6 minute read
³ ìîëåêóëè
by sloven
Âèíèêຠïèòàííÿ: ç ÷îãî æ ñêëàäàºòüñÿ ðå÷îâèíà? Ïðîòÿãîì òèñÿ÷ ðîê³â ó÷åí³ çàäóìóâàëèñÿ íàä öèì ïèòàííÿì. Ïîíàä 2500 ðîê³â òîìó äàâíüîãðåöüêèé ó÷åíèé Äåìîêð³ò çðîáèâ ïðèïóùåííÿ, ùî âñ³ ðå÷îâèíè ñêëàäàþòüñÿ ç íàéäð³áí³øèõ ÷àñòèíîê— àòîì³â (â³ä ãðåö. àòîì— íåïîä³ëüíèé), ÿê³ âæå íåìîæëèâî ïîä³ëèòè íà ìåíø³ ÷àñòèíêè.
Óïåðøå ïîáà÷èòè îêðåì³ àòîìè â÷åíèì âäàëîñÿ ëèøå ó äðóã³é ïîëîâèí³ ÕÕ ñò. çà äîïîìîãîþ åëåêòðîííîãî ì³êðîñêîïà. Íà ìàë.1.17 íàâåäåíî ôîòîãðàô³þ àòîì³â çîëîòà. ßê áà÷èìî, ò³ëà ëèøå çäàþòüñÿ ñóö³ëüíèìè. Íàñïðàâä³ âîíè ñêëàäàþòüñÿ ç íàéäð³áí³øèõ ÷àñòèíîê— àòîì³â ³ ìîëåêóë. ˳ñ çäàëåêó òåæ ìຠâèãëÿä ñóö³ëüíî¿ çåëåíî¿ ñìóãè, ëèøå ï³ä³éøîâøè áëèæ÷å, ìîæíà ðîçð³çíèòè îêðåì³ äåðåâà. ßêùî ùå áëèæ÷å íàáëèçèòèñÿ, âèäíî, ùî êîæíå äåðåâî ìຠñòîâáóð, ã³ëêè òà áàãàòî ëèñòî÷ê³â. Ç íåâåëèêî¿ â³äñòàí³ ìîæíà áà÷èòè, ùî ó ëèñòî÷ê³â ð³çíà ôîðìà, çà ÿêîþ ëåãêî â³äð³çíèòè ëèïó â³ä äóáà àáî êëåíà.
Ó ð³çíèõ ðå÷îâèí àòîìè òàêîæ ð³çí³. Âæå â³äêðèòî ïîíàä ñòî ð³çíèõ àòîì³â, ÿê³ íàçèâàþòü õ³ì³÷íèìè åëåìåíòàìè. Ùîá ðîçð³çíÿòè àòîìè, â÷åí³ äàëè ¿ì íàçâè ëàòèíñüêîþ ìîâîþ. Äëÿ ñêîðî÷åíîãî çàïèñó íàçâ âèêîðèñòîâóþòü ëèøå ïåðø³ îäíó àáî äâ³ ë³òåðè. Àòîìè âîäíþ, êèñíþ, àçîòó òà ìåðêóð³þ (ðòóò³) ïîçíà÷àþòü òàê: Í (óäðîãåí), O (Îêñèãåí), N (ͳòðîãåí), Hg (óäðàðã³ðóì). Íàéëåãøèì º àòîì âîäíþ, â³í ìàéæå ó 240 ðàç³â ëåãøèé çà àòîì óðàíó. Ïðîòå ðîçì³ðè ð³çíèõ àòîì³â ìàéæå îäíàêîâ³— ïðèáëèçíî 0,00000001ñì.
Ìîëåêóëè. Óÿâ³òü, ùî âè â øê³ëüí³é çàë³, äå â³äáóâàºòüñÿ áàë. Çàãðàëà ìóçèêà. ² îò ñïî÷àòêó îäíà, äâ³, à ïîò³ì óñå á³ëüøå é á³ëüøå ïàð êðóæëÿþòü ó òàíêó. Êîæíà ïàðà— ìàëåíüêå îá’ºäíàííÿ, àëå êîæíà ïàðà òàíöþº ñàìà ïî ñîá³. Ùîñü ïîä³áíå â³äáóâàºòüñÿ ³ â ñâ³ò³ àòîì³â. Îêðåì³ àòîìè ìîæóòü îá’ºäíóâàòèñÿ ì³æ ñîáîþ. Îá’ºäíàííÿ ç äâîõ, òðüîõ àáî á³ëüøî¿ ê³ëüêîñò³ îäíàêî- Ìàë.1.17
Ìàë.1.18
âèõ àáî ð³çíèõ àòîì³â óòâîðþþòü ìîëåêóëè (â³ä ëàò. ìîëåêóëà— ìàëåíüêà ìàñà).
Âàæêî óÿâèòè ðîçì³ðè ³ ê³ëüê³ñòü ìîëåêóë, ç ÿêèõ ñêëàäàþòüñÿ ò³ àáî ³íø³ ò³ëà. ×îìó? Ñàì³ ïîì³ðêóéòå. Ó êðàïëèí³ âîäè ì³ñòèòüñÿ 1500000000 000 000 000000 ìîëåêóë âîäè! ßêùî âèøèêóâàòè â ëàíöþæîê óñ³ ö³ ìîëåêóëè, òî äîâæèíà ëàíöþæêà äîð³âíþâàòèìå â³äñòàí³ â³ä Çåìë³ äî Ñîíöÿ. ßêùî çá³ëüøèòè, íàïðèêëàä, ìîëåêóëó äî ðîçì³ð³â ÿáëóêà òà ó ñò³ëüêè ñàìî ðàç³â ÿáëóêî, òî âîíî ñòàíå çàâá³ëüøêè ³ç Çåìëþ.
³äì³íí³ñòü àòîì³â ³ ¿õ çäàòí³ñòü îá’ºäíóâàòèñÿ â ìîëåêóëè— îäíà ç ïðè÷èí òîãî, ùî ð³çí³ ðå÷îâèíè ìàþòü íåîäíàêîâ³ âëàñòèâîñò³. Êèñåíü ï³äòðèìóº ïðîöåñ ãîð³ííÿ, à àçîò— í³. Âîäà çà ê³ìíàòíî¿ òåìïåðàòóðè— ïðîçîðà ð³äèíà, à çàë³çî— ñð³áëÿñòå òâåðäå ò³ëî.
Ðå÷îâèíè, ìîëåêóëè ÿêèõ ñêëàäàþòüñÿ ç àòîì³â îäíîãî é òîãî æ ñàìîãî åëåìåíòà, íàçèâàþòüñÿ ïðîñòèìè ðå÷îâèíàìè. Ìîëåêóëè êèñíþ ñêëàäàþòüñÿ ç äâîõ àòîì³â Îêñèãåíó. Êèñåíü— ïðîñòà ðå÷îâèíà. Ìîëåêóëó âîäè ïîçíà÷àþòü H2O. Íåâàæêî çäîãàäàòèñÿ, ùî âîíà ñêëàäàºòüñÿ ç äâîõ àòîì³â óäðîãåíó òà îäíîãî àòîìà Îêñèãåíó. Âîäà— ñêëàäíà ðå÷îâèíà. Íà ìàë.1.18 çîáðàæåíî ìîäåë³ öèõ ìîëåêóë. ª é òàê³ åëåìåíòè, àòîìè ÿêèõ íå îá’ºäíóþòüñÿ í³ ì³æ ñîáîþ, í³ ç àòîìàìè ³íøèõ åëåìåíò³â. Ìîëåêóëè òàêèõ ðå÷îâèí ñêëàäàþòüñÿ ëèøå ç îäíîãî àòîìà, òîáòî º îäíîàòîìíèìè.
Âíóòð³øíþ áóäîâó àòîìà óÿâèòè âàæêî. Îäíàê ïðîöåñè, ÿê³ â³äáóâàþòüñÿ â àòîìàõ, â³ä³ãðàþòü íàäçâè÷àéíî âàæëèâó ðîëü ó Âñåñâ³ò³. Ñàìå çàâäÿêè ¿ì ç³ðêè âèïðîì³íþþòü ñâ³òëî é òåïëî. ϳçíàííÿ áóäîâè àòîì³â äàëî çìîãó ñòâîðèòè íîâ³ äæåðåëà åíåð㳿, âèíàéòè íîâ³ çàñîáè çâ’ÿçêó, îòðèìàòè ìàòåð³àëè, ÿêèõ íåìຠâ ïðèðîäíèõ óìîâàõ. Âîãí³ íåîíîâèõ ðåêëàì, ñâ³ò³ííÿ åëåêòðè÷íî¿ ëàìïî÷êè ó âàø³é êâàðòèð³— öå òàêîæ íàñë³äêè òèõ ïðîöåñ³â, ÿê³ â³äáóâàþòüñÿ â àòîìàõ.
Ïî÷àòêîâ³ â³äîìîñò³ ïðî áóäîâó àòîìà. Ó Õ²Õñò. á³ëüø³ñòü ó÷åíèõ âèçíàâàëè ³ñíóâàííÿ àòîì³â ÿê íàéäð³áí³øèõ ÷àñòèíîê, ç ÿêèõ ïîáóäîâàíà ðå÷îâèíà. Ïðîòå â ê³íö³ Õ²Õñò. áóëî â³äêðèòî ÷àñòèíêó, ÿêà âèÿâèëàñÿ â 1840 ðàç³â ëåãøîþ â³ä íàéëåãøîãî çà â³äîìèõ ó ïðèðîä³ àòîìà— Ã³äðîãåíó. Öþ ÷àñòèíêó íàçâàëè åëåêòðîí. Éîãî áóëî òàê íàçâàíî çà ïðèòàìàííó éîìó âëàñòèâ³ñòü, ÿêî¿ íàáóâຠïîòåðòèé îá õóòðî áóðøòèí. Ãðåöüêà íàçâà áóðøòèíó “åëåêòðîí”, ùî îçíà÷ຠ“ñîíÿ÷íèé êàì³íü”.
Çà ëåãåíäîþ, ïåðøèì äîñë³äèâ âëàñòèâ³ñòü âèðîá³â ç áóðøòèíó, ïîòåðòèõ îá âîâíó, ïðèòÿãóâàòè äî ñåáå ëåãê³ ïðåäìåòè çíàìåíèòèé ñòàðîäàâí³é ô³ëîñîô Ôàëåñ ̳ëåòñüêèé. ϳçí³øå âèÿâèëè, ùî ïîä³áíèõ âëàñòèâîñòåé íàáóâàþòü ò³ëà, âèãîòîâëåí³ é ç ³íøèõ ðå÷îâèí: ñêëî, ïîòåðòå îá øîâê, åáîí³ò, ïîòåðòèé îá õóòðî, ïëàñòìàñîâ³ ïðåäìåòè, ïîòåðò³ ïàïåðîì, é ³í. Öþ âëàñòèâ³ñòü íàçâàëè åëåêòðè÷íèé çàðÿä.
Âèâ÷àþ÷è åëåêòðè÷í³ çàðÿäè, ÿêèõ íàáóâàëè ð³çí³ ò³ëà, â÷åí³ âèÿâèëè, ùî åëåêòðè÷íèé çàðÿä áóðøòèíó, íàòåðòîãî âîâíîþ, äåùî ³íøèé, í³æ çàðÿä, ÿêîãî íàáóâຠïîòåðòå îá øîâê ñêëî. Òàê, äâ³ áóðøòèíîâ³ ïàëè÷êè ï³ñëÿ íàòèðàííÿ âîâíîþ â³äøòîâõóþòüñÿ îäíà â³ä îäíî¿. Ñêëÿí³ ïàëè÷êè, íàòåðò³ øîâêîì, òåæ â³äøòîâõóþòüñÿ. À íàòåðò³ øîâêîì ñêëÿíà é âîâíîþ áóðøòèíîâà ïàëè÷êè ïðèòÿãóâàòèìóòüñÿ. Íà ï³äñòàâ³ öüîãî ä³éøëè âèñíîâêó, ùî ³ñíóº äâà òèïè åëåêòðè÷íèõ çàðÿä³â. Ò³ëà, ÿê³ ìàþòü çàðÿäè îäíîãî òèïó, â³äøòîâõóþòüñÿ, à ò³ëà ç ð³çíèìè çàðÿäàìè— ïðèòÿãóþòüñÿ. Çàðÿä, ùî âèíèêຠíà áóðøòèí³, íàòåðòîìó âîâíîþ, é òàêèé ñàìèé çàðÿä íà ò³ëàõ ç ³íøèõ ðå÷îâèí, íàçâàëè íåãàòèâíèìè ³ ïîçíà÷èëè “–”. Çàðÿä ñêëÿíî¿ ïàëè÷êè, ïîòåðòî¿ îá øîâê, íàçâàëè ïîçèòèâíèì ³ ïîçíà÷èëè “+”.
Ðåçóëüòàòè äîñë³ä³â, ïðîâåäåíèõ àíãë³éñüêèì ô³çèêîì Äæîçåôîì Òîìñîíîì òà àìåðèêàíñüêèì ó÷åíèì Ðîáåðòîì ̳ëë³êåíîì, ñâ³ä÷èëè, ùî åëåêòðîí ìຠíàéìåíøèé íåãàòèâíèé åëåêòðè÷íèé çàðÿä, ÿêèé äàë³ íå ä³ëèòüñÿ. ³äêðèòòÿ åëåêòðîíà ïîêàçàëî, ùî àòîì íå º ÷èìîñü íà çðàçîê ñóö³ëüíî¿ êóëüêè, à ìຠñêëàäíó áóäîâó.
Ïîäàëüø³ äîñë³äæåííÿ áóäîâè àòîìà äîâåëè, ùî â³í ñêëàäàºòüñÿ ç ïîçèòèâíî çàðÿäæåíîãî ìàñèâíîãî ÿäðà òà åëåêòðîííî¿ îáîëîíêè. Éîãî ðîçì³ðè âèçíà÷àþòüñÿ ä³àìåòðîì åëåêòðîííî¿ îáîëîíêè. ijàìåòðè ÿäåð ó òèñÿ÷ó ðàç³â ìåíø³, í³æ ðîçì³ðè àòîì³â. ʳëüê³ñòü åëåêòðîí³â ó àòîì³ òàêà, ùî ¿õ çàãàëüíèé (íåãàòèâíèé) çàðÿä äîð³âíþº ïîçèòèâíîìó çàðÿäó ÿäðà, òîìó àòîì ó çâè÷àéíîìó ñòàí³ íåéòðàëüíèé (íå ìຠåëåêòðè÷íîãî çàðÿäó).
29
Ïåðøó ìîäåëü âíóòð³øíüî¿ áóäîâè àòîìà çàïðîïîíóâàâ Äæ. Òîìñîí. Çà ö³ºþ ìîäåëëþ àòîì— öå ñóö³ëüíà êóëÿ ðàä³óñîì ó ñòîì³ëüéîííó ÷àñòèíó ñàíòèìåòðà (10–8 ñì) ç ïîçèòèâíèì çàðÿäîì. Ó öþ êóëþ âêðàïëåí³, í³áè ðîäçèíêè ó ïóäèíã, åëåêòðîíè (ìàë.1.19, à). Ñóìàðíèé çàðÿä åëåêòðîí³â ³ ïîçèòèâíèé çàðÿä êóë³ îäíàêîâ³. Òîìó çàãàëîì àòîì íåéòðàëüíèé. Òàêå óÿâëåííÿ ïðî áóäîâó àòîìà ä³ñòàëî íàçâó ïóäèíãîâî¿ ìîäåë³ àòîìà, àáî ìîäåë³ àòîìà Òîìñîíà.
Äîñë³äæåííÿ, ïðîâåäåí³ íà ïî÷àòêó ÕÕñò. âèäàòíèì àíãë³éñüêèì ô³çèêîì Åðíåñòîì Ðåçåðôîðäîì òà ³íøèìè â÷åíèìè, äàëè çìîãó âñòàíîâèòè, ùî ïóäèíãîâà ìîäåëü íå â³äïîâ³äຠä³éñíîñò³. Ðåçóëüòàòè âèêîíàíèõ íèìè åêñïåðèìåíò³â ïîêàçàëè, ùî àòîì ìຠäóæå ìàëå çà ðîçì³ðàìè, àëå äóæå ìàñèâíå ïîçèòèâíî çàðÿäæåíå ÿäðî. Áóëî çàïðîïîíîâàíî ³íøó ìîäåëü: àòîì íàãàäóº Ñîíÿ÷íó ñèñòåìó— íàâêîëî ìàëåíüêîãî ìàñèâíîãî, ïîçèòèâíî çàðÿäæåíîãî ÿäðà îáåðòàþòüñÿ åëåêòðîíè, í³áè ïëàíåòè íàâêîëî Ñîíöÿ. Öþ ìîäåëü íàçâàëè ïëàíåòàðíîþ, àáî ìî-
äåëëþ àòîìà Ðåçåðôîðäà.
Àòîìè ÷àñòî çîáðàæàþòü ó âèãëÿä³, ùî íàãàäóº ïëàíåòíó ñèñòåìó (ìàë.1.19, á, â). Íàñïðàâä³ öå äóæå íàáëèæåíà ìîäåëü áóäîâè àòîìà, çà äîïîìîãîþ ÿêî¿ ìîæíà ïîÿñíèòè ëèøå äåÿê³ éîãî âëàñòèâîñò³.
Ìàë.1.19
Ó ÕÕñò. áóëî âèÿâëåíî, ùî ÿäðî àòîìà òàêîæ íå ñóö³ëüíå. Âîíî ñêëàäàºòüñÿ ç ïðîòîí³â — ïîçèòèâíî çàðÿäæåíèõ ÷àñòèíîê ³ íåéòðîí³â — ÷àñòèíîê, ÿê³ íå ìàþòü åëåêòðè÷íîãî çàðÿäó. Ó ïðîòîíà çàðÿä òàêèé ñàìèé, ÿê ³ â åëåêòðîíà, àëå â³í á³ëüø ÿê ó 1840 ðàç³â ìàñèâí³øèé. Ìàñà íåéðîí³â äåùî á³ëüøà,
í³æ ïðîòîí³â. Ó íåéòðàëüíîìó àòîì³ ê³ëüê³ñòü åëåêòðîí³â äîð³âíþº ê³ëüêîñò³ ïðîòîí³â. Íàéëåãøèì ³ íàéïðîñò³øèì çà ñâîºþ áóäîâîþ âèÿâèâñÿ àòîì âîäíþ (óäðîãåíó). Éîãî ÿäðî ñêëàäàºòüñÿ ëèøå ç îäíîãî ïðîòîíà, à îáîëîíêà— ç îäíîãî åëåêòðîíà.
Åëåêòðîìàãí³òí³ ïîëÿ, ïîðîäæåí³ çàðÿäæåíèìè ÷àñòèíêàìè, ùî âõîäÿòü äî ñêëàäó àòîìà, óòðèìóþòü éîãî åëåêòðîííó îáîëîíêó. Çàâäÿêè åëåêòðîìàãí³òíèì ïîëÿì àòîìè ìîæóòü âçàºìîä³ÿòè ì³æ ñîáîþ é ç’ºäíóâàòèñÿ â ìîëåêóëè. Ïðîòîíè ³ íåéòðîíè óòðèìóþòüñÿ â ÿäð³ çà ðàõóíîê îñîáëèâîãî ïîëÿ, ÿêå çàáåçïå÷óº ¿õ ñèëüíó âçàºìîä³þ. Çà çâè÷àéíèõ óìîâ, îñê³ëüêè ê³ëüê³ñòü ïðîòîí³â ³ åëåêòðîí³â ó àòîì³â îäíàêîâà, ñóìàðíèé ïîçèòèâíèé ³ íåãàòèâíèé çàðÿäè àòîì³â ³ â³äïîâ³äíî ò³ë äîð³âíþþòü íóëþ.
Àòîìè ìîæóòü âòðà÷àòè îäèí àáî ê³ëüêà ñâî¿õ åëåêòðîí³â ³ âêëþ÷àòè äî ñâî¿õ îáîëîíîê åëåêòðîíè ³íøèõ àòîì³â. Òàê³ àòîìè íàçèâàþòü ³îíàìè. Àòîì, ùî âòðàòèâ åëåêòðîí, ñòຠïîçèòèâíèì ³îíîì. Ïîçèòèâíèé çàðÿä éîãî ÿäðà áóäå á³ëüøèì çà çàãàëüíèé çàðÿä åëåêòðîííî¿ îáîëîíêè. Íàâïàêè, ÿêùî àòîì ïðèºäíóº äî ñåáå åëåêòðîí, â³í ñòຠíåãàòèâíî çàðÿäæåíèì ³îíîì. Åëåêòðîíè ð³çíèõ ðå÷îâèí ïî-ð³çíîìó ïîâ’ÿçàí³ ç ÿäðàìè àòîì³â. Êîëè ïàëè÷êó ç³ ñêëà íàòèðàþòü øîâêîì, ÷àñòèíà åëåêòðîí³â éîãî àòîì³â ïåðåõîäÿòü äî øîâêó. Ö³ àòîìè ñòàþòü ïîçèòèâíèìè ³îíàìè. Òîìó ñêëÿíà ïàëè÷êà íàáóâຠïîçèòèâíîãî çàðÿäó.
ÇÀÏÈÒÀÍÍß ÒÀ ÇÀÂÄÀÍÍß
1. ßê³ º ñâ³ä÷åííÿ òîãî, ùî ðå÷îâèíà ñêëàäàºòüñÿ ç àòîì³â ³ ìîëåêóë? 2. ×è íàñïðàâä³ àòîì º íåïîä³ëüíèì? 3. Íàâåä³òü ïðèêëàäè àòîì³â òà ïðèêëàäè ìîëåêóë ð³çíèõ ðå÷îâèí. 4. ×îìó ð³çí³ ðå÷îâèíè ìàþòü íåîäíàêîâ³ âëàñòèâîñò³? 5.Ìàñà ìîëåêóëè âîäè ñòàíîâèòü 0,000 000 000 000 000 000 000 027 (2,7 ⋅ 10–23 ã). Çíàþ÷è ìàñó ìîëåêóëè, çíàéä³òü ¿õ ê³ëüê³ñòü ó 1 ã âîäè. 6. Ô³çèêè æàðòóþòü! Îòðèìàòè ÷àñòèíêó ðîçì³ðàìè ç àòîì âèÿâëÿºòüñÿíå òàê óæå é ñêëàäíî. Ñïðîáóéòå! Äëÿ öüîãî â³çüì³òü âåëèêå ÿáëóêî, ðîçð³æòå éîãî íàâï³ë. Îäíó ç ïîëîâèíîê çíîâó ðîçð³æòå íàâï³ë. Ïîâòîð³òü öþ ïðîöåäóðó ùå 30 ðàç³â ³ âè äîñÿãíåòå ìåòè. Ó âàøèõ ðóêàõ áóäå îäèí ç àòîì³â ÿáëóêà.
