Конспект урока "Молекулы. Движение молекул"

Урок № 2

Молекулы. Движение молекул.

Цель урока: ввести понятие атома и молекулы, рассмотреть их движение в веществе; продемонстрировать опыт Штерна.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Повторение. Проверка домашнего задания.

1. Какие представления о строении вещества имели древнегреческие мыслители Демокрит и Эпикур?

2. Какие представления о строении вещества отражены в поэме Лукреция Кара «О природе вещей»?

3. Почему представления древнегреческих учёных о строении вещества долгое время оставались гипотезой и не могли превратиться в теорию?

4. Какие явления и опыты, описанные в параграфе, доказывают, что тела состоят из мельчайших частиц? Приведите свои примеры.

5. Какие опыты доказывают, что между частицами, из которых состоят тела, существуют промежутки?

3. Изучение нового материала.

Из опытов, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе, следует, что вещество можно разделить на отдельные частицы. Возникает вопрос: до каких пор можно производить это деление? Оказывается, существует определённый предел деления вещества. Иными словами, существует самая маленькая частица, которая сохраняет свойства вещества.

Наименьшую частицу вещества, которая сохраняет его химические свойства, называют молекулой.

Слова «химические свойства» не являются новыми; они известны вам из курсов естествознания и химии. Рассмотрим, что значит «сохраняет химические свойства», на примере мела. Мел — это вещество, представляющее собой соединение кальция Са, углерода С и кислорода О (СаСО₃). Это соединение имеет определённые химические свойства, в частности, оно может вступать в реакцию с каким-либо другим веществом. При этом и кусок мела, и молекула этого химического соединения будут вести себя в реакции одинаково. В этом смысле и говорят, что молекула сохраняет химические свойства данного вещества.

Слово «молекула» происходит от латинского слова «молекуле», что значит «маленькая масса».

Таким образом, можно сказать, что вещество состоит из молекул: мел состоит из молекул соединения кальция, сахар — из моле­кул сахара, вода — из молекул воды и т. д.

Многочисленные опыты показали, что молекулы очень малы. Увидеть их невооружённым глазом невозможно. И даже с помощью специального микроскопа можно сфотографировать лишь самые крупные молекулы. На рисунке 6 приведена фотография молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) бактерии. Если эту молекулу растянуть, то её длина будет равна 1,4 мм. Диаметр молекул таких веществ, как азот, водород, кислород и др., равен примерно 10^-7мм. То, что некоторые молекулы увидели и сфотографировали, доказывает факт их существования.

О размере молекул можно судить по следующим примерам. Если уложить в ряд сто миллионов молекул воды, то получится цепочка длиной всего около 2 см. Молекула водорода во столько раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Поскольку молекулы такие маленькие, то в теле их содержится очень много. Так, в 1 см³ воздуха содержится 27∙10¹⁸ молекул.

Для того чтобы получить представление о числе молекул в единице объёма и соответственно об их размерах, предположим, что имеется стакан воды и молекулы воды, находящейся в нём, определённым образом помечены. Выльем эту воду в Чёрное море. Будем считать также, что вода в море равномерно перемешалась. Зачерпнём из моря в любом месте стакан воды и увидим, что в нём окажутся сотни меченых молекул воды.

Масса молекулы, так же как и её размеры, очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна 3,3∙10^-24 г, или 3,3∙10^-27 кг, а масса одной молекулы воды — 3∙10^-26 кг. Масса и размеры молекул одного и того же вещества одинаковы. В настоящее время масса и размеры молекул различных веществ определены достаточно точно.

Возникает вопрос: можно ли молекулу разделить на отдельные частицы? Оказывается, можно! Молекула воды, например, состоит из водорода и кислорода. Однако водород и кислород уже другие вещества, и они обладают свойствами, отличными от свойств воды. Разделить молекулу воды на такие вещества можно в процессе химической реакции.

Частицы, из которых состоят молекулы веществ, называют атомами.

Атом — наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях.

Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли — из одного атома натрия и одного атома хлора. Молекула сахара, который мы обычно употребляем в пищу, более сложная: она состоит из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода, а молекула белка состоит из тысячи атомов.

Существуют вещества, молекулы которых содержат однородные атомы. Например, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода.

Таким образом, можно сказать, что вещества состоят из молекул и атомов.

Определённое вещество, независимо от того, как оно получено, состоит из одних и тех же молекул и атомов. Например, молекула воды, полученной при таянии льда, или из сока ягод, или налитой из-под крана, содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекула кислорода, извлечённая из атмосферного воздуха или полученная в ходе какой-либо химической реакции, состоит из двух атомов кислорода.

Движение молекул. Диффузия

Вы уже знаете, что все вещества состоят из молекул и атомов, между которыми есть промежутки. Возникает вопрос: покоятся молекулы вещества или они движутся? Чтобы ответить на него, обратимся к явлениям, хорошо вам знакомым.

Если повесить на верёвку мокрое бельё, то оно через некоторое время высохнет. Очевидно, вы знаете, что произойдёт, если смочить ватку духами: очень скоро запах духов будет чувствоваться в другом конце комнаты. Подобные явления заставили древних мыслителей задуматься о строении вещества; это описано Лукрецием Каром в поэме «О природе вещей».

Если бы молекулы были неподвижны, то бельё не высыхало бы и запахи не распространялись бы по комнате. Остаётся предположить, что молекулы движутся. Сложность экспериментальной проверки этого предположения заключается в том, что молекулы малы и само их движение наблюдать невозможно. Однако можно изучить явления, которые являются следствием движения молекул. Рассмотрим одно из них.

В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун (1773— 1858) изучал с помощью микроскопа поведение частичек цветочной пыльцы, взвешенных в воде. Он заметил, что частички совершают беспорядочное движение; они как бы дрожат в воде. Такое движение называют броуновским.

На рисунке 7 показана в увеличенном масштабе траектория движения частицы.

Причину движения частиц пыльцы долго не могли объяснить. Броун предположил вначале, что частицы движутся, потому что они живые. Движение частиц пытались объяснить неодинаковым нагреванием разных частей сосуда, происходящими химическими реакциями и т. д.

Лишь значительно позже поняли истинную причину броуновского движения. Эта причина — движение молекул воды. Молекулы воды, в которой находится частица пыльцы, движутся и ударяются о неё. При этом с разных сторон о частицу ударяется неодинаковое число молекул, что и приводит к её перемещению.

Пусть в момент времени t₁ под действием ударов молекул воды частица переместилась из точки А в точку В (см. рис. 7). В следующий момент времени большее число молекул ударяется о частицу с другой стороны, и направление её движения изменяется, она перемещается из точки В в точку С. Таким образом, движение частицы пыльцы является следствием движения молекул воды, в которой пыльца находится.

Подобное явление можно наблюдать, если поместить в воду частицы краски или сажи. Броуновское движение частиц можно наблюдать и в газах.

Выясним, каков характер движения молекул.

По траектории движения частицы пыльцы (см. рис. 7) видно, что направление её движения всё время меняется. Поскольку движение частицы — следствие движения молекул воды, то можно сделать вывод, что молекулы движутся беспорядочно (хаотически). Иными словами, нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы.

Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно. Итак,

молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.

Положение тела, совершающего равномерное механическое движение, можно определить, если известны его начальное положение, скорость и время движения. Иначе обстоит дело в случае движения молекул.

Вы уже знаете, что тела состоят из большого числа молекул. Поскольку движение молекул беспорядочно, то нельзя точно сказать, сколько ударов будет испытывать та или иная молекула со стороны других. Поэтому говорят, что положение молекулы и её скорость в каждый момент времени случайны. Однако это не означает, что движение молекул не подчиняется никаким законам. В частности, хотя скорости молекул в любой момент времени различны, у большинства из них значения скорости близки к некоторому определённому значению. Обычно, говоря о скорости движения молекул, имеют в виду среднюю скорость (v_cр).

Скорости движения молекул были определены экспериментально немецким учёным Отто Штерном (1888—1969) в 1920 г. Сущность опыта Штерна можно объяснить, используя модель, изображённую на рисунке 8. На подставке 1 установлен диск 2; на нём — полая изогнутая трубка 3. По краю диска укрепле­ны спички 4. Если диск покоится, то шарик, пущенный по трубке, собьёт спичку, расположенную напротив её изогнутого конца (точка А).При вращении диска за время движения шарика точка А повернётся на некоторый угол и шарик собьёт спичку, расположенную в точке В. Чем больше скорость шарика, тем ближе к точке А он будет сбивать спички.

Установка в опыте Штерна состояла из двух жёстко связанных цилиндров 1 и 2, имеющих общую ось (рис. 9). В стенке внутреннего цилиндра была проделана щель 3, а вдоль оси цилиндра натянута платиновая нить 4, покрытая серебром. Нить нагревали, с неё испарялись атомы серебра, которые пролетали через щель и осаждались на внутренней поверхности внешнего цилиндра.

Пока цилиндры были неподвижны, атомы осаждались напротив щели. Осадок имел форму полоски (рис. 10, а). Когда цилиндры приводили во вращение, то атомы серебра осаждались не напротив щели, а на некотором расстоянии от полоски атомов, образовавшейся в случае неподвижных цилиндров. При этом в зависимости от скорости движения атомов они оседали на разных расстояниях от полоски. Поэтому полоска не имела чётких границ, как бы раз­мывалась. При этом центральная её часть была толще, чем края (рис. 10, б). Это означает, что скорость большей части атомов близка к некоторому определённому значению.

Если известны путь, пройденный молекулой (атомом), и время, за которое он пройден, то можно определить скорость молекулы. Из опыта Штерна найдено, что скорости большинства атомов серебра при температуре 1200 °С лежат в интервале от 500 до 625 м/с.

4. Актуализация знаний. Закрепление материала.

1. Каков предел деления вещества?

2. Что называют молекулой?

3. Каковы размеры молекул?

4. Сколько молекул воздуха содержится в 1 см³?

5. Что такое атом?

6. Из каких атомов состоит вода; поваренная соль?

7. Можно ли разделить атом на более мелкие частицы в ходе химической реакции?

8. До каких пор будет растекаться капля масла, помещённая на поверхность воды в широком сосуде? Ответ обоснуйте.

9. В 1 м³ любого газа при одинаковых условиях содержится равное число молекул. Почему плотность кислорода почти в 10 раз больше плотности водорода?

10. В 1 см³ любого газа при 0 ^оС содержится 27∙10¹⁸ молекул. Какова масса 1 см³ водорода, если масса одной молекулы водорода равна 3,3∙10^-24г?

11. Приведите примеры явлений, доказывающих, что молекулы движутся.

12. Как вы понимаете, что движение молекул беспорядочное и непрерывное?

13. Чем отличается движение молекулы газа от механического движения тела?

14. Как в опыте Штерна были определены скорости движения молекул?

5. Домашнее задание.

§§ 3, 4 (стр. 8-14), ТПО №№ 6, 7, 8.

• 1 слайд

• 2 слайд

  Наименьшую частицу вещества, которая сохраняет его химические свойства, называют молекулой.

• 3 слайд

  Многочисленные опыты показали, что молекулы очень малы. Увидеть их невооружённым глазом невозможно. И даже с помощью специального микроскопа можно сфотографировать лишь самые крупные молекулы. На рисунке 6 приведена фотография молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) бактерии. Если эту молекулу растянуть, то её длина будет равна 1,4 мм. Диаметр молекул таких веществ, как азот, водород, кислород и др., равен примерно 10-7мм.

• 4 слайд

  В 1 см3 воздуха содержится 27∙1018 молекул

• 5 слайд

  Частицы, из которых состоят молекулы веществ, называют атомами. Атом — наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях.

• 6 слайд

  Лукреций Кар

• 7 слайд

  Роберт Броун (1773— 1858)

• 8 слайд

  Броуновское движение

• 9 слайд

  На рисунке 7 показана в увеличенном масштабе траектория движения частицы

• 10 слайд

  Молекулы движутся беспорядочно (хаотически). Движение молекул никогда не прекращается, поэтому молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.

• 11 слайд

  Отто Штерн (1888—1969)

• 12 слайд

  Сущность опыта Штерна можно объяснить, используя модель, изображённую на рисунке 8.

• 13 слайд

  Опыт Штерна

• 14 слайд

  Из опыта Штерна найдено, что скорости большинства атомов серебра при температуре 1200 °С лежат в интервале от 500 до 625 м/с.

• 15 слайд

  Домашнее задание. §§ 3, 4 (стр. 8-14), ТПО №№ 6, 7, 8.