Связи атомов в молекулах и их движение

Лилипуты совершают гулливерские дела

Все глубже и дальше проникают исследователи в тайны мельчайших частиц материи, все больше подробностей узнают они о строении молекул и атомов, и начинает казаться, что мир привычных веществ и предметов, хорошо различимых глазами, не вооруженными особыми приборами и микроскопами, совершенно забыт ими.

Но в науке все взаимосвязано, и знание того, как устроен атом, помогает понять, как образуются молекулы, чем отличаются друг от друга газы, жидкости и твердые тела и почему броуновское движение (с которого, можно сказать, и началось научное изучение строения вещества!) легче всего наблюдать в жидкостях и газах.

Конечно, ученые могли принять помощь писателей, которые придумали много определений для того, чтобы отличить одно состояние вещества от другого. Феликс Кривин, например, предложил узнавать твердое тело по… обтекаемости, ибо это свойство помогает ему жить в окружении жидкости, приспособиться к этой среде и, несмотря на это, окончательно в ней не раствориться.

Но упрямые физики пошли своим путем… Им хотелось выразить свои представления об окружающем мире точными цифрами.

В стране атомов и молекул чаще других используется крохотная величина, равная стомиллионной доле сантиметра. Она получила название ангстрема — в честь одного из известных ученых. Очень маленькие размеры обозначаются с помощью ангстрема, ведь в одном микроне — десять тысяч ангстрем!

Атомы различных веществ, размеры которых, как правило, составляют один-два ангстрема, обмениваются с себе подобными частицами вещества внешними электронами. Иногда электроны навсегда переходят к соседнему атому — и тогда, получив заряды противоположного знака, эти атомы могут объединяться в молекулы с помощью силы электрического притяжения. Такая связь получила название ионной.

Возможно у атомов и коллективное владение электронами – несколько электронов становятся для двух атомов общими, тоже соединяя их в молекулы. Этот вид соединения атомов именуете ковалентной связью.

Конечно, существуют самые различные сочетания этих двух видов связи и нескольких других, менее распространенных в природе. Иногда молекулы бывают такими большими, состоящими из десятков, сотен и тысяч атомов (таковы, например, молекулы полимеров и многих природных веществ), что в одной и той же молекуле существует целый набор разных видов связи. Некоторые атомы большой молекулы могут быть объединены двумя общими электронами (одинарная связь), другие — четырьмя (двойная связь) или даже шестью электронами (тройная связь).

Размеры молекул газов, например кислорода и азота, составляют всего 3—4 ангстрема, а большие органические молекулы живых клеток или искусственного каучука, нейлона, капрона при растяжении их в одну линию займут расстояние в десятки и сотни тысяч ангстрем. При этом ширина органических молекул, как правило, не превышает 5 — 10 ангстремов. Если сравнить такую молекулу со стальным канатом, то придется представить себе канат диаметром 10 сантиметров и длиной 10 километров!

Способность оценить эти размеры помогла ученым многое понять в поведении различных веществ. В газах среднее расстояние между молекулами в 10 раз превышает размеры самих молекул; в твердых телах, особенно в кристаллах, атомы обычно упакованы очень плотно и свободные промежутки между ними не превышают размеров самих атомов. Жидкости занимают в этом смысле промежуточное положение. Представление об этом дает процесс плавления твердого тела.

Например, в куске меди доля свободного пространства составляет 26\% (все остальное занято атомами). В расплавленной меди эта доля увеличивается с 26 до 29\%. Всего 3\% объема оказалось в «распоряжении» атомов, а как изменились свойства вещества! Вместо монолитного куска, в котором трудно заподозрить какое-либо движение, перед нами текучая, подвижная, будто живая, жидкость.

Конечно, и в твердом теле атомы, скрепленные электронными связями со своими многочисленными соседями, незаметно, но постоянно двигаются, колеблются около положения равновесия. Возрастание расстояния между атомами, происходящее при плавлении, позволяет этим движениям увеличить свой размах до такой степени, что в жидкости атомы иногда даже меняются местами друг с другом!

И только в газах этот процесс становится обычным, постоянным способом существования молекул. Наибольшая скорость движения газовых молекул достигает 1000—2000 метров в секунду, они постоянно перемещаются, соударяются друг с другом и со стенками сосуда, в котором заключены как в темнице,— без него они быстро разбежались бы во все стороны…

Вполне понятно, что молекулы газа будут со всех сторон «обстреливать» любую инородную частицу, попавшую в их общество,— будь то пыльца растений, частички сажи или металла. Молекулы в газе имеют самые разнообразные скорости, и наиболее медленные из них могут пролететь за секунду «всего» 50 — 100 метров. Естественно, что при броуновском движении направление перемещения частички зависит от того, с какой стороны у нее окажется больше быстрых и энергичных молекул.

Постоянные соударения не позволяют газовым молекулам свободно пролетать большие расстояния. При обычных условиях молекулы кислорода до столкновения с кем-то из своих собратьев преодолевают в среднем расстояние всего в 500 ангстрем, а молекулы водорода — в 1000 ангстрем.

Именно этим — быстрыми ударами миллиардов молекул — объясняется давление газов и жидкостей, и в частности давление воздушной атмосферы Земли. Лилипуты, если их много, могут победить и Гулливера. Помните, как, связанный тысячами веревочек, Гулливер не мог даже встать?

Как определил еще в XVIІ веке итальянский ученый Торричелли, ученик Галилея, давление атмосферы способно поднять столбик тяжелой ртути на высоту 76 сантиметров, а слой воды – почти на 10 метров вверх! Для этого нужно только две стеклянные трубки соединить внизу друг с другом. Давление атмосферы в одной из сообщающихся трубок сумеет без всяких видимых усилий «вытолкнуть» любую жидкость в другой трубке на значительную высоту, если свободный конец этой трубки запаян.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.