Вау, как устроен мир: Большая книга открытий для любознательных детей

Из чего состоит всё вокруг: атомы, вещества и их превращения

Вчера после дождя у качелей блестела широкая лужа. Мира обвела её палочкой и сказала:

— Завтра проверим, насколько она уменьшится.

Но утром лужи не было. Только тёмный след на песке — и тот быстро высыхал.

— Вода пропала! — удивился Лёша.

— Или растворилась в земле? — предположила Мира.

Обе догадки звучали правдоподобно. Но догадка — ещё не ответ. Сначала надо посмотреть, что именно мы заметили. Лужа лежала на асфальте, рядом не было ни стока, ни трещины, куда могла бы утечь вся вода. Значит, часть воды могла впитаться в землю по краям, но куда делась остальная?

На стекле машины, припаркованной неподалёку, блестели капельки. А когда из тёплого дома выходят на холодную улицу, иногда будто «запотевают» очки. Может быть, вода умеет превращаться — и при этом не исчезать?

Невидимые путешественники

Самый простой ответ звучит почти волшебно: лужа испарилась. Но волшебства тут нет. Вода превратилась в невидимый водяной пар и перемешалась с воздухом.

Испарение происходит не только в жару. Оно идёт с поверхности воды даже в прохладный день, просто обычно медленнее. Вода состоит из мельчайших частиц, и они всё время движутся. Некоторые частицы у поверхности движутся достаточно быстро, чтобы вырваться из воды и оказаться в воздухе. Вода в луже становится газом — водяным паром.

В воздухе этот пар не превращается в пустоту. Он смешивается с другими невидимыми газами. А потом, если влажный воздух охлаждается, часть водяного пара снова становится жидкой водой: на траве появляются капли росы, на холодном стекле — мелкие бусинки, а высоко в небе образуются облака из крошечных капель или ледяных кристалликов.

Так вода путешествует по Земле: испаряется, поднимается с воздухом, охлаждается и возвращается на землю дождём или снегом. Конкретная капля может отправиться в долгое путешествие, прежде чем снова окажется в луже. Правда, мы не можем проследить за ней взглядом: вода уже перемешалась с воздухом, реками и океанами.

Чтобы понять, почему вода способна на такие превращения, заглянем в мир, которого не увидеть даже в самый сильный бинокль.

Из чего сделаны вещества

Возьми металлическую ложку, крупинку сахара или стакан воды. Они выглядят совершенно по-разному. Но все эти материалы состоят из мельчайших частиц.

Вещество — это то, из чего сделаны предметы. У веществ есть свойства: цвет, твёрдость, запах, способность растворяться, проводить тепло или электрический ток. Атомы — крошечные частицы, из которых построены химические элементы и множество веществ. Например, железо состоит из атомов железа, а каждый атом кислорода принадлежит к элементу кислороду.

Атомы невозможно разглядеть обычным микроскопом. Их размер — примерно одна десятимиллиардная доля метра. Для сравнения: если увеличить атом до размера стадиона, его ядро окажется крошечной точкой, а области, где могут находиться электроны, займут гораздо больше места. Это не значит, что атом похож на миниатюрную солнечную систему. Такое сравнение помогает только представить разницу в размерах: электроны не кружат вокруг ядра как планеты вокруг Солнца.

Атом тоже не твёрдый шарик, хотя на рисунках атомы часто показывают разноцветными шариками — так удобнее изображать частицы и их связи. В центре атома находится ядро, а вокруг него — область, в которой можно обнаружить электроны. В ядре есть протоны и, у большинства атомов, нейтроны. Число протонов отличает один химический элемент от другого: атомы с одним протоном — водород, с шестью — углерод, с двадцатью шестью — железо.

Атомы способны соединяться. Группа связанных атомов называется молекулой. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Это записывают коротко: H₂O. В молекуле кислорода — два атома кислорода, поэтому её формула O₂. В сахаре тоже есть молекулы, и они гораздо крупнее молекулы воды.

Но важное уточнение: не все вещества состоят из отдельных молекул. В поваренной соли частицы образуют большой упорядоченный кристалл. В нём есть заряженные частицы — ионы натрия и хлора, расположенные по определённому порядку. А в металлах атомы образуют решётку, в которой некоторые электроны могут перемещаться. Поэтому металлы хорошо проводят электрический ток — к этой интересной особенности мы ещё вернёмся.

Воздух тоже не «ничто». Он занимает место и имеет массу, хотя мы обычно его не видим. Воздух — смесь разных газов: в нём много молекул азота и кислорода, есть аргон, углекислый газ и водяной пар. Значит, вокруг нас не только отдельные чистые вещества, но и смеси веществ.

Один и тот же материал — разные состояния

Вода может быть льдом, жидкостью или газом. Это три состояния вещества, с которыми мы часто встречаемся.

В твёрдом льду частицы расположены близко друг к другу и в основном колеблются около своих мест. В жидкой воде они тоже находятся близко, но могут перемещаться и скользить мимо соседей. В газе частицы разлетаются дальше друг от друга и свободно движутся во все стороны.

Представь не сами частицы-шарики, а танцоров на площадке. В «твёрдом состоянии» каждый танцор почти стоит на своём месте, но слегка покачивается. В «жидком» люди стоят близко и могут меняться местами. В «газообразном» танцоры разошлись по огромному залу и бегают в разные стороны. Это только модель: настоящие частицы не танцуют и не похожи на крошечных людей. Но она помогает заметить главное — при смене состояния меняется движение частиц и расстояние между ними.

Когда лёд получает тепло, частицы начинают двигаться энергичнее, и лёд тает. Вода при этом не превращается в новое вещество: молекулы H₂O остаются молекулами H₂O. Когда жидкая вода испаряется, происходит то же самое — меняется состояние, а не состав молекул. Если водяной пар охлаждается, молекулы движутся медленнее и собираются в жидкие капельки. Это называется конденсацией.

Водяной пар невидим. Белое облачко, которое иногда видно над горячим напитком или у чайника, — это не сам невидимый газ, а множество крошечных капель жидкой воды. А кипение — особый вид перехода в газ: пузырьки водяного пара возникают во всём объёме воды. Испарение же происходит с поверхности и может идти при разных температурах.

Лаборатория маленькой капли

Проверим, как вода испаряется и снова превращается в капли. Для этого не нужны ни плита, ни кипяток.

Сначала наблюдаем испарение.

1. Поставь две одинаковые неглубокие тарелки или блюдца.

2. В каждое налей по одной-две столовые ложки воды. Отметь уровень — например, попроси взрослого наклеить снаружи небольшую полоску бумаги.

3. Одно блюдце оставь открытым, а второе прикрой прозрачной миской.

4. Поставь их в безопасное место, подальше от края стола и домашних животных. Загляни туда через несколько часов или на следующий день.

В открытом блюдце воды, скорее всего, станет меньше. Она не исчезла бесследно: часть её испарилась и смешалась с воздухом. Под прозрачной миской вода тоже может испаряться, но пар остаётся рядом и может оседать на прохладной поверхности. Поэтому уровень там обычно меняется иначе.

Теперь попробуем увидеть конденсацию. Здесь понадобится взрослый.

1. Попроси взрослого налить в чистый прозрачный стакан немного тёплой воды из-под крана — не горячей.

2. Накрой стакан пищевой плёнкой. Поставь на плёнку кубик льда.

3. Подожди несколько минут и внимательно посмотри на нижнюю сторону плёнки.

Постепенно на ней могут появиться мелкие капельки. Вода со дна стакана испаряется, водяной пар поднимается внутри стакана и охлаждается возле холодной плёнки. Часть пара превращается обратно в жидкость. Вот и весь секрет «пропавшей» воды: некоторые её частицы совершили небольшой круговой маршрут.

С тёплой водой работает только взрослый. Не ставь стакан на плиту, не используй кипяток и не нагревай закрытые ёмкости. Если взрослого рядом нет, проведи безопасный вариант: поставь холодный стакан с ледяной водой на стол и наблюдай, как снаружи на нём появляются капли. В этом случае вода приходит не из стакана — она конденсируется из воздуха комнаты.

Такой опыт не позволяет узнать историю каждой отдельной молекулы. Зато он показывает важное правило: при обычном испарении и конденсации вода не пропадает, а переходит из одного состояния в другое.

Паспорт вещества

Учёные не ограничиваются вопросом «На что это похоже?». Они собирают наблюдения и описывают вещество по нескольким признакам. Ты тоже можешь завести для домашних материалов паспорт вещества.

Запиши в нём:

•название;

•из каких частиц вещество состоит, если это известно;

•как оно выглядит и какими свойствами обладает;

•в каком состоянии находится при обычной комнатной температуре;

•что с ним происходит при охлаждении или нагревании;

•появляется ли при изменении новое вещество.

Вот несколько примеров.

Вода. Её молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При комнатной температуре вода обычно жидкая. На холоде она замерзает, а при достаточном нагревании испаряется или кипит. Лёд и водяной пар всё ещё состоят из молекул воды.

Поваренная соль. Это твёрдый кристалл из ионов натрия и хлора, а не скопление отдельных молекул. Соль растворяется в воде: частицы соли распределяются в ней, хотя мы перестаём видеть крупинки. Если воду отделить от соли, например дать ей испариться, соль может снова остаться кристаллами. Растворение часто относят к физическим изменениям: новых веществ в обычном смысле не образуется.

Железо. Это металл, состоящий из атомов железа. Ложка или гвоздь — твёрдые при комнатной температуре. При сильном нагревании металл может расплавиться, но для такого опыта нужны специальные условия и взрослые. Если железный предмет долго соприкасается с водой и кислородом воздуха, он может заржаветь.

Сахар. Это твёрдое вещество из молекул. В воде сахар растворяется и становится почти невидимым, но его молекулы не превращаются от этого в воду. А при сильном нагревании сахар меняется: темнеет, приобретает новый запах и вкус. Тут уже могут образовываться другие вещества.

Воздух. Это смесь газов. Он прозрачен и не имеет собственной формы: принимает форму комнаты, шара или шины. Но воздух занимает место — это легко заметить, когда надуваешь шарик. Нагретый воздух обычно расширяется, а охлаждённый — сжимается.

Заполняя паспорт, пользуйся глазами, линейкой, весами или термометром — но не пробуй неизвестные вещества на вкус и не нюхай их прямо из ёмкости. Наблюдение должно быть не только любопытным, но и безопасным.

Просто изменилось — или родилось новое?

Когда лёд растаял, получилось жидкое вещество — вода. Когда вода испарилась, получился водяной пар. Материал тот же, хотя его состояние изменилось. Такие перемены называют физическими.

Физические изменения происходят, когда меняются форма, размер, состояние или расположение частиц, но не возникает новое вещество. Можно разломить мел на кусочки: они станут меньше, но останутся мелом. Можно растворить сахар в воде: сахар разделится на молекулы и распределится в жидкости. А вот сгорание бумаги — совсем другое дело. Бумага превращается в золу и газы, среди которых есть углекислый газ и водяной пар. Возникли вещества с другими свойствами.

Такое превращение называют химической реакцией. Во время обычной химической реакции атомы не исчезают: они меняют партнёров и образуют новые сочетания. Например, железо вступает в реакцию с кислородом и постепенно покрывается ржавчиной. А при горении воска часть веществ воска соединяется с кислородом и образует, в частности, углекислый газ и водяной пар.

Иногда подсказкой служат пузырьки газа, изменение цвета или появление тепла. Но одна такая подсказка ещё не доказывает, что произошла химическая реакция. Пузырьки могут появиться, когда вода просто кипит: это водяной пар. А пузырьки при реакции уксуса с пищевой содой — углекислый газ, новое вещество. Надёжнее спросить: изменилось ли только состояние или форма материала — или появились вещества с другими свойствами?

И ещё одно важное правило: необратимость не равна химической реакции. Разбитую чашку трудно склеить, но её осколки всё ещё сделаны из того же материала. А некоторые химические реакции при подходящих условиях можно обратить. Поэтому важно выяснять, что именно произошло, а не только легко ли вернуть всё обратно.

Лужа, лёд и капля на холодном стекле напомнили нам: обычная вода умеет менять состояние, не исчезая. Атомы и молекулы — невидимые строительные частицы веществ, но разные материалы устроены по-разному: где-то частицы образуют молекулы, где-то — кристаллические решётки, а иногда вещества смешиваются друг с другом. При физических изменениях частицы могут двигаться иначе и располагаться по-новому; при химических — атомы соединяются в новые сочетания. Теперь, если увидишь, как тает снежинка или запотевает окно, ты сможешь не только удивиться, но и задать хороший вопрос: что осталось прежним, а что изменилось?

Почему всё движется: силы, энергия, свет и электричество

На столе стояла самая странная гоночная трасса в мире. Картонная горка, дорожка из обрезка ткани, финишная линия из синей ленты — и маленькая лампочка, которая должна была вспыхнуть, когда всё заработает.

Лиза поставила тележку на старт и отпустила.

Тележка скатилась с горки, проехала по гладкому кусочку стола… и остановилась за ладонь до финиша.

Лампочка не загорелась.

— Понятно! — решила Лиза. — Машине не хватает силы. Нужно подтолкнуть посильнее.

Она уже занесла руку, но остановилась. Тележка могла не доезжать по разным причинам. Колесо заедало? Дорожка слишком шершавой? Горка слишком низкой? А лампочка, может быть, вообще не связана с тележкой и просто неправильно подключена?

У инженера есть волшебное правило, которое сильнее любого толчка: сначала выяснить, что именно не работает.

Тележка под следствием

Лиза взяла линейку, карандаш и блокнот. Для начала она решила не толкать тележку, а каждый раз отпускать её с одной и той же отметки. Тогда старт получится честным: тележка получит примерно одинаковый разгон, и можно будет сравнивать попытки.

Но отчего она вообще движется?

На тележку действуют силы. Сила — это взаимодействие, которое может изменить движение предмета: разогнать его, замедлить, остановить или повернуть. Когда Лиза поднимает тележку на горку, она прикладывает силу руками. Когда отпускает, на неё действует притяжение Земли. На наклонной дорожке часть этого притяжения помогает тележке скатываться вниз.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.