Так с атомной точки зрения описываются
твердые, жидкие и газообразные тела. Но атомная гипотеза описывает и процессы, и
мы теперь рассмотрим
некоторые процессы с атомных позиций.
Первым делом речь пойдет о процессах, происходящих на поверхности воды. Что
здесь происходит? Мы усложним себе задачу, приблизим ее к реальной действительности, предположив, что
над поверхностью находится воздух. Взгляните на фиг. 1.5. Мы
по-прежнему видим молекулы, образующие толщу воды, но, кроме того, здесь изображена
и ее поверхность, а над нею — различные молекулы: прежде всего молекулы воды в
виде водяного пара, который всегда возникает над водной поверхностью
(пар и вода находятся в равновесии, о чем мы вскоре будем говорить). Кроме
того, над водой витают и другие молекулы — то скрепленные воедино два атома кислорода,
образующие молекулу кислорода, то
два атома азота
тоже слипшиеся в молекулу
азота. Воздух почти
весь состоит из
азота, кислорода, водяного
пара и меньших
количеств углекислого газа, аргона
и прочих примесей.
Итак, над поверхностью воды находится воздух — газ,
содержащий некоторое количество водяного
пара. Что происходит на этом рисунке? Молекулы воды
непрерывно движутся. Время
от времени какая-нибудь из
молекул близ поверхности получает толчок сильнее
остальных и выскакивает вверх. На рисунке этого, конечно, не видно, потому что
здесь все неподвижно. Но попробуйте просто представить себе, как одна из
молекул только что испытала удар и взлетает вверх, с другой случилось то же
самое и т.д. Так, молекула за молекулой, вода исчезает — она испаряется. Если закрыть
сосуд, мы обнаружим среди молекул находящегося в нем воздуха множество
молекул воды. То и дело некоторые из них снова попадают в воду
и остаются там.
То, что казалось
нам мертвым и неинтересным
(скажем, прикрытый чем-нибудь стакан воды, который, может быть, 20 лет простоял
на своем месте), на самом деле таит в себе сложный и интересный, беспрерывно
идущий динамический процесс. Для нашего грубого глаза в нем ничего не происходит,
но стань мы в миллиард раз зорче, мы бы увидали, как все меняется: одни
молекулы взлетают, другие оседают.
Почему же мы не видим этих
изменений? Да потому, что сколько взлетает молекул, столько же и оседает! В
общем-то там «ничего не происходит». Если раскрыть стакан и сдуть влажный
воздух, на смену ему притечет уже сухой; число молекул, покидающих воду,
останется прежним (оно ведь зависит только от движения в воде), а число
возвращающихся молекул сильно уменьшится, потому что их уже над водой почти не
будет. Число улетающих молекул превысит число оседающих, вода начнет
испаряться. Мораль: если вам нужно испарять воду, включайте вентилятор!
Но это еще не все. Давайте подумаем,
какие молекулы вылетают из воды? Если уж молекула выскочила, то это значит, что
она случайно вобрала в себя излишек энергии; он ей понадобился, чтобы разорвать
путы притяжения соседей. Энергия вылетающих молекул превосходит среднюю энергию
молекул в воде, поэтому энергия остающихся молекул ниже той, которая
была до испарения. Движение их уменьшается. Вода от испарения постепенно остывает.
Конечно, когда молекула пара опять оказывается у поверхности воды, она
испытывает сильное притяжение и может снова попасть в воду. Притяжение
разгоняет ее, и в итоге возникает тепло. Итак, уходя, молекулы уносят тепло;
возвращаясь — приносят. Когда стакан закрыт, баланс сходится, температура воды
не меняется. Если же дуть на воду, чтобы испарение превысило оседание молекул,
то вода охлаждается. Мораль: чтобы остудить суп, дуйте на него!
Кристалл |
● |
о |
а,Å |
Каменная соль Сильвин Свинцовый блеск |
Na К Ag Mg Pb Pb Pb |
Cl Cl Cl O S Se Te |
5,64 6,28 5,54 4,20 5,97 6,14 6,34 |
Фиг.
1.7. Структура кристалла соли.
Вы понимаете, конечно, что на самом
деле все происходит гораздо сложнее, чем здесь описано. Не только вода переходит
в воздух, но молекулы кислорода или азота время от времени переходят в воду и
«теряются» в массе молекул воды. Попадание атомов кислорода и азота в воду
означает растворение воздуха в воде; если внезапно из сосуда воздух выкачать,
то молекулы воздуха начнут из воды выделяться быстрее, чем проникают в нее; мы
увидим, как наверх подымаются пузырьки. Вы, наверно, слыхали, что это явление
очень вредно для ныряльщиков.
Перейдем теперь к другому процессу. На
фиг. 1.6 мы видим, как (с атомной точки зрения) соль растворяется в воде. Что
получается, если в воду бросить кристаллик соли? Соль — твердое тело, кристалл,
в котором «атомы соли» расставлены правильными рядами. На фиг. 1.7 показано
трехмерное строение обычной соли (хлористого натрия). Строго говоря, кристалл
состоит не из атомов, а из ионов. Ионы — это атомы с излишком или с нехваткой
Электронов. В кристалле соли мы находим ионы хлора (атомы хлора-с лишним электроном)
и ионы натрия (атомы натрия, лишенные одного электрона). Ионы в твердой соли
скреплены друг с другом электрическим притяжением, но в воде некоторые из них,
притянувшись к положительному водороду или отрицательному кислороду, начинают
свободно двигаться. На фиг. 1.6 виден освободившийся ион хлора и другие атомы,
плавающие в воде в виде ионов. На рисунке нарочно подчеркнуты некоторые детали
процесса. Заметьте, например, что водородные концы молекул воды обычно
обступают ион хлора, а возле иона натрия чаще оказывается кислород (ион натрия
положителен, а атом кислорода в молекуле воды отрицателен, поэтому они
притягиваются). Можно ли из рисунка понять, растворяется ли здесь соль в
воде или же выкристаллизовывается из воды? Ясно, что нельзя; часть
атомов уходит из кристалла, часть присоединяется к нему. Процесс этот динамический,
подобный испарению; все зависит от того, много или мало соли в воде, в
какую сторону нарушено равновесие. Под равновесным понимается такое состояние,
когда количество уходящих атомов равно количеству приходящих. Если в воде
почти нет соли, то больше атомов уходит в воду, чем возвращается из воды: соль
растворяется. Если же «атомов соли» слишком много, то приход превышает уход, и
соль выпадает в кристаллы.
Мы мимоходом упомянули, что понятие молекулы
вещества не совсем точно и имеет смысл только для некоторых видов веществ.
Оно применимо к воде, в ней действительно три атома всегда скреплены между
собой, но оно не очень подходит к твердому хлористому натрию. Хлористый натрий
— это ионы хлора и натрия, образующие кубическую структуру. Нельзя естественным
путем сгруппировать их в «молекулы соли».
Вернемся к вопросу о растворении и
осаждении соли. Если повысить температуру раствора соли, то возрастет и число
растворяемых атомов и число осаждаемых. Оказывается, что в общем случае трудно
предсказать, в какую сторону сдвинется процесс, быстрей или медленней пойдет
растворение. С ростом температуры большинство веществ начинает растворяться
сильней, а у некоторых растворимость падает.