Атомные процессы

Вот сколько можно сказать с атомной точки зрения о твердых телах, жидкостях и газах. Однако атомная гипотеза описывает также процессы, поэтому мы теперь перейдем к рассмотрению ряда процессов с точки зрения атомной теории. Вначале рассмотрим процессы, происходящие на поверхности воды. Что здесь происходит? Сделаем теперь картину более сложной — и более близкой к реальности — представим, что поверхность воды соприкасается с воздухом. Рисунок 1.5 показывает границу между водой и воздухом. Мы видим, что молекулы воды, как и раньше, образуют жидкость, но теперь здесь изображена и ее поверхность. Над ней мы видим различные молекулы: во-первых, там есть молекулы воды в парообразном состоянии. Это водяной пар, который всегда присутствует над водной поверхностью (между паром и водой существует равновесие, которое будет рассмотрено позже). Кроме того, мы обнаруживаем здесь ряд других молекул: вот два атома кислорода соединились, образовав молекулу кислорода; вот два атома азота, также слипшиеся в молекулу азота. Воздух состоит почти полностью из азота, кислорода, некоторого количества водяного пара и меньших долей углекислого газа, аргона и прочего. Так что над поверхностью воды находится воздух — газ, содержащий водяной пар. Что происходит на этом рисунке? Молекулы воды постоянно движутся. Время

Рис. 1.5. Молекулы воды, испаряющиеся в воздух от времени одна из них, оказавшись на поверхности, получает толчок чуть сильнее, чем обычный, и выталкивается прочь. Это трудно показать на картинке, потому что она неподвижна. Но мы можем представить, что та или иная из молекул воды у поверхности только что испытала удар и теперь улетает вверх. Так, молекула за молекулой вода исчезает — она испаряется. Но если мы закроем сосуд сверху, то через какое-то время среди молекул находящегося в нем воздуха обнаружится значительное количество молекул воды. Время от времени какая-то из этих молекул пара подлетает к поверхности воды и снова пристает к ней. Таким образом мы видим, что, казалось бы, мертвая, неинтересная вещь — стакан воды с крышкой, который стоял здесь, может быть, двадцать лет, — оказывается, таит в себе сложный и интересный, беспрерывно идущий динамический процесс. Для нашего грубого зрения, в нем ничего не происходит, но если бы мы могли стать в миллиард раз зорче, то увидели бы, что там, внутри, постоянно что-то меняется: одни молекулы покидают поверхность, другие возвращаются.

Почему мы не замечаем этих изменении? Потому что испаряется ровно столько молекул, сколько осаждается! И с течением времени «ничего не происходит». Если же мы снимем крышку сосуда, и влажный воздух в нем сменится сухим, тогда число испаряющихся молекул останется точно таким же, так как это зависит от температуры воды, а число возвращающихся значительно сократится, так как над водой станет гораздо меньше молекул воды. Число улетающих молекул превысит число оседающих, и вода будет испаряться. Так что, если вы хотите, чтобы вода испарялась, включите вентилятор!

Остается еще вопрос: какие именно молекулы отрываются от поверхности воды? Когда молекула выбивается, причиной тому служит аккумуляция несколько большего, чем обычно, количества энергии, которое требуется, чтобы оторвать молекулу от притяжения ее соседей. Следовательно, если энергия вылетающих молекул выше среднего, то энергия оставшихся молекул воды становится меньше. Движение их уменьшается. Поэтому жидкость при испарении постепенно остывает. И, конечно, когда молекула пара из воздуха приближается к поверхности воды, между ней и поверхностью возникает вдруг большое притяжение. Это ускоряет вновь прибывшую молекулу, и возникает новое тепло. То есть, покидая воду, молекулы уносят с собой тепло; возвращаясь — приносят. Когда испарение уравновешивается конденсацией, баланс сходится — температура воды не меняется. Если же мы дуем на воду, чтобы поддерживать постоянное преобладание числа испаряющихся молекул, то вода будет остывать. Поэтому дуйте на суп, чтобы остудить его!

Конечно, вы должны понимать, что процессы, только что описанные нами, на самом деле гораздо более сложны. Не только вода испаряется, но порой и молекула кислорода или азота коснется поверхности и «затеряется» среди массы молекул воды. Молекулы кислорода и азота проникают в воду, это означает растворение воздуха в воде. Если мы внезапно откачаем воздух из сосуда, то молекулы воздуха будут покидать воду быстрее, чем поступать назад, и наверх будут подниматься пузырьки. Это явление очень вредно для водолазов, как вы, наверное, знаете.

Теперь перейдем к другому процессу. На рис. 1.6 представлено (с атомной точки зрения) твердое тело, растворяющееся в воде. Что будет, если бросить в воду кристаллик соли? Соль — это твердое тело, кристалл, в котором «атомы соли» расставлены правильными рядами. На рис. 1.7 показана трехмерная структура обычной соли, хлорида натрия. Строго говоря, кристалл состоит не из атомов, а из так называемых ионов. Ион — это атом, у которого либо есть лишние электроны, либо их не хватает. В кристалле соли содержатся ионы хлора (атомы хлора с избыточным электроном) и ионы натрия (атомы натрия с недостающим электроном). В твердой соли все ионы связаны силами электрического притяжения, но когда кристалл попадает в воду, некоторые ионы, под воздействием притяжения отрицательного кислорода и положительного водорода, начинают сво-

Рис. 1.6. Молекулы соли, растворенной в воде

Рис. 1.7. Структура кристалла соли

бодно двигаться. На рис. 1.6 мы видим, как от кристалла отрывается ион хлора, а другие атомы плавают в воде в виде ионов. Эта картинка была составлена с умом. Обратите внимание, например, что молекулы воды повернуты к ионам хлора почти всегда своими атомами водорода, а к ионам натрия — атомами кислорода, потому что ион натрия положителен, а атом кислорода в составе молекулы воды — отрицателен, и они электрически притягиваются друг к другу. Можем ли мы сказать по этой картинке, растворяется ли здесь соль в воде или, наоборот, кристаллизуется? Конечно, нет, поскольку в то время как одни атомы покидают кристалл, другие возвращаются к нему. Этот процесс динамический, точно так же, как и испарение. Все зависит от количества соли в воде — превышает ли оно тот уровень, который требуется для равновесия, или меньше этого уровня. Под равновесием мы имеем в виду такое состояние, когда количество уходящих атомов в точности совпадает с количеством возвращающихся. Если в воде почти нет соли, больше атомов будет покидать кристалл, чем возвращаться к нему, и соль растворится. Если, наоборот, слишком много «соляных атомов», то возвращаться будет больше ионов, чем теряться, и соль будет кристаллизоваться.

Отметим мимоходом, что понятие молекулы, вещества только приблизительно и имеет смысл только для некоторых видов веществ. В случае с водой ясно, что три атома действительно соединились вместе. Но в случае хлорида натрия в кристалле это не ясно. Просто ионы натрия и хлора выстроены в определенную кубическую структуру, и в природе они никогда не образуют «молекулу соли».

Вернемся к нашему вопросу о растворении и осаждении. Если мы повысим температуру соляного раствора, то количество атомов, покидающих кристалл, возрастет, но также возрастет и количеств осаждаемых. Вообще оказывается очень трудно предсказать, как поведет себя тот или иной раствор. Большинство веществ с ростом температуры растворяются сильнее, а у некоторых растворимость падает.