Взаимное притяжение и отталкивание молекул
Почему одни вещества слипаются сами при плотном контакте, а другие — нет; почему тела не рассыпаются в пыль и не схлопываются в точку; как это притяжение и отталкивание молекул используют сварка, пайка и склеивание.
Ты берёшь свинцовый цилиндр, аккуратно разрезаешь его пополам и сразу же плотно прижимаешь половинки друг к другу голыми срезами — без клея, без сварки. К нижней половинке цепляют крючок и вешают тяжёлый груз, и она не отрывается. Что держит две половинки вместе, если между ними нет ничего, кроме самого металла?
Объяснять, почему одни тела слипаются при плотном контакте (притяжение молекул), а другие — нет, и что для этого нужно
Объяснять, почему молекулы твёрдых тел и жидкостей держатся на определённом расстоянии, а не слипаются в точку и не разлетаются — через баланс притяжения и отталкивания
Приводить примеры того, как притяжение молекул используют на практике — сварка, пайка, склеивание — и объяснять, зачем в каждом случае сближают поверхности
Взаимное притяжение и отталкивание молекул
Почему одни тела слипаются сами, а другие — нет
Ты уже прижимал два куска пластилина друг к другу — они слипаются мгновенно и намертво. А теперь представь, что вместо пластилина — два куска стали. Прижми их ладонью так же сильно — ничего не произойдёт, они останутся двумя отдельными кусками. Но если эти же куски стали заранее тщательно отшлифовать до зеркального блеска — они начнут слипаться сами, без клея и без сварки. Разница не в металле, а в том, что происходит на уровне молекул.
Молекулярное притяжение — это не магнит, который тянет издалека. Это скорее контактный «липкий» слой, который включается только вплотную, на расстоянии, сравнимом с размером самой молекулы. Отодвинься хоть на волосок дальше — и притяжение практически исчезает.
«Молекулы, из которых состоит вещество, взаимно притягиваются. Притяжение между молекулами различных веществ разное — этим объясняется то, что различные вещества имеют разную прочность.» И ещё: «Взаимное притяжение между молекулами проявляется на расстояниях, сравнимых с их размерами».
Не слиплось — значит, молекулы не подошли на расстояние «в свой размер»; ищи, что помешало: неровность поверхности или грязь на ней.
«Притяжение между двумя телами (например, металлическими брусками) возникает лишь тогда, когда их соприкасающиеся поверхности достаточно хорошо отшлифованы: у плохо отшлифованных поверхностей слишком мало молекул находится достаточно близко друг к другу.» Даже поверхность, которая на вид кажется гладкой, под микроскопом — горный рельеф из бугров и впадин. Реально соприкасаются только вершины бугров, а это ничтожная доля всей площади.
У обоих есть молекулы, значит, у обоих есть и притяжение между молекулами — само по себе это не отличие.
Отличие — в том, насколько близко эти молекулы могут оказаться. Срез свинцового цилиндра, сделанный острым ножом, получается почти идеально ровным — молекулы на срезе подходят к молекулам второй половинки почти вплотную.
Поверхность мела, даже нетронутая специально, рыхлая и неровная на микроуровне: настоящий контакт есть лишь в редких точках, остальная площадь просто не касается второго куска.
Раз молекул «в упор» слишком мало, суммарное притяжение получается ничтожным — мел не слипается, хотя притяжение между его молекулами никуда не делось.
Мел не липнет, потому что у него молекулы вообще не притягиваются друг к другу.
У молекул мела притяжение есть точно так же, как у любого вещества — рыхлая, неровная поверхность мела просто не даёт молекулам двух кусков оказаться близко друг к другу, а без этого притяжение не включается.
Если два бруска не слипаются при обычном прижатии руками, а после тщательной шлифовки — начинают слипаться, что изменилось на уровне молекул?
показать
Если два бруска не слипаются при обычном прижатии руками, а после тщательной шлифовки — начинают слипаться, что изменилось на уровне молекул?
Расстояние между молекулами двух брусков на большей части площади стало сравнимым с размером самой молекулы — раньше касались только редкие бугорки, теперь касается почти вся поверхность.
Два одинаковых кусочка пластилина прижали друг к другу — они слиплись в один комок. А два тщательно отшлифованных металлических бруска просто прижали ладонью — они тоже, хоть и слабее, «залипают» друг за друга. Что общего в этих двух случаях?
Почему тело не схлопывается в точку и не рассыпается
Если бы у молекул было только притяжение, любое тело давным-давно стянулось бы в одну точку — а этого не происходит. Значит, есть вторая сила, которая не даёт молекулам подходить друг к другу слишком близко.
«Между молекулами вещества существует и отталкивание. Отталкивание заметно проявляется на более близких расстояниях между молекулами, чем притяжение, т. е. когда расстояния между молекулами меньше размеров молекул.»
Молекулы твёрдого тела — как люди в плотной очереди: подойдёшь слишком близко к соседу — он мягко, но ощутимо потеснит тебя локтем (отталкивание). Отойдёшь слишком далеко — очередь начнёт подтягивать тебя обратно, чтобы не разрывался строй (притяжение). Комфортное расстояние — где-то посередине, и вокруг него все и топчутся.
Правило самопроверки: сжал тело — почувствовал сопротивление наружу — значит, преобладает отталкивание. Растянул тело — почувствовал сопротивление внутрь, тело тянет обратно — значит, преобладает притяжение (отталкивание при этом сдаёт быстрее). Между этими двумя крайностями есть удобное, равновесное расстояние, вокруг которого молекулы твёрдого тела и жидкости и держатся.
| Признак | Притяжение | Отталкивание |
|---|---|---|
На каком расстоянии заметнее | Расстояние сравнимо с размером молекулы или немного больше | Расстояние меньше размера молекулы — совсем близко |
Когда преобладает | Преобладает, когда расстояние между молекулами больше равновесного | Преобладает, когда расстояние между молекулами меньше равновесного |
Что будет, если тело растянуть | Преобладает — тянет молекулы обратно, к равновесному расстоянию | Ослабевает |
Что будет, если тело сжать | Ослабевает | Преобладает — толкает молекулы обратно, к равновесному расстоянию |
Роль для тела | Не даёт молекулам разлететься друг от друга | Не даёт молекулам слипнуться в одну точку |
«Именно одновременное действие притяжения и отталкивания удерживает молекулы твёрдых тел и жидкостей на определённом расстоянии, сравнимом с размерами молекул. При увеличении расстояния между молекулами начинает преобладать притяжение, а при уменьшении — отталкивание. Поэтому для того, чтобы изменить расстояние между молекулами, нужно прикладывать усилие.»
Здесь и дальше в уроке это расстояние называется «равновесным» — так удобнее для речи. В самом учебнике та же мысль звучит проще: «определённое расстояние». Если сверяешься с параграфом перед контрольной, ищи именно эту формулировку.
Набери в шприц немного воды и постарайся выгнать из него весь воздух — иначе результат смажется: воздух сжимается легко, а вода почти нет.
Заткни носик шприца пальцем, чтобы вода не могла вытечь.
Аккуратно, но с усилием попробуй вдавить поршень внутрь.
Поршень почти не сдвинется: вода не сжимается, потому что её молекулы уже уперлись друг в друга отталкиванием — тем самым, о котором говорилось выше, только теперь его чувствуешь не в мысленном опыте с пружиной, а прямо ладонью.
Раз молекулы и притягиваются, и отталкиваются одновременно, значит, эти силы гасят друг друга полностью, и на молекулы вообще ничего не действует.
Силы не гасят друг друга полностью — они уравновешены только на одном определённом расстоянии. Стоит молекулам сдвинуться ближе или дальше — баланс тут же нарушается, и одна из сил начинает преобладать, возвращая молекулы обратно.
Резиновый жгут растянули и держат в таком положении. Какая сила сейчас преобладает между его молекулами и куда она их тянет?
показать
Резиновый жгут растянули и держат в таком положении. Какая сила сейчас преобладает между его молекулами и куда она их тянет?
Преобладает притяжение — молекулы разошлись дальше равновесного расстояния, и притяжение тянет их обратно, друг к другу; поэтому жгут стремится сжаться, как только его отпустят.
Ты сдавливаешь стальную пружину руками, и она сопротивляется, толкая ладони назад. Какая сила молекул стали при этом растёт?
Как притяжение молекул заставляют работать на нас
Люди заметили: если поверхности слишком неровные, чтобы молекулы сами оказались вплотную, — можно им в этом помочь. Три главных способа сблизить молекулы там, где сами поверхности не справляются, — сварка, пайка и склеивание.
«a — сварка (вид соединения тел через расплавление и сближение молекул металлов)», «б — пайка (вид соединения тел через расплавление и сближение молекул металлов)», «в — склеивание (вид соединения тел с помощью клея, когда сблизить молекулы напрямую не удаётся из-за неровностей поверхности)».
Опорная связка: сварка расплавляет сам металл деталей — молекулы сближаются напрямую. Пайка расплавляет только припой — молекулы сближаются через посредника, а сами детали остаются твёрдыми. Склеивание не может расплавить дерево или бумагу — молекулы сближает клей. Всё это — варианты одного решения: подвести молекулы вплотную там, где сами поверхности для этого слишком неровные.
При сварке плавится сам металл обеих деталей — на границе шва молекулы одного куска и молекулы другого перемешиваются между собой, и после застывания граница между ними почти стирается.
При склеивании металл не плавится — клей заполняет промежутки между поверхностями и сам притягивается к молекулам металла с обеих сторон, но между самими деталями остаётся прослойка из другого вещества — клея.
Прочность шва в итоге определяется самым слабым звеном: у сварки это сам металл (граница почти исчезла), у склеивания — прочность самого клеевого слоя и его сцепления с металлом, которая обычно ниже прочности металла.
«Взаимодействуют не только молекулы одного и того же вещества: притяжение между молекулами воды и молекулами стекла больше, чем притяжение молекул воды между собой (опыт со стеклянной пластиной, на которой после отрыва от воды остаётся тонкий слой воды).» Значит, притяжение — не привилегия «своих» молекул: вода «предпочитает» остаться на стекле, а не полностью вернуться в общую массу воды.
Чистую стеклянную пластину подвешивают на нити за один край.
Пластину аккуратно опускают вниз, пока она не коснётся поверхности воды в широком сосуде.
Пластину медленно тянут вверх, отрывая от воды.
Отрыв идёт не по границе «стекло — воздух», а «по воде»: тонкий слой воды остаётся прилипшим к стеклу, а не стекает целиком обратно в сосуд.
Раз вода «предпочла» остаться на стекле, а не вернуться к остальной воде, — значит, притяжение между молекулами воды и молекулами стекла сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу.
Клей соединяет детали потому, что застывает и становится твёрдым, как гвоздь, вбитый между ними.
Клей соединяет детали потому, что его молекулы притягиваются к молекулам обеих поверхностей, а застывание лишь фиксирует это сближение и не даёт слою клея растекаться дальше.
Почему для склеивания двух деревянных планок клей сначала наносят жидким, а не сразу твёрдым куском?
показать
Почему для склеивания двух деревянных планок клей сначала наносят жидким, а не сразу твёрдым куском?
Жидкий клей затекает во все неровности поверхности дерева и подходит вплотную к молекулам с обеих сторон — только тогда включается притяжение; твёрдый кусок клея лежал бы сверху, как ещё один неровный предмет, не касаясь дерева на молекулярном уровне.
Сварщик расплавляет края двух металлических деталей и сближает их, пока металл ещё жидкий. Зачем нужно именно расплавление, а не просто сильное сжатие холодных деталей?
Две половинки свинцового цилиндра держит именно взаимное притяжение молекул свинца. Дело не только в ровном срезе: половинки ещё и плотно прижимают друг к другу с усилием, слегка проворачивая, — и мягкий, пластичный свинец под этим нажимом чуть сминается на срезе. От этого настоящая площадь молекулярного контакта резко растёт: молекулы одной половинки и молекулы другой на большей части среза оказываются на расстоянии, сравнимом с их собственным размером, — а на таком расстоянии притяжение уже работает. Заодно это объясняет, почему опыт не получится с двумя случайными, неотшлифованными кусками металла: у них реальный контакт есть лишь в нескольких точках, и суммарного притяжения не хватает, чтобы удержать груз.
Молекулы любого вещества притягиваются друг к другу, но лишь на расстояниях, сравнимых с размером самой молекулы — поэтому нужен настоящий плотный контакт, а не просто соседство.
Чем ближе молекулы подходят друг к другу, тем сильнее становится не только притяжение, но и отталкивание — и именно баланс этих двух сил держит молекулы твёрдых тел и жидкостей на определённом расстоянии.
Плохо отшлифованные поверхности почти не соприкасаются на уровне молекул — оттого два обычных бруска не слипаются, а хорошо отшлифованные или расплавленные — слипаются.
Сварка, пайка и склеивание — три разных способа сблизить молекулы там, где сами поверхности слишком неровные: через расплав самого металла, через расплав припоя-посредника или через клей.
Молекулы разных веществ тоже притягиваются друг к другу, и иногда сильнее, чем молекулы одного вещества между собой — как вода к стеклу.
Взаимное притяжение между молекулами вещества, заметное на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул; у разных веществ разное по силе — этим объясняется разная прочность материалов.
Сила, которая заметно проявляется между молекулами на более близких расстояниях, чем притяжение, — то есть когда расстояние между молекулами меньше их размера.
Расстояние между молекулами твёрдого тела или жидкости, на котором притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга; чтобы его изменить, нужно приложить усилие.
Соединение тел через расплавление и сближение молекул самого металла деталей.
Соединение тел через расплавление и сближение молекул металлов с помощью припоя-посредника.
Соединение тел с помощью клея — применяется, когда молекулы поверхностей напрямую сблизить не удаётся из-за неровностей.
| Притяжение | Отталкивание | |
|---|---|---|
Расстояние | сравнимо с размером молекулы | меньше размера молекулы |
Когда преобладает | если расстояние больше равновесного | если расстояние меньше равновесного |
При растяжении тела | преобладает, тянет обратно | ослабевает |
При сжатии тела | ослабевает | преобладает, толкает обратно |
- Сварка
плавят сам металл деталей
- Пайка
плавят только припой-посредник
- Склеивание
сближают через клей, без плавления
- Шлифовка
нужна для слипания без клея
- Разные вещества
тоже притягиваются, иногда сильнее (вода и стекло)
Если бы удалось идеально отшлифовать и полностью очистить от загрязнений две плоские металлические плиты, они слиплись бы намертво просто от соприкосновения — в вакууме такой эффект («холодная сварка») иногда мешает работе спутников: их металлические детали могут внезапно «свариться» друг с другом без всякого нагрева.
Свинец для опыта со сцепленными цилиндрами берут не за гладкость среза, а за мягкость: под нажимом, когда половинки прижимают друг к другу, пластичный свинец слегка сминается на срезе — и площадь настоящего молекулярного контакта резко растёт, куда больше, чем дал бы такой же нажим на твёрдый металл.
Почему два хорошо отшлифованных металлических бруска слипаются, а два обычных — нет?
У отшлифованных поверхностей молекулы оказываются достаточно близко — на расстоянии, сравнимом с их размером, — и включается притяжение; у неровных поверхностей реальный контакт есть лишь в нескольких точках.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИБудет ли легче сдвигать полированные стёкла, сложенные стопкой, если предварительно между ними положить листы сухой бумаги? Ответ поясните.
Приложил ладонь плашмя к обычному деревянному столу — ладонь не прилипает. Что мешает молекулам ладони и молекулам стола притянуться друг к другу?