Основы молекулярно - кинетической теории

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ «СЫЗРАНСКИЙ ПОЛЕТИХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

                        Технология модульного обучения

Тема:         «Основы молекулярно – кинетической теории»

Автор – разработчик: Гафурова Наталья Юрьевна

                                     Преподаватель физики «СПК»

                                             Сызрань, 2017 год

Молекуляно – кинетическая теория (МКТ) – теория, которая объясняет некоторые явления движением и взаимодействием частиц.

Основные положения: 1) все вещества состоят из частиц

                                        2) все частицы находятся в непрерывном, хаотическом  движении

                                       3) все частицы взаимодействуют друг с другом, одновременно притягиваясь и отталкиваясь

Опытные обоснования:

1)    Современные электронные микроскопы;

2)    Открытие в 1803 году Дальтоном закона кратных отношений: для любых химических соединений выполняется кратность отношений, то есть они имеют дискретную структуру (состоят из целых частей)

NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅

3)    Броуновское движение

В 1827 году Броун наблюдал движение пыльцы, растворенной в воде.

Сделал вывод: двигаются, так как живые.

Затем прокипятил: частички все равно двигались. Брал краску, растворял в воде и наблюдал: частички краски двигались.

Вывод: двигаются не потому, что живые, а потому, что их толкают более мелкие частицы – молекулы.

Броуновское движение – тепловое движение частиц, взвешенных в жидкости или газе.

Взвешенные – распространенные по всему объему жидкости или газа равномерно.

Диффузия – явление проникновения частиц одного вещества в пространство между частицами другого вещества.

4)    Синтез и распад вещества.

Синтез – образование из простых химических элементов сложных.

Распад – сложное вещество распадается на простые элементы.

Без взаимодействия молекул не было бы твердых и жидких тел. Если бы отсутствовали силы притяжения, то все тела находились бы только в газообразном состоянии. Но только силы притяжения не могут обеспечить устойчивые образования из атомов и молекул. На очень малых расстояниях между молекулами обязательно действуют силы отталкивания. Благодаря этому молекулы не проникают друг в друга, и вещество не сжимается до размеров одной молекулы.

Молекулы состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. В целом атом нейтрален, но на близких расстояниях происходит электрическое взаимодействие электронов и атомных ядер соседних атомов. На расстояниях, превышающих 2 – 3 диаметра молекул, действуют силы притяжения. На расстояниях равных сумме радиусов молекул сила притяжения равна нулю, если расстояние уменьшать, то между молекулами возникают силы отталкивания. Чем меньше расстояние, тем больше силы отталкивания.

Приблизительные размеры молекул оцениваются ≈ 10^-7 – 10^-8 см, а масса одной молекулы - ≈ 10^-26 кг.

Массу одной молекулы можно вычислить по формуле m₀ =  где М молярная масса (масса одного моля).

m₀ (кг)

М ()

Моль υ – количество вещества, равное отношению числа молекул в данном теле N к постоянной Авогадро N_A (число атомов или молекул в одном моле вещества). N_A = 6,02·10²³ моль^-1

υ = N/ N_A.

Моль - количество вещества υ, в котором содержится столько же атомов или молекул, сколько атомов в 0,012кг углерода.

Масса всего вещества определяется по формуле:

m = m_{0 ·} N = m_0· υ· N_{A =} M· υ

Из этой формулы можно вывести еще одну для определения количества вещества: υ =

             Строение газов, жидкостей и твердых тел.

ГАЗ	ЖИДКОСТЬ	ТВЕРДОЕ ТЕЛО
Расстояния между молекулами большие. Легко сжимаются. Скорость молекул достигают сотен метров в секунду. Хаотичное движение и слабые силы притяжения дают возможность газам заполнять весь предоставленный объем. Не сохраняют формы и объема.       p = 1/3·m·n·v2	Молекулы расположены почти вплотную друг к другу, совершая колебания около положения равновесия – «бег на месте». Затем совершают «прыжок» -  перемещаются из одного положения равновесия в другое. Малая сжимаемость. Обладает текучестью. Сохраняет объем, но не сохраняет форму.          p = ρ·g·h	Атомы и молекулы колеблются около определенных положений равновесия. Сохраняет объем и форму.            p =

                                           Идеальный газ.

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышают их размеры, => взаимодействие между ними очень мало и Е_к >> Е_п

Физическая модель реального разреженного газа – идеальный газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.

Каково же давление идеального газа?

Давление газа возникает вследствие ударов молекул о стенки сосуда.

Оно зависит: 1) от массы молекул: чем больше масса молекул, тем с большей силой они ударяются о стенку сосуда, => давление больше.

                       2) от числа молекул или концентрации n =  , это число молекул в единице объема. Чем меньше объем, тем большее число молекул приходится на единицу объема, тем большее число соударений происходит со стенкой сосуда, => давление растет.

                    3) от скорости движения молекул. Чем больше скорость молекулы, тем с большей силой она ударяется о стенку сосуда, => давление растет.

р ~ n

p~m,=>p=nmv²
p ~ v²

В формуле появился коэффициент 1/3 и средняя квадратичная скорость. Почему?

Так как молекул очень много и двигаются они по- разному, то невозможно вычислить скорость каждой молекулы! Мы только должны знать, к какому результату приводит движение всех молекул. Скорости всех молекул могут быть любыми, но среднее значение модуля этих скоростей вполне определенное, кроме того, нам нужно значение не самой скорости, а квадрата скорости, так как от нее зависит средняя кинетическая энергия молекул.

Обозначим модули скоростей V₁, V₂, V₃…

Среднее значение квадрата скорости V² =(V₁² +V₂² + V₃² +…)/N, где N -  число молекул. Квадрат модуля любого вектора равен сумме квадратов его проекций на оси OX, OY, OZ

V² = V_x² + V_y² + V_z²

Так как направления  OX, OY, OZ вследствие беспорядочного движения молекул равноправны, то    V_x² = V_y² = V_z²,  следовательно V_x² =1/3 ·V², V(м/с)ю Из формулы   p=nmv²  и   Е_к = (mV²)/2   можем получить

                                                   p =  · n ·E_к

Образец выполнения задания

Справочные материалы

1.Определение молярной массы Определить молярную массу молекулы воды. Использовать таблицу Менделеева. М(Н2О) =М(Н2) + М(О) = 1· 2 + 16 = 18г/моль = 18· 10-3кг/моль 2.Определить массу одной молекулы воды. Дано: М(Н2О)  = 18· 10-3кг/моль NA = 6,02·1023 моль-1 Найти:  m0 Решение: m0 =  = (18· 10-3кг/моль)/( 6,02·1023 моль-1) = 3· 10-26кг 3.Определить число молекул в 10гр воды. Дано: m = 10гр = 0,01кг М(Н2О)  = 18· 10-3кг/моль NA = 6,02·1023 моль-1 Найти: N Решение: N = ; m0 =  => N = m· N = (0,01кг· 6,02· 1023моль-1)/ 18·10-3кг/моль = 0,3·1024молекул 4.Определить количество вещества в 2гр воды. Дано: М(Н2О)  = 18· 10-3кг/моль m = 2гр = 0,002кг Решение: υ =  = 0.002кг/18· 10-3кг/моль≈  0.1моль 5. Определить количество атомов в 1 м3 меди, если ее плотность 9000 кг/м3 Дано: М = 64·10-3кг/моль V = 1 м3 ρ = 9000 кг/м3 Найти: N Решение: N =  · NA,  ρ= N = ρ·V·NA: М =9000 кг/м3· 1· 6,02·1023 моль-1: (64·10-3кг/моль) = 0,85·1029атомов 6.Как изменится давление газа, если концентрация увеличится в 3 раза? Дано: n1 n2 = n1· 3 Найти: р2/р1 Решение: р1= 1/3·m0·n1·V2 р2= 1/3·m0·n2·V2 р2/р1 = (1/3·m0·n2·V2)/( 1/3·m0·n1·V2) = n2/ n1 = n1· 3/ n1 = 3 Ответ: давление возросло в 3 раза.

1гр = 10-3кг 1гр/моль = 10-3кг/моль NA = 6,02·1023 моль-1  <=> a·d = b·c 0,1 = 10-1 0,01 = 10-2 0, 001 = 10-3 0,0001 = 10-4 10 = 101 100 = 102 1000 = 103 10000 = 104 10m·10n = 10m+n 10m : 10n = 10m-n 107 ·10-4 = 103 105 : 10-7 = 105-(-7) = 1012 ρ – плотность (кг/м3) ρ= ρ= m0·n V – объем (м3)

                                   Практическая часть

Решить:

1.Определить молярную массу: SO₂, H₂SO₄, HCl, N₂O₅, C₂H₅OH.

2.Определить  массу одной молекулы: SO₂, H₂SO₄, HCl, N₂O₅, C₂H₅OH.

3.Найти число молекул в 5гр SO_2, в 1гр H₂SO_4, в 100гр HCl.

4.Определить количество вещества в 100гр SO₂, в 50гр H₂SO_4, в 1кг C₂H₅OH.

5.Находившаяся в стакане вода массой 200гр полностью испарилась через 20 суток. Сколько в среднем молекул воды вылетало с ее поверхности за 1 секунду? (3,9·10¹⁸ молекул)

6.В результате нагревания давление газа в закрытом сосуде увеличилось в 4 раза. Во сколько раз изменится скорость их движения? (увеличится в 2 раза)

7.Во сколько раз изменится давление газа при уменьшении его объема в 3 раза? Средняя скорость движения молекул осталась неизменной. (увеличится в 3 раза)

8.Какова средняя квадратичная скорость движения молекул газа, если, имея массу 6кг, он занимает объем 5м³ при давлении 2·10⁵ Па?

9.Найти концентрацию молекул кислорода О₂, если его давление 0,2·10⁶ Па,

а средняя квадратичная скорость равна 700м/с? (2,6·10²⁵м^-3)

10.Каково давление азота N, если средняя квадратичная скорость его молекул 500м/с, а плотность 1,35кг/м³? (0,11·10⁶Па)

11. Найти среднюю кинетическую энергию молекул газа при давлении 2·10⁴Па, если концентрация составляет 3·10²⁵м^-3. (10^-21 Дж)

12. Определить число молекул в 1м³ водорода, если давление газа 2,66·10⁴Па, а средняя квадратичная скорость его молекул 2400м/с. (4,4·10²⁴молекул)

Ответить на вопросы:

1. Почему слесарная и станочная обработка металлов требует значительных усилий? Почему обработка стали труднее обработки дюралюминия?

2. Для чего служат мерительные плитки? Почему они плотно прилипают друг к другу?

3. Чтобы соединить два куска металла, один помещают в патрон станка и придают ему вращение, а другой с усилием прижимают к нему. Этот метод называют сваркой трением. Почему в этом случае получается прочное соединение?

4. Советские ученые разработали методы изготовления деталей из порошков различных материалов. На каком физическом явлении основана порошковая металлургия?

5. Если железную деталь поместить в угольный порошок, содержащий углерод, а затем нагреть, то поверхностный слой железа обогатится углеродом (цементация). На чем основан такой способ?

6. Что общего между сваркой и паянием?

7. Что такое холодная сварка? В чем она заключается? Почему получается прочное соединение?

8. В чем заключается сварка плавлением? Для соединения каких металлов и сплавов применяется сварка плавлением?

9. Для сварки металлов не смешивающихся в жидком состоянии используется диффузионная сварка – соединение деталей в вакууме при определенных значениях температуры, давления и времени сварки. Каков механизм диффузионной сварки? Почему при увеличении времени сварки растет прочность свариваемых деталей?

10. Сливки на молоке быстрее отстаиваются в холодном помещении. Почему?

11. На каком физическом явлении основаны засол рыбы, овощей и варка варенья?

12. почему в горячей воде сахар и соль растворяются быстрее, чем в холодной?

13. Почему холодные блюда лучше недосаливать?