§ 21. Қатты денелердің, сұйықтардың және газдардың молекулалық құрылымы

Физика, 7 сынып. Оқулық: Кронгарт Б.А. және т.б. (Мектеп, 2025). 6 тарау: Қысым. 113–119-беттер.

Нені үйренесің

• Заттың неден тұратынын және молекуланың атомнан немен ерекшеленетінін түсіндіруді.
• Демокрит не ойлап тапқанын, Ломоносов не дәлелдегенін айтып беруді.
• Үш агрегаттық күйді атап, әр күйде молекулалар қалай орналасып, қалай қозғалатынын сипаттауды.
• Қатты денелердің, сұйықтар мен газдардың қасиеттерін заттың құрылысы арқылы түсіндіруді.
• Кристалдық тор дегеніміз не екенін және кристалдардың аморф денелерден айырмашылығын түсінуді.

Ой қозғау

• Қасық неден жасалған, ал қасықтың металы неден тұрады? Қасық металдан жасалған. Ал металл кез келген зат сияқты біз көрмейтін ұсақ бөлшектерден тұрады.
• Судың қандай үш күйі болады? Мұз (қатты), су (сұйық) және бу (газ тәрізді).
• Не оңай: шайды кесеге құю ма, әлде мұз кесегін «құю» ма? Шайды: ол кесенің пішінін қабылдайды. Мұз пішінін өзгертпейді.
• Бөлменің бұрышында иіссудың шөлмегін ашсаң, не болады? Иіс көп ұзамай бүкіл бөлмеде сезіледі. Демек, шөлмектен бірдеңе өздігінен ауаға тарап жатыр.

💡 Барлық заттар көзге көрінбейтін бөлшектерден тұрады. Осы сабақта біз әлемге «қиял микроскопымен» қараймыз.

Тақырыпты талдаймыз

Демокрит атомдарды қалай болжады

Шамамен 2400 жыл бұрын Ежелгі Грецияда Демокрит есімді ойшыл өмір сүрді. Оның құралдары болған жоқ, бірақ ол сұрақ қойды: алманы жартылай бөле берсең, одан кейін тағы және тағы бөлсең, бұл қашан бітеді? Ол ертелі-кеш бөлуге келмейтін кішкентай бөлшек қалады деп шешті. Оны атом деп атады, грекше бұл сөз «бөлінбейтін» дегенді білдіреді.

Демокрит атомдар үнемі қозғалыста болады, ал заттар бір-бірінен атомдардың саны, пішіні мен өлшемдері арқылы ерекшеленеді деп есептеді. Ол кезде мұны дәлелдеуге ештеңе болмады, сондықтан идея ғасырлар бойы ұмытылды. XVII ғасырда француз физигі Пьер Гассенди оған қайта оралды, оның еңбектерінде алғаш рет молекула сөзі пайда болды (латынша «кішкентай масса»).

📕 Оқулықтағы қате. Оқулықта Гассенди «XVIII ғасырда» атомистиканы жандандырды деп жазылған. Бірақ ол 1592–1655 жылдары өмір сүрген, яғни XVII ғасырдың ғалымы.

🌟 Демокрит идеясын тәжірибемен XX ғасырдың басында ғана дәлелдеді. Яғни болжам екі мың жылдан астам күткен екен!

Ломоносов және молекулалар

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) кез келген дене микробөлшектерден тұратынын тәжірибемен көрсетті. Олар үздіксіз және бейберекет қозғалады және бір-бірімен әсерлеседі. Содан бері заттың ең ұсақ бөлшегін молекула деп атайды. Ломоносовты молекулалық-кинетикалық теорияның негізін қалаушы деп санайды: бұл — зат құрылысы туралы ілім.

📌 Молекула — заттың химиялық қасиеттерін сипаттайтын ең ұсақ бөлшегі. Атом — химиялық реакциялар кезінде заттың бөлінбейтін ең ұсақ бөлшегі. Молекулалар атомдардан құралады.

Мысалы, су молекуласы — бір оттек атомы мен екі сутек атомы. Каспий теңізіндегі су молекулаларының санын айтып та болмайды, бірақ судың барлық молекулаларының өлшемі мен массасы бірдей.

🌟 Кейін атомның да «бөлінбейтін» емес екені анықталды: ол электрондардан, протондардан және нейтрондардан тұрады. Олармен жоғары сыныптарда танысасың. Белгілі бір түрдегі атомдардың жиынтығын химиялық элемент деп атайды.

Молекулалар қаншалықты кішкентай

Тәжірибелер көрсеткендей, азот, сутек немесе оттек молекуласының диаметрі шамамен $10^{-7},\text{мм}$. Сутектің бір молекуласының массасы — $3{,}3\cdot10^{-27},\text{кг}$, ал судікі — $3\cdot10^{-26},\text{кг}$. Бір заттың молекулаларының массасы мен өлшемі бірдей болады.

🌟 Молекула алмадан қанша есе кіші болса, алма Жер шарынан сонша есе кіші! Ал су молекуласын миллион есе ($10^{6}$) үлкейтсек, оның өлшемі баспа мәтініндегі нүктедей, шамамен $0{,}3,\text{мм}$ болар еді. Осындай үлкейтуде шаштың бір талы ($0{,}1,\text{мм}$) $100,\text{м}$ жуан, ал шие ($1,\text{см}$) $10,\text{км}$ болып кететін еді. Бұл ұшақтар ұшатын биіктіктен де жоғары.

Молекулаларды көру үшін ерекше аспаптар бар: электронды микроскоп, иондық проектор және туннельдік микроскоп.

Заттың үш күйі

Бір зат табиғатта үш агрегаттық күйде болады: қатты, сұйық және газ тәрізді. Су — ең түсінікті мысал: мұз, су және бу. Бұл кезде су молекулалары бірдей болады. Тек олардың орналасуы мен қозғалысы ғана өзгереді.

Қатты денелер: сап түзеген сарбаздар

Қатты дене көлемін де, пішінін де сақтайды. Болат өзекті сығу немесе созу өте қиын. Себебі оның молекулалары бір-біріне тақап орналасқан, ал олардың арасындағы күштер үлкен.

Қатты денелердің көбісінде бөлшектер қатаң ретпен тізілген. Мұндай ретті кристалдық тор деп, ал денелердің өзін кристалл денелер деп атайды. Қар ұшқындары, тұз түйіршіктері, тау хрусталі, мұз, алмаз — бәрі де кристалдар. Сондықтан олардың пішіні сондай әдемі және дұрыс.

Бірақ бөлшектер қозғалмай тұра алмайды: олар торның түйіндері деп аталатын өз орындарының төңірегінде тербеледі. Қатты дене осыдан ағып кетпейді.

📌 Кристалда бөлшектер реттеліп тұрады және өз орындарының маңында тербеледі. Мұндай реттілігі жоқ денелерді (мысалы, ермексаз, шыны, шайыр) аморф денелер деп атайды.

🌟 Тұздықтағы ас тұзы да кристалдар. Түйіршіктерін лупамен қарашы: олар кішкентай текшелерге ұқсайды.

Сұйықтар: мұз айдынындағы жиын

Сүт, май, бензин, мұнай, Қапшағай су қоймасының суы: сұйықтарды күнде кездестіреміз. Олардың ортақ белгілері қандай?

• Аққыштық. Сұйықты оңай құюға болады, ол ыдыстың пішінін қабылдайды. Тек кішкентай тамшылар (жапырақтағы шық, сынаптың шариктері) шар тәрізді болады.
• Өз көлемі. Сұйықты сығу өте қиын. 200 мл су құйсаң, 200 мл болып қалады.
• Еркін бет. Сұйық ыдысты толық толтырмаса, үстінде ауамен шектесетін бет қалады.

Түсіндірмесі мынадай. Сұйық молекулалары да тығыз орналасқан, арасындағы қашықтық аз, сондықтан оны сығу қиын. Бірақ мұндағы тартылыс қатты денелердегіден әлсіз, сондықтан молекулалар тербеледі де, содан кейін көрші орындарға секіреді. Бүкіл көлем бойынша реттілік жоқ, сондықтан сұйық пішінін сақтамайды.

Газдар: тарап кететін шарлар

Газдың көлемі де, пішіні де болмайды, ол оңай сығылады. Әуе шарын алақанмен қыссаң, жіберген соң бұрынғы қалпына келеді. Бос құмыраға бір тамшы бром тамызсаң, бүкіл құмыра біртіндеп қоңыр бумен толады. Газ өзіне берілген көлемнің бәрін толтырады.

Себебі газ молекулалары бір-бірінен алшақ орналасқан, ал арасындағы тартылыс күші аз. Молекулалар үздіксіз және бейберекет үлкен жылдамдықпен жүгіреді: секундына жүздеген метр, бұл оқтың жылдамдығына жуық.

🌟 Алматы — Астана «Тальго» пойызы шамамен $40,\text{м/с}$ жылдамдықпен жүреді. Ал вагондағы ауа молекулалары бірнеше есе жылдамырақ ұшады, тек соқтығысып, әр жаққа тарап кетеді.

Үш күйді салыстырамыз

⚠️ Жиі кететін қате. «Мұз еріген кезде су молекулалары басқа болып кетеді». Олай емес! Молекулалар сол күйінде қалады: мұз, су және бу бірдей $\text{H}_2\text{O}$ молекулаларынан тұрады. Тек олардың арасындағы қашықтық, реттілігі және қозғалысы ғана өзгереді.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Баладан қымыз неге бөтелкенің пішінін қабылдайды, ал ірімшік кесегі қабылдамайтынын түсіндіруді сұраңыз. Егер жауабы «молекулалар», «тартылыс» және «рет» сөздеріне құрылса — тақырып меңгерілген. Суретке бұршақты стақанға салып көрсетуге болады: ол сұйықтай «ағады», бірақ әр бұршақ бүтін.

Түсінгеніңді тексер

Өзіңді тексер

• Молекула деп нені түсінеміз? Бұл — заттың химиялық қасиеттерін сипаттайтын ең ұсақ бөлшегі. Ол атомдардан тұрады.
• Атомдар мен молекулалардың бар екеніне біз неліктен сенімдіміз (біз оларды көрмейміз ғой)? Олардың бар екені тәжірибелермен дәлелденген: мысалы, иіс бөлмеге тарайды, қант шайда ериді. Сонымен қатар қазіргі аспаптар (электронды және туннельдік микроскоптар) молекулалардың суретін алуға мүмкіндік береді.
• Молекулалардың бар болуының қандай дәлелдемелерін білесіңдер? Қант пен тұздың суда еруі, иістің таралуы, газдардың сығылуы. Сондай-ақ кез келген затты ұсақ бөліктерге бөлуге болады, ал денелердің қасиеттері бөлшектердің қозғалысы мен әсерлесуі арқылы түсіндіріледі.
• Атомның молекуладан ерекшелігі неде? Молекула атомдардан тұрады. Молекула — заттың бөлшегі, ал атом — химиялық элементтің бөлшегі, ол химиялық реакцияларда бөлінбейді. Мысалы, су молекуласы екі сутек атомынан және бір оттек атомынан тұрады.
• Демокриттің, Ломоносовтың зат құрылымын зерттеудегі рөлдері қандай? Демокрит барлығы атомдар деп аталатын ең ұсақ бөлшектерден тұрады және олар қозғалады деген болжам айтты. Ломоносов денелердің бір-бірімен әсерлесетін, үздіксіз және бейберекет қозғалатын бөлшектерден тұратынын тәжірибемен дәлелдеді; ол молекулалық-кинетикалық теорияның негізін қалаушы.
• Су, су буы және мұздың молекулалары бірдей. Сонда заттың агрегаттық күйі неден тәуелді? Молекулалар арасындағы қашықтықтан, олардың орналасуынан, арасындағы тартылыс күшінен және қозғалыс сипатынан.

Жаттығуларды шығарамыз

Түсіндіріңдер

№ 1

«Түсіндіріңдер», 1-есеп. Сұйықтар мен газдар қасиеттерінің айырмашылығы неде?

Қалай ойлаймыз. Үш белгі бойынша салыстыр: пішіні, көлемі, сығылғыштығы. Әрқайсысын молекулалар арқылы түсіндір.

Шешуі.

• Ұқсастығы: сұйық та, газ да аққыш, ыдыстың пішінін қабылдайды. Себебі олардың молекулалары арасындағы тартылыс әлсіз және молекулалар өз орындарына бекімеген.
• 1-айырмашылық: сұйықтың өз көлемі бар, газдың жоқ. Сұйық молекулалары тығыз орналасқан, ал газ молекулалары бір-бірінен алшақ және бүкіл ыдысты толтырады.
• 2-айырмашылық: сұйық дерлік сығылмайды, ал газ оңай сығылады: газда молекулалар арасында бос орын көп.
• 3-айырмашылық: сұйықтың еркін беті болады, газдың болмайды.

Жауабы: екеуі де аққыш және ыдыстың пішінін қабылдайды; бірақ сұйық көлемін сақтайды және дерлік сығылмайды (молекулалар жақын), ал газ бүкіл ыдысты алады және оңай сығылады (молекулалар алыс).

№ 2

«Түсіндіріңдер», 2-есеп. Қатты денелер сұйықтардан қандай қасиеттерімен ерекшеленеді?

Қалай ойлаймыз. Қатты денені сұйықпен пішіні, көлемі, молекулалардың орналасуы және қозғалысы бойынша салыстыр.

Шешуі. Қатты дене көлемін де, пішінін де сақтайды, ал сұйықтың тек көлемі бар, пішіні жоқ: ол ағады және ыдыстың пішінін қабылдайды. Қатты денеде молекулалар қатаң ретпен (кристалдық тор) орналасқан, арасындағы күштер үлкен, молекулалар өз орындарының маңында ғана тербеледі. Сұйықта тартылыс әлсіздеу, молекулалар бір орыннан екінші орынға секіреді, бүкіл көлемде рет жоқ.

Жауабы: қатты дене пішінін де, көлемін де сақтайды (молекулалар торда тербеледі), ал сұйық тек көлемін сақтайды (молекулалар секіріп жүреді, сондықтан ол ағады).

№ 3

«Түсіндіріңдер», 3-есеп. Су, су буы және мұз сияқты заттардың молекулалары бірдей. Онда заттардың агрегаттық күйін қалай түсіндіреміз?

Қалай ойлаймыз. Молекулалар өзгермейді. Сонда не өзгереді? Қашықтықты, ретті және қозғалысты ойла.

Шешуі.

• Мұз (қатты): молекулалар жақын, торда қатаң ретпен тұр және түйіндердің маңында тербеледі.
• Су (сұйық): молекулалар да жақын, бірақ реті жоқ, олар тербеледі де, көрші орындарға секіреді.
• Бу (газ): молекулалар алыс орналасқан, арасындағы тартылыс аз, олар үлкен жылдамдықпен бейберекет ұшады.

Жауабы: агрегаттық күй молекулалардың өзіне емес, олардың арасындағы қашықтыққа, орналасуына, тартылыс күшіне және қозғалыс сипатына тәуелді.

Талдаңдар

№ 4

«Талдаңдар». 0–100 °C температуралар аралығында әртүрлі агрегаттық күйлерде болатын заттарға мысал келтіріңдер. Кестені толтырыңдар.

Қалай ойлаймыз. Әр заттың 0–100 °C-та қай күйде екенін ойла: ол ыдыстың пішінін сақтай ма, ағады ма, әлде бүкіл бөлмеге тарай ма?

Шешуі.

Су бұл аралықта сұйық күйде тұрады, ал 0 °C-та мұзға айналады, 100 °C-та қайнап, буға айналады.

Жауабы: қатты — темір, ас тұзы; сұйық — су, сүт; газ — оттек, азот (басқа мысалдар кестеде).

Тәжірибе жасаңдар

№ 5

«Тәжірибе жасаңдар», 1-есеп. Кристалл өсіру. Өздерің де кристалл өсіре аласыңдар. Ол үшін жіпке ас тұзы кристалын байландар. Кристалды қанықкан ас тұзының ерітіндісіне салыңдар және үш-төрт күн бойы кристалдың өсуін бақылаңдар.

🧪 Тәжірибе. Керек: тұз, жылы су, банка немесе стақан, жіп, қарындаш (жіпті ілу үшін). Ыстық суды ересек адам құяды.

Қалай ойлаймыз. Ерітіндіден су бірте-бірте буланады, ерітінді «аса қаныққан» болады, ал артық тұз бөлшектері кристалға қатаң ретпен жабысады.

Шешуі. Кристалл өседі, себебі ерітіндідегі тұз молекулалары (иондары) торға қосылып, ретімен тізіледі. Лупамен қарасаң, кристалдың кішкентай текше пішінді екенін көресің.

Жауабы: кристалл өсіп, дұрыс (текше) пішінін сақтайды, өйткені жаңа бөлшектер торға қатаң ретпен орналасады.

№ 6

«Тәжірибе жасаңдар», 2-есеп. Ермексазды алып, оны шар, текше, сопақ пішінге келтіріңдер. Ермексаз молекулаларында қандай өзгерістер болады? Қорытынды жасаңдар.

🧪 Тәжірибе. Бір кесек ермексаз керек. Қауіпсіз.

Қалай ойлаймыз. Ермексаз оңай иіледі. Демек, оның бөлшектері бір-біріне қатысты жылжи алады. Бөлшектердің өзі сол күйінде қала ма?

Шешуі. Ермексазды илеп, әртүрлі пішін аламыз, ал масса мен зат бұрынғыдай қалады. Молекулалардың өзі өзгермейді, бірақ олар бір-біріне қатысты жылжиды: көршілерінен бөлінбей, жаңа орындарға ауысады. Ермексаз өте баяу болса да «ағатын» сияқты. Бұл — аморф дене, молекулаларының орналасуында рет жоқ, сондықтан оны оңай деформациялауға болады.

Жауабы: молекулалар сол күйінде қалады, бірақ бір-біріне қатысты жылжып, жаңа орындарды алады; олардың арасындағы қашықтық дерлік өзгермейді.

№ 7

«Тәжірибе жасаңдар», 3-есеп. Мұз текшелерін дайындауға арналған ыдысқа су құйып, оны мұздатқышқа салыңдар. Су қатқаннан кейін ыдысты алып, ондағы мұздың көлемін есептеңдер және құйылған судың көлемімен салыстырыңдар. Қорытынды жасаңдар.

🧪 Тәжірибе. Керек: өлшегіш стақан немесе бөліктері бар стақан, мұз текшелеріне арналған қалып немесе пластик ыдыс, мұздатқыш. Бұл тәжірибе қауіпсіз.

Қалай ойлаймыз. Масса өзгермейді (зат қосылған да жоқ, азайған да жоқ). Демек, молекулалардың орналасуы өзгереді.

Шешуі. Нәтиже үлгісі: 100 мл су болған, қатқан соң мұздың көлемі шамамен 109 мл болды. Молекулалардың өлшемі өзгерген жоқ, тек орналасуы өзгерді. Суда молекулалар тығыз тізіліп, араласып жүреді. Мұз кристалында олар торға тізіледі, ал онда араларында бос орындар қалады, сондықтан көлемі үлкен.

Болжам. Су қатқанда молекулалар реттелген торға тізіліп, түйіндерде тербеледі және сәл көбірек орын алады. Молекулалардың өзі бұрынғыдай қалады.

Жауабы: мұздың көлемі судың көлемінен көп (шамамен $9,%$-ға); молекулалар өзгерген жоқ, бірақ бос орындары көбірек кристалдық торға тізілді.

⚠️ Суы бар қатқан бөтелке жарылып кетуі мүмкін, өйткені мұз көбірек орын алады. Мұздатқышта суы бар шыны бөтелкелерді қалдырма.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Деңгейді белгілеуге және мұзды алуға көмектесіңіз. Қыста су құбырлары неге жарылатынын сұраған пайдалы.

Жадынама

• Барлық заттар үздіксіз және бейберекет қозғалатын және әсерлесетін молекулалардан (және атомдардан) тұрады.
• Молекулалар өте кішкентай: диаметрі шамамен $10^{-7},\text{мм}$.
• Бір заттың молекулалары кез келген күйде бірдей, олар тек орналасуымен және қозғалысымен ерекшеленеді.
• Қатты дене — рет және тербеліс, сұйық — тығыз, бірақ ретсіз, газ — алыс және өте жылдам.

Шағын тест