот, когда учёные стали рассматривать такие капли под микроскопом, то обнаружили, что и здесь пылинки, находящиеся в жидкости, совершают беспрерывное, беспорядочное движение!
И вот вам, наконец, ещё один очень наглядный опыт, доказывающий как существование невидимых частичек, так и их движение.
Подсчитано, что любая молекула газа, например молекула воздуха, при атмосферном давлении и комнатной температуре каждую секунду испытывает огромное число столкновений – в среднем около 50 миллиардов. Расстояние, которое проходят молекулы в этом случае без столкновения, ничтожно мало – в среднем около одной стотысячной доли миллиметра. Однако свободный путь молекулы можно увеличить, если уменьшить давление газа, другими словами, откачать из сосуда большинство его молекул. И если довести давление газа до одной миллионной доли миллиметра ртутного столба, то в нём останется уже так мало молекул, что каждая из них будет пролетать, не сталкиваясь с другой, по нескольку десятков метров. Таким образом, в сосуде, содержащем такой разрежённый газ, молекулы будут свободно, без столкновений, пролетать от стенки до стенки.
Воспользовавшись этим, можно поставить опыт, наглядно доказывающий существование атомов металла и их движение.
Сосуд, из которого по возможности откачан весь воздух, разделён на две части перегородкой с небольшим отверстием. В одной половине такого сосуда начинают испарять какой-либо легкоплавкий металл. Атомы металла, отрываясь от куска, разлетаются во все стороны и при этом не сталкиваются на своём пути с оставшимися молекулами воздуха и друг с другом благодаря тому, что раньше ударяются о стенки сосуда и прилипают к ним. Какая-то часть этих атомов проникает через отверстие в перегородке и во вторую половину сосуда и здесь движется прямолинейно, пока не ударится о стенку. Таким образом, на стенке сосуда, вскоре после того как вы начнёте испарение металла, появится резко ограниченное пятно, по форме одинаковое с отверстием в перегородке. Это пятно – тончайший слой атомов металла, прилипших к стенке сосуда. Выходит, что атомы металла, пролетая в виде «атомного пучка» через отверстие, создают на противоположной стенке как бы «изображение» этого отверстия. Если же на пути такого «атомного луча» поместить какое-нибудь препятствие, скажем, маленькую звёздочку, то на месте пятна на стенке вы увидите «тень» от этой звёздочки.
Таким опытом доказывают как существование атомов металла, так и их движение.
А нельзя ли все-таки, как ни малы атомы и молекулы, увидеть их непосредственно?
До самого последнего времени учёные твёрдо отвечали нам: нет, этого сделать нельзя, слишком малы эти невидимые частички.
Так было. Но теперь, с изобретением нового изумительного прибора – электронного микроскопа – этот ответ уже неверен. Можно увидеть молекулы!
Посмотрите на рисунок 5.
Рис. 5. Снимок молекул гемоцианина, как они видны в электронном микроскопе.
Вы видите на нём изображение молекул одного сложного химического соединения – гемоцианина.
Правда, это одни из крупнейших молекул, встречающихся в природе, но это первые молекулы, которые люди увидели собственными глазами!
Чтобы понять, насколько это действительно замечательное достижение человеческого ума, нужно ясно себе представить, как малы атомы и молекулы.
