§ 21. Молекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов

Физика, 7 класс. Учебник: Кронгарт Б.А. и др. (Мектеп, 2025). Глава 6: Давление. Страницы 113–119.

Чему научишься

• Объяснять, из чего состоит вещество, и чем молекула отличается от атома.
• Рассказывать, что придумал Демокрит и что доказал Ломоносов.
• Называть три агрегатных состояния и описывать, как в каждом расположены и движутся молекулы.
• Объяснять свойства твёрдых тел, жидкостей и газов через строение вещества.
• Понимать, что такое кристаллическая решётка и чем кристаллы отличаются от аморфных тел.

Разминка

• Из чего сделана ложка, а из чего сделан сам металл ложки? Ложка сделана из металла. А металл, как и любое вещество, состоит из мельчайших частиц, которых мы не видим.
• Какие три состояния бывают у воды? Лёд (твёрдое), вода (жидкое) и пар (газообразное).
• Что легче: налить чай в чашку или «налить» кусок льда? Чай: он принимает форму чашки. Лёд форму не меняет.
• Что будет, если открыть флакон духов в углу комнаты? Запах скоро почувствуют во всей комнате. Значит, что-то из флакона само разлетается в воздухе.

💡 Все вещества состоят из невидимых частиц. Весь урок мы будем смотреть на мир «микроскопом воображения».

Разбираемся

Как Демокрит угадал про атомы

Около 2400 лет назад в Древней Греции жил мыслитель Демокрит. Приборов у него не было, но он задал вопрос: если резать яблоко пополам, потом ещё и ещё, когда это кончится? Он решил, что рано или поздно останется крошечная частица, которую уже не разделить. Её он назвал атомом, по-гречески «неделимый».

Демокрит считал, что атомы всё время движутся, а вещества отличаются числом атомов, их формой и размерами. Доказать это тогда было нечем, и идея на много веков забылась. В XVIII веке французский физик Гассенди вернулся к ней, и в его трудах впервые появилось слово молекула (по-латыни «маленькая масса»).

🌟 Опытами идею Демокрита подтвердили только в начале XX века. То есть догадка выжидала больше двух тысяч лет!

Ломоносов и молекулы

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) показал на опытах, что любое тело состоит из микрочастиц. Они непрерывно и беспорядочно движутся и взаимодействуют друг с другом. Мельчайшую частицу вещества с тех пор называют молекулой. Ломоносова считают основателем молекулярно-кинетической теории: так называется учение о строении вещества.

📌 Молекула — мельчайшая частица вещества, которая определяет его химические свойства. Атом — мельчайшая частица вещества, которая не делится при химических реакциях. Молекулы собраны из атомов.

Пример: молекула воды — это один атом кислорода и два атома водорода. Молекул воды в Каспии столько, что цифру даже не назвать, но у всех молекул воды одинаковые размеры и масса.

🌟 Позже выяснилось, что и атом не «неделимый»: он состоит из электронов, протонов и нейтронов. С ними ты познакомишься в старших классах. Совокупность атомов одного вида называют химическим элементом.

Насколько молекулы малы

Опыты показали: диаметр молекулы азота, водорода или кислорода примерно $10^{-7},\text{мм}$. Масса одной молекулы водорода — $3{,}3\cdot10^{-27},\text{кг}$, а воды — $3{,}3\cdot10^{-26},\text{кг}$. Молекулы одного вещества одинаковы по массе и размеру.

🌟 Молекула во столько раз меньше яблока, во сколько раз яблоко меньше Земли! А если увеличить молекулу воды в миллион раз ($10^{6}$), она станет размером около $0{,}3,\text{мм}$, как точка в печатном тексте. При таком увеличении волос ($0{,}1,\text{мм}$) был бы толщиной $100,\text{м}$, а вишня ($1,\text{см}$) вымахала бы до $10,\text{км}$. Это выше, чем летают самолёты.

Увидеть молекулы человеку помогают особые приборы: электронный, ионный проектор и туннельный микроскоп.

Три состояния вещества

Одно и то же вещество в природе бывает в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Вода — самый понятный пример: лёд, вода и пар. Молекулы воды при этом одинаковые. Меняется только то, как они расположены и как движутся.

Твёрдые тела: строй солдат

Твёрдое тело сохраняет и объём, и форму. Стальной стержень трудно сжать или растянуть. Дело в том, что его молекулы стоят вплотную друг к другу, и силы между ними велики.

У большинства твёрдых тел частицы выстроены в строгом порядке. Такой порядок называют кристаллической решёткой, а сами тела — кристаллическими. Снежинки, крупинки соли, горный хрусталь, лёд, алмаз — всё это кристаллы. Поэтому у них такие красивые правильные формы.

Но стоять неподвижно частицы не могут: они колеблются около своих мест, которые называются узлами решётки. Именно поэтому твёрдое тело не растекается.

📌 В кристалле частицы стоят по порядку и колеблются у своих мест. Тела, у которых такого порядка нет (например, пластилин, стекло, смола), называют аморфными.

🌟 Соль в солонке тоже кристаллы. Рассмотри крупинки через лупу: они похожи на крошечные кубики.

Жидкости: толпа на катке

Молоко, масло, бензин, нефть, вода из Капшагайского водохранилища: жидкости мы встречаем постоянно. Что у них общего?

• Текучесть. Жидкость легко перелить, она принимает форму сосуда. Только маленькие капельки (роса на листьях, шарики ртути) принимают шарообразную форму.
• Свой объём. Жидкость очень трудно сжать. Если налить 200 мл воды, то и останется 200 мл.
• Свободная поверхность. Если жидкость не заполняет сосуд полностью, сверху остаётся граница с воздухом.

Объяснение такое. Молекулы жидкости тоже плотно упакованы, и расстояния между ними малы, поэтому сжать её трудно. Но силы притяжения здесь слабее, чем в твёрдом теле, и молекулы колеблются, а потом перепрыгивают на соседние места. Порядка «по всему объёму» нет, поэтому форму жидкость не сохраняет.

Газы: разлетающиеся шарики

Газ не имеет ни объёма, ни формы и легко сжимается. Воздушный шарик можно сдавить ладонями, а отпустишь, он вернётся к прежнему виду. Капни каплю брома в пустую колбу: вся колба постепенно заполнится бурыми парами. Газ занимает весь предоставленный ему объём.

Причина в том, что молекулы газа далеко друг от друга, и силы притяжения между ними малы. Молекулы непрерывно и хаотично носятся с огромной скоростью: сотни метров в секунду, примерно как скорость пули.

🌟 Поезд «Тальго» Алматы — Астана идёт со скоростью около $40,\text{м/с}$. А молекулы воздуха в вагоне летают в несколько раз быстрее, просто сталкиваются и разлетаются в разные стороны.

Сравниваем три состояния

⚠️ Частая ошибка. «Когда лёд тает, молекулы воды становятся другими». Нет! Молекулы те же: лёд, вода и пар состоят из одних и тех же молекул $\text{H}_2\text{O}$. Меняются только расстояния между ними, их порядок и движение.

👨‍👩‍👧 Родителю. Предложите ребёнку объяснить, почему кумыс принимает форму бутылки, а кусок сыра нет. Если ответ строится на словах «молекулы», «притяжение» и «порядок», тема усвоена. Для картинки можно взять горох в стакане: он «течёт», как жидкость, но каждая горошина целая.

Проверь, как понял

Проверь себя

• Что мы понимаем под понятием «молекула»? Это мельчайшая частица вещества, которая определяет его химические свойства. Она состоит из атомов.
• Почему мы уверены в существовании атомов и молекул, ведь они невидимы? Потому что их существование доказано опытами: например, запах разносится по комнате, сахар растворяется в чае. Кроме того, современные приборы (электронный и туннельный микроскопы) позволяют получать изображения молекул.
• Какие доказательства существования молекул вы знаете? Растворение сахара или соли в воде, распространение запахов, сжимаемость газов. Ещё всё вещество можно разделить на мелкие части, а свойства тел объясняются движением и взаимодействием частиц.
• В чём отличие атома от молекулы? Молекула состоит из атомов. Молекула — частица вещества, а атом — частица химического элемента, он не делится при химических реакциях. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
• Какова роль Демокрита и Ломоносова в изучении строения вещества? Демокрит выдвинул гипотезу, что всё состоит из мельчайших частиц-атомов, и они движутся. Ломоносов опытами доказал, что тела состоят из непрерывно и хаотично движущихся частиц, которые взаимодействуют; он основатель молекулярно-кинетической теории.
• Молекулы воды, водяного пара и льда одинаковы. От чего же зависит агрегатное состояние вещества? От расстояния между молекулами, от их расположения, силы притяжения между ними и от характера движения.

Решаем упражнения

Объясните

№ 1

«Объясните», задача 1. Опираясь на молекулярное учение о строении вещества, объясни, почему газ не имеет собственного объёма и формы.

Как думать. Вспомни: какие расстояния между молекулами газа и как они движутся.

Решение. Молекулы газа находятся далеко друг от друга, и силы притяжения между ними очень малы. Они не держатся вместе, а непрерывно и хаотично летят с большими скоростями. Разлетаясь, они заполняют весь предоставленный сосуд, и газ принимает его форму и занимает весь объём.

Пример ответа. Молекулы газа далеко друг от друга и почти не притягиваются, поэтому разлетаются по всему сосуду. Своей формы и своего объёма у газа нет.

Ответ: газ не имеет объёма и формы, так как его молекулы далеки друг от друга, слабо притягиваются и хаотично быстро движутся, заполняя весь сосуд.

№ 2

«Объясните», задача 2. Опираясь на молекулярное учение, объясни, почему жидкость не сохраняет свою форму, а твёрдое тело имеет собственную форму.

Как думать. Сравни силы притяжения и характер движения молекул в жидкости и в кристалле.

Решение. В твёрдом теле молекулы стоят в порядке (кристаллическая решётка), силы между ними велики, и молекулы лишь колеблются у своих мест. Поэтому тело держит форму. В жидкости силы притяжения слабее, и молекулы перескакивают с места на место, порядка по всему объёму нет. Жидкость растекается и принимает форму сосуда.

Пример ответа. Частицы твёрдого тела сидят на месте и колеблются, а частицы жидкости перескакивают, поэтому форму не держат.

Ответ: у твёрдого тела молекулы закреплены в решётке сильным притяжением; у жидкости молекулы перескакивают с места на место, поэтому жидкость течёт.

№ 3

«Объясните», задача 3. ⭐ задача повышенной сложности (по цвету номера в учебнике). В чём сходство и различие свойств жидкостей и газов? Объясни, опираясь на молекулярное учение о строении вещества.

Как думать. Сравни по трём признакам: форма, объём, сжимаемость. И для каждого объясни через молекулы. Даже если не получится сразу, попытка уже ценная.

Решение.

• Сходство: и жидкость, и газ текучи и принимают форму сосуда. Причина: притяжение между их молекулами слабое, и молекулы не закреплены на местах.
• Различие 1: у жидкости есть собственный объём, а у газа нет. Молекулы жидкости плотно упакованы, а молекулы газа далеко друг от друга и заполняют весь сосуд.
• Различие 2: жидкость почти не сжимается, а газ легко сжимается: в газе между молекулами много свободного места.
• Различие 3: у жидкости есть свободная поверхность, у газа нет.

Ответ: и те и другие текучи и принимают форму сосуда; но жидкость сохраняет объём и почти не сжимается (молекулы близко), а газ занимает весь сосуд и легко сжимается (молекулы далеко).

Анализируйте

№ 4

«Анализируйте», задача 1. Как меняются силы притяжения и отталкивания между молекулами по мере их сближения друг с другом?

Как думать. Это схема, а не опыт: представь две молекулы, которые то отдаляются, то сближаются. Подумай, что почувствуешь, если сжимать резинку или пружину.

Решение. Между молекулами действуют сразу обе силы. При сближении растут обе: и притяжение, и отталкивание, но отталкивание растёт быстрее. Когда молекулы далеко, заметнее притяжение. При очень малых расстояниях побеждает отталкивание, поэтому твёрдое тело и жидкость трудно сжать. Где-то посередине силы равны, и молекулы там «сидят».

На схеме показано, как силы зависят от расстояния. Значения условные, они нужны только для картины.

💡 Если тебя удивляет, что на схеме линии пересекаются, это и есть то самое равновесие: там сила притяжения равна силе отталкивания.

Ответ: при сближении молекул растут и притяжение, и отталкивание, но отталкивание быстрее; при большом расстоянии преобладает притяжение, при малом отталкивание.

Экспериментируйте

№ 5

«Экспериментируйте», задача 1. ⭐ задача повышенной сложности. Налей воду в формочку для льда и поставь в морозилку. Когда вода замёрзнет, достань лёд и определи его общий объём (придумай, как). Сравни с объёмом налитой воды, сделай вывод и предложи гипотезу об изменениях с молекулами воды.

🧪 Опыт. Понадобятся: мерный стакан или стакан с делениями, формочка или пластиковая ёмкость, морозилка. Это безопасный опыт.

Как думать. Масса не меняется (вещества ни прибавилось, ни убавилось). Значит, меняется то, как молекулы расположены.

Решение. Пример результата: было $100,\text{мл}$ воды, замёрзло, объём льда около $109,\text{мл}$. Сам размер молекул не изменился, только их расположение. В воде молекулы упакованы плотно и перемешиваются. В кристаллике льда они выстраиваются в решётку, где между ними остаются промежутки, поэтому объём больше.

Гипотеза. При замерзании молекулы воды выстраиваются в упорядоченную решётку, колеблются у узлов и занимают чуть больше места. Сами молекулы остаются прежними.

Ответ: объём льда больше объёма воды (примерно на $9,%$); молекулы не изменились, но выстроились в кристаллическую решётку с большими промежутками.

⚠️ Замороженная бутылка с водой может лопнуть, потому что лёд занимает больше места. Не оставляй стеклянные бутылки с водой в морозилке.

👨‍👩‍👧 Родителю. Помогите отметить уровень и достать лёд. Полезно спросить, почему зимой лопаются трубы с водой.

№ 6

«Экспериментируйте», задача 2. ⭐ задача повышенной сложности. Возьми кусок пластилина и придай ему форму шара, куба, овала. Какие изменения происходят с молекулами в пластилине?

🧪 Опыт. Понадобится кусочек пластилина. Безопасно.

Как думать. Пластилин мнётся легко. Значит, его частицы могут сдвигаться друг относительно друга. Сами они остаются прежними?

Решение. Мнём пластилин и получаем разные формы, а масса и вещество остаются те же. Сами молекулы не меняются, но они смещаются друг относительно друга: перемещаются на новые места, не отрываясь от соседей. Пластилин как бы «течёт», хотя очень медленно. Это тело аморфное, порядка в расположении молекул нет, поэтому его легко деформировать.

Ответ: молекулы остаются теми же, но смещаются друг относительно друга и занимают новые места; расстояния между ними почти не меняются.

№ 7

«Экспериментируйте», задача 3. ⭐ задача повышенной сложности. «Выращивание кристалла». Привяжи кристаллик поваренной соли к нитке и опусти в насыщенный раствор этой соли. 3–4 дня наблюдай рост кристалла.

🧪 Опыт. Понадобятся: соль, тёплая вода, банка или стакан, нитка, карандаш (чтобы повесить нитку). Горячую воду наливает взрослый.

Как думать. Вода из раствора понемногу испаряется, раствор становится «пересыщенным», и лишние частицы соли садятся на кристаллик в строгом порядке.

Решение. Растёт кристаллик потому, что молекулы (ионы) соли из раствора присоединяются к решётке и выстраиваются по порядку. Если смотреть через лупу, видно, что кристаллик имеет форму маленького кубика.

Ответ: кристалл растёт и сохраняет правильную форму (кубическую), потому что новые частицы пристраиваются к решётке в строгом порядке.

Шпаргалка

• Все вещества состоят из молекул (и атомов), которые непрерывно и хаотично движутся и взаимодействуют.
• Молекулы очень малы: диаметр около $10^{-7},\text{мм}$.
• Молекулы одного вещества одинаковы в любом состоянии, различаются расположением и движением.
• Твёрдое — порядок и колебания, жидкость — плотно, но без порядка, газ — далеко и очень быстро.

Мини-тест