3. На стеклянную пластинку пипеткой нанесите несколько капель воды. Наклоните пластинку. Что вы наблюдаете? Вспомните из курса начальной школы, как называется наблюдаемое свойство воды.
4. Сожмите ластик в руке и отпустите. Изменилась ли его форма? Объем? Сожмите кусочек пластилина и отпустите. Изменилась ли его форма? Сравните результаты опытов с ластиком и пластилином. Сделайте вывод, какие свойства твердых тел вы наблюдали.
5. Надуйте воздушный шарик (не очень сильно) и завяжите его ниткой. Надавите на шарик и наблюдайте за изменением его формы и объема. Отпустите руку. Что произошло с воздухом в шарике? Сделайте вывод, какое свойство газообразных тел вы наблюдали?
§ 8. Вещества и смеси
Вы уже знаете, что нас повсюду окружают тела природы и предметы, сделанные человеком. Все они состоят из веществ. Вещества характеризуются определенными свойствами, которыми они отличаются друг от друга.
Чем, например, отличается порошок серы от порошка железа? Сера – вещество светло-желтого цвета, порошок железа темно-серого цвета. Если бросить в воду немного порошка серы, то он будет плавать на ее поверхности. Если поднести к порошку серы магнит, то он к нему не притягивается. С железным порошком картина совершенно иная: в воде железный порошок тонет, к магниту – притягивается. Следовательно, вещества сера и железо отличаются друг от друга определенными свойствами.
Тела, предметы могут состоять из одного вещества (например, медь, железо, сера) или смеси веществ (чугун, молоко, нефть). Так, чугун – это сплав железа с углеродом. Смеси содержат два или более веществ.
Находясь в смеси, вещества сохраняют свои индивидуальные свойства.
Проделайте опыт.
Возьмите немного порошка серы и железа, насыпьте их на лист бумаги и перемешайте палочкой. Получилась смесь грязно-желтого цвета. Какими свойствами эта смесь обладает? Поднесите к ней магнит: железный порошок притягивается к нему, а сера – нет. Опустите смесь в стакан с водой – сера осталась на поверхности воды, а железо осело на дно. Сера и железо, находясь в смеси, сохранили свои свойства.
Рис. 30. Опыт по разделению смеси порошков серы и железа
Способность веществ сохранять свои индивидуальные свойства позволяет отличать их друг от друга в смеси, что широко используется человеком: определяется количество железа в руде, различные примеси в воде и т. д.
В природе смесей очень много. Некоторые из них вы знаете: гранит, различные руды, другие полезные ископаемые, воздух, морская вода и т. д.
1. Из перечисленных веществ и смесей выпишите названия только веществ: кислород, глина, серебро, морская вода, древесина, туман, дым.
2. Приведите примеры природных смесей, которые человек использует в строительстве.
3. Сформулируйте, какими свойствами обладает сера и какими – железо.
§ 9. Молекулы. Атомы. Элементы
Если сжать руками мяч, наполненный воздухом, то объем воздуха в мяче уменьшится. Если нагреть железный болт и попробовать ввернуть его в холодную гайку, то усилия будут безуспешными, потому что после нагревания болт расширился, его объем увеличился.
Опыты с мячом, железным болтом с гайкой показывают, что объем тела может изменяться – уменьшаться или увеличиваться. Как это объяснить?
Проделаем простой опыт.
Наполним до краев стакан с водой так, чтобы нельзя было больше прилить ни одной капельки. Осторожно всыпем в воду соль. Она растворится.
Как видно из опыта, в полный стакан с водой можно всыпать примерно чайную ложку соли. Почему? Этот опыт и многие другие наблюдения, о которых вы узнаете позже, позволяют сделать вывод, что вещества, из которых образованы тела, не сплошные, а состоят из частиц. (Частицы соли разместились между частицами воды в нашем опыте.) Эти частицы такие маленькие, что невидимы человеческим глазом.
МолекулыВ XIX в. ученые доказали существование мельчайших частиц вещества. Именно потому, что вещество состоит из частиц, в нем имеются «пустые пространства». Благодаря им тела могут изменять свой объем – увеличивать его или уменьшать, сжиматься при охлаждении и расширяться при нагревании. Частицы, из которых состоят вещества, назвали молекулами (в переводе с латинского «молекула» означает маленькая масса). Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Современные приборы – электронные микроскопы – позволили увидеть и сфотографировать наиболее крупные молекулы.
Приведем несколько штрихов к обобщенному «портрету» молекул:
1) молекула – наименьшая частица вещества;
2) молекулы одного и того же вещества одинаковы;
3) размеры молекул очень малы;
4) между молекулами есть промежутки;
5) молекулы постоянно находятся в движении.
АтомыМожно ли разделить молекулу? Оказывается, можно; хотя молекулы очень маленькие частицы вещества, но и они делимы. Частицы, на которые делится молекула, назвали атомами (в переводе с греческого «атомос» означает неделимый). Позже ученые доказали, что и атом делим. Атом настолько мал, что ни в один микроскоп увидеть его не удается. Итак, из атомов состоят молекулы. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (рис. 31. Атомы условно изображены в виде шариков разных размеров.) Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, а молекула озона – из трех атомов кислорода. В состав молекулы может входить не только два, три, четыре, а и несколько десятков разнообразных атомов.
Рис. 31. Модель молекулы воды. Молекула воды состоит из двух атомов водорода (голубые) и одного атома кислорода (темный)
Химические элементыКоличество атомов на Земле огромно. Но разнообразие их ограничено – сейчас известно 109 видов различных атомов. Они в разных сочетаниях друг с другом образуют все вещества окружающего нас мира – неживого и живого.
Определенный вид атома называется химическим элементом.
У науки химии свой язык – язык знаков и формул. Ученые условились, что каждый из химических элементов должен иметь свое название и обозначаться особым знаком. Например, химический элемент водород обозначается латинской буквой Н, железо – Fe (рис. 32) и т. д. Сведения о химических элементах собраны в строго определенной системе в таблицу, созданную впервые русским ученым Д. И. Менделеевым.
Рис. 32. Два примера обозначения химических элементов. Каждый химический элемент имеет свой знак, состоящий из одной или двух букв его латинского названия
1. Износ обуви, углубления в ступенях древних лестниц, протирание локтей пиджаков… Не наводят ли эти будничные наблюдения на научные размышления? Какие?
2. Как называются частицы, составляющие молекулы?
3. Из каких атомов состоит молекула воды?
4. Объясните значение слов «молекула», «атом», «химический элемент».
§ 10. Движение частиц вещества
Представим такую ситуацию. В классной комнате закрыты все форточки, окна и двери. Кто-то капнул на стол немного духов или другого пахучего вещества. Через минуту-две запах достигнет каждого уголка класса.
Каким же образом, да еще так быстро?
Известно, что молекулы любого вещества находятся в постоянном беспорядочном движении. Движение есть естественное состояние молекул.
Молекулы пахучего вещества движутся. При движении они проникают в пространство между молекулами воздуха. Беспорядочно перемещаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха и быстро перемешиваются с ними. Запах распространяется по комнате.
Взаимное проникновение соприкасающихся веществ, которое происходит вследствие беспорядочного движения частиц вещества, называют диффузией (в переводе с латинского «диффузия» означает распространение, растекание).
Диффузия происходит не только в газах (как это было в приведенном примере), но и в веществах, находящихся в жидком и твердом состоянии.
Рассмотрим диффузию в жидкостях. Представьте, что стакан наполовину заполнен концентрированным раствором медного купороса. Этот раствор имеет темно-голубой цвет; он тяжелее воды. Если осторожно влить в стакан чистой воды, то вначале наблюдается резкая граница раздела между водой и раствором медного купороса. Через несколько дней обнаружится, что голубая окраска распространилась вверх. С течением времени в стакане образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета (рис. 33). Произошло взаимное перемешивание: молекулы тяжелого медного купороса проникли в пространство между молекулами воды, а молекулы воды проникли в пространство между молекулами медного купороса.
Рис. 33. Диффузия в жидкостях
В опыте с твердыми веществами гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили одну на другую и сжали грузом. При обычной комнатной температуре за 5 лет золото и свинец взаимно проникли друг в друга примерно на 1 мм.
Следует сказать, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее.
Скорость движения молекул данного вещества связана с его температурой: чем выше температура вещества, тем быстрее движутся его молекулы.
Диффузия в жидкостях происходит медленнее, чем в газах, а в твердых телах еще медленнее. Почему? На этот вопрос мы ответим в следующем параграфе.
1. Дома вы решили покрасить краской двери комнаты. Объясните, можно ли почувствовать ее запах, находясь на кухне.
2. Можно ли сказать, что диффузия пахучих жидкостей в воздухе – доказательство существования промежутков между частицами газообразных веществ?
3. Почему диффузия происходит быстрее при более высокой температуре?
§ 11. Взаимодействие частиц
Вы знаете, что в телах частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Почему же твердое тело не распадается на отдельные частицы? Это объясняется тем, что частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел расположены в определенном порядке и очень близко друг к другу.
Каждая частица притягивает к себе соседние частицы и сама притягивается к ним. Эти силы удерживают, например, атомы железа в куске металла, молекулы воды в куске льда или в капле воды. Иначе говоря, сила притяжения – это такая сила, которая удерживает частицы вместе.
Если разломать вязальную спицу на две части и составить их вместе, то они не будут удерживаться друг около друга. Оказывается, притяжение между частицами вещества становится возможным лишь тогда, когда они находятся на определенном расстоянии, достаточно близко одна от другой.
Опыт позволяет обнаружить притяжение частиц.
Берут небольшой свинцовый цилиндр, разрезают его на две половины и быстро сдвигают их свежими срезами. Если место среза не успело окислиться, то обе части свинцового цилиндра соединятся в одно целое. Это можно проверить, закрепив один из цилиндров в держатель, а к другому подвесив груз. Половинка цилиндра с грузом не падает. Следовательно, молекулы половинок цилиндра взаимодействуют друг с другом.
Рис. 34. Притяжение частиц. Две половины свинцового цилиндра соединяются благодаря взаимодействию молекул
Описанный опыт удается благодаря мягкости свинца. С более твердыми, чем свинец, телами (например, половинками разбитого стекла) подобный опыт осуществить невозможно.
Чтобы произошло соединение, молекулы должны находиться на расстоянии друг от друга несколько меньше размеров самих молекул. Куски мягкого материала, например пластилина, слипаются легко. Это происходит потому, что их можно сблизить на такое расстояние, на котором действуют силы притяжения.
Строение жидкостей отличается от строения твердых тел. В жидкостях взаимодействие между молекулами слабее, чем в твердых телах, но все-таки оно имеется. Представьте, что в стакан налили воду, а затем перелили ее в колбу. Первоначально жидкость занимала форму стакана, а затем колбы, в которую ее перелили. Если бы в воде между молекулами действовало притяжение такой же силы, как и в твердых телах, то ее форма не могла бы меняться так легко.
Молекулы в жидкостях расположены почти вплотную друг к другу, поэтому все жидкости обладают очень малой сжимаемостью. Но взаимодействие между молекулами не так велико, чтобы жидкости сохраняли свою форму. Этим объясняется главное свойство жидкостей – текучесть.
Мы уже говорили, что газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. В таких случаях молекулы слабо притягиваются друг к другу. Вот почему газы не сохраняют форму и объем.
Между частицами в твердых телах, жидкостях и газах существует взаимное притяжение.
Возникает вопрос: «Почему существуют промежутки между частицами?» Казалось бы, частицы, притягиваясь друг к другу, должны «слипнуться». Сжатию тел, однако, препятствует отталкивание частиц. Что это именно так, можно убедиться на примере. Резиновый ластик, сжатый и согнутый пополам, распрямится, если края отпустить. Сжатые тела распрямляются потому, что при сжатии частицы настолько сближаются, что начинают отталкиваться друг от друга. Следовательно, притяжение, действующее между частицами – атомами и молекулами, удерживает их друг около друга, а отталкивание препятствует их полному сближению.
1. Когда мы ломаем палку, разрываем нитку или бумагу, какие силы мы преодолеваем?
2. Нитка и медная проволока имеют одинаковую толщину. Что из них легче разорвать?
3. Можно ли две капли воды слить в одну?
§ 12. Разнообразие веществ
Вещества простые и сложныеВ зависимости от того, из атомов одного или разных элементов состоит их молекула, все вещества делят на простые и сложные.
Если вещество состоит из атомов одного элемента, его называют простым. Так, гелий, кислород, водород, хлор, железо, озон – простые вещества. Молекула гелия состоит из одного атома гелия, молекула кислорода – из двух атомов кислорода. Молекулы простых веществ могут содержать и больше двух атомов. К примеру, молекула озона образована тремя атомами кислорода.
Если вещество состоит из атомов разных элементов, его называют сложным. Вода, углекислый газ, поваренная соль – сложные вещества. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (см. рис. 31). Молекула углекислого газа – из одного атома углерода и двух атомов кислорода.
Вещества неорганические и органическиеНа уроках природоведения вы узнали, что в окружающей нас природе различают неживые и живые тела.
Тела неживой природы образованы, как правило, только неорганическими веществами. К неорганическим веществам относятся: кислород, водород, вода, медь, алюминий, хлорид натрия (поваренная соль) и др. Неорганические вещества могут быть простыми (кислород) и сложными (вода). Большинство из них в составе молекулы имеют небольшое число атомов.
Вещества, которые образуются, как правило, в телах живой природы, называют органическими. К ним относятся белки, жиры, углеводы. Органические вещества – все сложные. Кроме того, молекулы большинства из них содержат большое число атомов. Так, молекулы белка, например, состоят из многих тысяч атомов.
Ученые установили, что в состав неорганических и органических веществ входят атомы одних и тех же химических элементов: водорода, кислорода, углерода, азота и др.
Вы уже знаете, что неорганическое вещество вода состоит из атомов водорода и кислорода. Атомы этих же элементов, наряду с углеродом, азотом и другими, входят в состав клеток всех живых организмов, в том числе и клеток человеческого тела. Кроме перечисленных элементов в организмах есть еще и такие, как кальций, фосфор, хлор, натрий, калий и т. д. Эти же элементы можно обнаружить в веществах, образующих тела неживой природы: азот присутствует в воздухе, кальций – в извести, хлор – в поваренной соли.
1. Какие вещества называются простыми, а какие – сложными? Приведите примеры.
2. Как вы назовете вещество – простым или сложным, если его молекула состоит из двух атомов кислорода; из одного атома углерода и двух атомов кислорода; из трех атомов кислорода; из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода?
3. Приведите примеры неорганических и органических веществ.
§ 13. Явления природы. Физические явления
Нас окружает бесконечно разнообразный мир веществ и явлений.
В нем непрерывно происходят изменения.
Любые изменения, которые происходят с телами, называют явлениями. Рождение звезд, смена дня и ночи, таяние льда, набухание почек на деревьях, сверкание молнии при грозе и так далее – все это явления природы.
Физические явленияВспомним, что тела состоят из веществ. Заметим, что при одних явлениях вещества тел не меняются, а при других – меняются. Например, если разорвать листок бумаги пополам, то, несмотря на произошедшие изменения, бумага останется бумагой. Если же бумагу сжечь, то она превратится в пепел и дым.
Явления, при которых могут изменяться размеры, форма тел, состояние веществ, но вещества остаются прежними, не превращаются в другие, называют физическими явлениями (испарение воды, свечение электрической лампочки, звучание струн музыкального инструмента и т. д.).