Лекция №1
Скачать 152.59 Kb.
|
 4. Молекулярно-кинетическая теория.Лекция № 4.1
Основные положения МКТ. Мы начинаем новый раздел физики – Молекулярная физика, который изучает процессы и явления связанные с внутренним строением вещества. Основа молекулярной физики – Молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Основные положения МКТ состоят в следующем:
Существует множество прямых и косвенных свидетельств, подтверждающих эти положения. МКТ формировалась на протяжении многих веков: предположение о том, что вещества состоят из атомов выдвинул еще Демокрит, окончательное же развитие МКТ получила в конце 19 начале 20 веков. Молекулы и атомы. В это время стало понятно, что мельчайшими частицами вещества являются молекулы и атомы. Атом: мельчайшая, химически неделимая, частица вещества. Молекула: мельчайшая частица данного вещества. К концу 19 века стало понятно, что все вещества состоят из сравнительно небольшого количества (чуть более 100) частиц, которые назвали атомы. Атомы могут комбинироваться между собой, создавая значительно большее количество молекул. Хотя в дальнейшем было выяснено, что атомы также имеют внутреннюю структуру (состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов) и возможно одни атомы превратить в другие, но процесс этот крайне сложен, требует сложнейшей аппаратуры. Именно в этом контексте атомы называются мельчайшими частицами вещества, т.е. мельчайшими частицами, которые можно получить достаточно простым и доступным химическим путем. Молекулы (определенные комбинации атомов), определяют химические свойства данного вещества. Например вода состоит из двух атомов водорода и одного кислорода. Разделив молекулы воды на составляющие мы получим уже другое вещество. Т.е. молекула – мельчайшая частица именно данного вещества. В настоящее время наиболее бесспорное свидетельство существования молекул и атомов дают снимки сделанные с помощью электронного и туннельного микроскопов, которые позволяют увидеть их (обычный световой микроскоп для этого не годится, он не дает необходимого увеличения). Выясненно, что размер атомов составляет порядок 10-10 м или 0.1 нм, таким образом, небольшие группы молекул и атомов составляют объекты порядка нескольких нанометров. Некоторые вещества состоят из молекул, другие же составляются непосредственно из атомов. Движение молекул и атомов. Главная особенность движения молекул и атомов вещества в том, что оно является хаотическим. В каждый момент любая частица вещества может иметь практически любую скорость и направление движения. Но если движение каждой конкретной частицы непредсказуемо, то средние значения скорости подчиняются строгим законам, о которых мы будем говорить в дальнейшем. Характер движения частицы зависит от агрегатного состояния вещества. Мы знаем что вещества могут находится в твердом, жидком и газообразном состоянии. В случае твердого состояния частицы вещества совершают лишь небольшие хаотические колебания, в жидкости частицы колеблются но иногда способны перескакивать с одного места на другое, в газе частицы двигаются свободно, лишь иногда сталкиваясь друг с другом. Диффузия и Броуновское движение. Два явления наиболее ярко свидетельствуют о непрестанном хаотическом движении частиц вещества: диффузия и Броуновское движение. Диффузия: явление взаимного проникновения веществ друг в друга. Диффузия может идти и в твердом и в жидком и в газообразном веществах, хотя скорость ее в твердом теле крайне мала (мм/г), в жидкости она существенно больше (см/ч), а в газе самая большая (м/с). Скорость диффузии увеличивается при увеличении температуры, что говорит о том, что при увеличении температуры, увеличивается и скорость движения молекул. Броуновское движение: хаотическое движение небольших (видных в световой микроскоп) частиц взвешенных в жидкости или газе. Такие частицы двигаются потому, что количество молекул жидкости или газа, налетающих на них с разных сторон неодинаково. Удары этих молекул и создают движение самой частицы. Хотя мы не можем увидеть в световой микроскоп сами молекулы, но можем судить о их движении по поведению броуновских частиц. Температура – мера средней энергии молекул. Шкала Кельвина. К концу 19 века было выяснено, что средняя скорость хаотического движения молекул зависит только от температуры вещества. Уильям Томсон (лорд Кельвин) ввел новую шкалу температур – один градус в этой шкале был такой же, как в шкале Цельсия, а ноль был сдвинут на 273 градуса ниже (позже эта шкала была названа шкалой Кельвина). Томсон доказал, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул вещества: чем выше температура – тем больше средняя энергия молекул, а, значит, и средняя скорость. Абсолютный 0 температур (0оК) – это температура, при которой молекулы остаются неподвижными. Силы взаимодействия между молекулами. Энергия связи. Чтобы понять особенности структуры тверды, жидких и газообразных веществ нужно понять как взаимодействуют друг с другом отдельные молекулы и атомы. В первом приближении каждый атом можно считать твердым шариком. Если шарики находятся на расстоянии соизмеримым с их размерами между ними возникает сила притяжения. Шарики стремятся слипнуться друг с другом. Если мы при этом пытаемся сжать их еще сильнее, между ними возникают силы отталкивания. Если же шарики находятся на расстояниях много большем их размеров – шарики перестают взаимодействовать. Также важно понимать, что если шарики уже слиплись, чтобы оторвать один из них – необходимо затратить определенную энергию. Будем называть эту энергию энергией связи. Строение твердых, жидких и газообразных веществ. Твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные. В кристаллическом веществе частицы (атомы или молекулы) располагаются в строгом порядке вплотную друг к другу, в аморфном веществе – такого порядка нет. Кинетическая энергия частиц значительно меньше энергии связи, поэтому частицы не могут оторваться и улететь в другое место. В жидкости частицы располагаются почти вплотную друг к другу, но не имеют строгой упорядоченной структуры. Хотя некоторый порядок у молекул жидкости есть. Говорят что жидкость имеет ближний порядок (т.е. большинство соседних частиц остается рядом). Кинетическая энергия частиц жидкости уже соизмерима с энергией связи, поэтому частицы могут иногда отрываться от соседей и перелетать на другое место. В газах расстояние между отдельными частицами велико (на порядок больше их размеров) поэтому они практически не взаимодействуют. Дополнительные материалы: Броуновское дижение и Диффузия: http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=1HU6IRMX6aI http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=4mdZoy-ZDtk Лекция № 4.2
Моль. Число Авогадро. Молярная масса. Так как молекулы и атомы очень малы, а количество их очень велико, необходимо выбрать удобные единицы для работы с атомами. Единица моль – это единица в которой удобно считать количество молекул или атомов. (их можно считать в единицах, в тысячах, в квадрильонах, а можно в молях). Моль - это количество единиц, равное количеству единиц атомов содержащихся в 12 г углерода. Когда эта единица только была введена, никто не знал сколько конкретно единиц содержится в одном моле. Лишь позже, путем сложнейших опытов это число было посчитано и оказалось равным 6*1023. Это число назвали числом Авогадро Na=6*1023 1/моль. Итак, физическая величина: количество вещества ν показывает, сколько молей, т.е. сколько раз по числу Авогадро молекул или атомов содержится в данном веществе. Из вышесказанного следует формула, связывающая число частиц N и число молей ν N=Naν Молярная масса вещества (М) – масса одного моля (измеряется в г/моль или кг/моль). Из определение моля следует, что молярная масса углерода равна 12 г/моль. Сравнивая массы веществ, вступивших в реакцию с 12 г углерода (с 1 молем) химикам-аналитикам удалось рассчитать массу одного моля других атомов. Эти значения сейчас занесены в таблицу Менделеева. Зная молярную массу вещества М и количество молей ν можно легко рассчитать массу вещества m: m=Mν Молярная масса каждого атома численно равна его относительной атомной массе, которая по определению равна одной двенадцатой массы атома углерода. Как мы видим для описания массы частиц наиболее удобная величина – относительная атомная масса. Как уже говорилось раньше, удобная единица для описание размеров атомов и молекул: нм=10-9 м. Размеры самых маленьких атомов порядка 0,1 нм. Чтобы рассчитать массу одного атома mo в привычных единицах мы можем разделить массу всех атомов в одном моле, на количество атомов в моле, т.е. на число Авогадро: m0=M/Na Плотность и концентрация. Оценка размеров молекул. Как мы плотность вещества ρ – это масса единицы объема (V). В микромире связанная с плотностью единица называется концентрация n – количество частиц в единице объема (V). Легко понять что: ρ=m/V n=N/V Зная плотность вещества, мы можем оценить размер молекул вещества и расстояние между ними. Возьмем для начало твердое вещество, например железо. Плотность железа составляет 7800 кг/м3. Будем считать что атомы железа находятся вплотную друг ко другу, тогда найдем какой объем приходится на один атом железа. Для этого: - Найдем количество атомов в 1 м3 железа. Масса 1 м3 железа равна m=7800 кг, следовательно N=m/M *Na=8,3 1028 - Разделим 1 м3 на количество атомов содержащихся в нем. Итак, мы нашли объем кубика, в котором находится один атом железа. Если извлечь кубический корень из этого объема, мы найдем сторону кубика, которая будет приблизительно равна размеру атома. Получаем размер атома: а=  =2.28 10-10 м=0.3 нм.Если мы возьмем газообразное вещество, например воздух, плотность которого составляет 1.3 кг/м3 мы увидим, что плотность газа более чем в 1000 раз меньше чем плотность твердого тела. Это значит, что объем который занимают молекулы газа в 1000 раз больше объема, который они занимают в твердом теле. Модель идеального газа. Для описания самого простого по поведению молекул состояния вещества – газообразного, вводится понятие модели идеального газа. Идеальный газ это газ в котором можно пренебречь размером молекул и взаимодействием между ними. Большинство реальных газов подходят под модель идеального газа если они не слишком сильно и температура не слишком мала. В модели идеального газа отдельные молекулы представляются в виде материальных точек свободно хаотически двигающихся во всем объеме, предоставленному газу, взаимодействующему только со стенками его ограничивающими. Давление в газе. Мы помним. что давление показывает какая сила приходится на единицу площади p=F/S. Давление в газе возникает из-за того, что на стенки налетает огромное число молекул. Из-за статистических законов, в среднем за единицу времени суммарное давление этих молекул является практически постоянной величиной. Задания для самостоятельного выполнения. 4.1 Основные положения МКТ. Температура – мера средней энергии хаотического движения молекул.
а. Все вещества состоят из мельчайших частиц. а. Существование твердых тел. б. Частицы находятся в непрестанном движении. б. Явление испарения. г. Частицы взаимодействуют между собой. в. Замерзание льда. г. Фотографии атомов в электронном микроскопе.  д. Броуновское движение. е. Диффузия. 3. Какая из представленных картинок изображает модель твердого кристаллического вещества____, а какое - аморфного___? (впишите букву рисунка) Что на данных картинках символизирует черточка, связывающая белые и черные кружочки? ___________ Почему одни кружочки белые, а другие черные ________ Нарисуйте в этом же стиле рисунок, характеризующий особенности жидкого и газообразного веществ.
_________________________
_________________________
Весь найденный материал добавьте к материалу лекции.
- Выясните что значат все входящие в нее буквы.
4.3. Моль. Молярная масса. Число Авогадро.
- числовая характеристика показывающая сколько молекул содержится в веществе. - специфическое понятие, применимое только к молекулам и атомам. - значение которое показывает во сколько раз количество молекул в веществе больше числа Авогадро. - это 12 грамм углерода.
-В реакции участвовало меньше моля кислорода. -В реакции участовал ровно моль кислорода. -В реакции участвовало больше моля кислорода. -Выяснив какая часть углерода в реакции не прореогировала, возможно определить количество молей кислорода, учавстовавшего в реакции.
Напишите формулу для расчета количества молекул:______________________
- Определите размер ВВП США в молях (16 трлн. USD)___________________ 7. - Определите массу 105 молекул водорода.____________________ - Определите массу 1014 молекул кремния____________________ - Определите массу 1023 молекул серной кислоты___________________ 8. Заполните таблицу:
4.4. Практическое занятие. Изучение модели движения броуновской частицы. Цель работы: изучение работы законов случайных чисел для больших и маленьких броуновских частиц. Для создания модели мы будем использовать электронную таблицу Excel. Мы будем моделировать удары молекул по Броуновской частице при промощи функции генерации случайных чисел от -10 до 10. [=СЛУЧМЕЖДУ(-10;10) ] Расчет будет проводиться для 5 последовательных моментов времени. (каждый момент времени свой столбец в электронной таблице) Будем моделировать две броуновские частицы: большую и маленькую. (маленькая будет испытывать 10 ударов в момент времени, а большая 100 ударов) Проведение расчета: 1) Подготовте столбец из 10 ячеек, в каждой из которых находится функция генерации случайных чисел. 2) Под столбцом напишите функцию суммирования 10 ячеек и деления их на 10. Таким образом мы будем рассчитывать смещение частицы. 3) Копируем столбец с формулами 4 раза, получаем еще 4 момента времени (в итоге у нас получается таблица 11 на 5 ячеек) 4) Под первым столбцом пишем координату частицы равную 0. Под вторым и последующими пишем формулу: предыдущее значение координаты+смещение частицы. Таким образом получаем значения координаты Броуновской частицы за 5 последовательных моментов времени.  Повторяем все расчеты для Большой частицы (столбец из 100 ячеек). Скрываем значения всех ячеек, кроме значений координат для первой и второй частицы. Строим графики зависимости координыт от момет времени. Делаем вывод.
- Определите объем воды массой 10 г. Напишите формулу и ответ: ____________________ - Определите концентрацию молекул в воде. Напишите формулу и ответ:________________
молекулы водорода: молекулы кислорода: молекулы воды:
Напишите формулы и решение в общем виде и ответ.
- Определите сколько молекул соли попадет в стакам объемом 200 мл, если зачерпнуть воду из водоема.
увеличение силы ударов молекул, увеличение температуры, увеличение скорости движения молекул, увеличение количества уаров молекул, увеличение давления. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |  | Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой |
| Лекция №5 Лекция №5 Вредные вещества и их воздействие на человека. Основы промышленной токсикологии | | Лекция. Проектирование графического интерфейса пользователя Лекция №11 Комплексная программа «Программа воспитания и обучения в детском саду» под редакцией М. А васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой... |
| Лекция-диалог, проблемная лекция, консультация, собеседование, реферат,... Активные формы и методы проведения учебных занятий – это способы и приемы воздействия, побуждающие | | Лекция должна отвечать следующим Лекция – одна из основных форм организации учебного процесса, представляющая собой устное, монологическое, систематическое, последовательное... |
| «Давление газа» Данный урок является развивающим, так как он проводится с использованием новых технологий (интерактивная лекция). Лекция сопровождается... | | Лекция «Олимпийские игры древности» Лекция «Возрождение Олимпийских игр» Перечень мероприятий по внедрению системы олимпийского образования «Сочи 2014» в образовательных учреждениях Кемеровского муниципального... |
| Лекция Компьютерные слайды как Лекция Компьютерные слайды как средство виртуальной наглядности. Технология создания дидактического компьютерного материала в программе... | | Лекция 1"государство как социальная структура общества"(8часов) 61... Умк по дисциплине «Правоведение» разработан кафедрой правосудия, прокуроского надзора и криминалистик юш двфу для студентов не юридических... |
| Лекция «Художественная литература о воспитании безнадзорных детей»,... М 15 А. С. Макаренко. Публичные выступления (1936-1939 гг.). Аутентичное издание. Составитель, автор комментариев: Гётц Хиллиг. Серия:... | | Лекция Лаб |
| Лекция «Художественная литература о воспитании безнадзорных детей» | | Лекция шишек, плодов, семян, деревьев и кустарников Коллекция «Лён» |
| Лекция. Практик Тригонометриянең төпбердәйлекләренһәм формулаларынкабатлау, искэ төшерү. Мисалларчишү, өстендээшләу | | Лекция №1 Первая двухпартийная связка: федералисты-антифедералисты (республиканцы), 1789-1825 |
