11分子动理论的基本内容含解析

第一章分子动理论

1.分子动理论的基本内容教学设计•高端引领新课导入如图当我们经过一片桃花林时，在不远处很快就会闻到扑鼻的花香，这说明分子在运动，那么分子的运动规律是怎样的呢？它运动的快慢与什么有关呢？用弹簧测力计在空气中称量玻璃板的重量为G,把玻璃板紧贴在水面上,用弹簧测力计向上提玻璃板，要使玻璃板离开水面,弹簧测力计的示数大于G,是什么力使弹簧测力计的示数增加的，这种力有什么特点呢？教学建议关于对分子动理论的理解可从以下五个方面进行教学：通过宏观和微观两个方面体验物体是由大量分子组成的。做好扩散的演示实验,使学生体会到不论是气体、液体还是固体的分子都会发生扩散，且扩散的速度随温度的升高而变快。通过布朗运动的实验，使学生了解悬浮颗粒的无规则运动是分子无规则运动的反映，并且随温度的升高而加剧。列举常见的现象,做好演示实验，使学生对分子间的作用力有一个感性认识。通过弹簧模型类比分子间作用力与距离的关系，帮助学生认识分子力的特点。课程标准I素养目标H.知道物体是由大量分子组成的。（物理观念）II2.知道扩散现象及影响扩散快慢的因素有哪些。了解分子动理论的|（物理观念）基本观点及相关的实I3.理解布朗运动及布朗运动产生的原因。（物理验证据。|观念）通过实验，了解扩|4.知道分子力随分子间距离变化而变化的定性散现象，观察并能解|规律。（物理观念）释布朗运动。〔5.知道分子动理论的内容。（物理观念）利用显微镜观察布I6.通过对布朗运动的实验现象及成因的分析，体朗运动。I会并归纳其中的科学的研究方法。（科学思维）i7.通过科学家们对布朗运动成因的研究历程的II介绍,培养相应的科学精神。（科学态度与责任）必备知识•素养奠基一、物体是由大量分子组成的1.1mol水中含有水分子的数量就达6・02乂1023个,这足以表明,组成物体的分子是大量的。用放大几亿倍的扫描隧道显微镜才能观察到物质表面原壬的排列。二、分子的热运动（一）扩散现象定义:不同种物质能够彼此进入对方的现象。产生原因：扩散现象不是外界作用，也不是化学反应,而是物质分子的无规则运动产生的。应用:生产半导体器件时，需要在纯净半导体材料中掺入其他元素，在高温条件下通过分子的扩散来完成。布朗运动定义:悬浮微粒的无规则运动叫作布朗运动，是英国植物学家布朗在显微镜下观察到的。产生布朗运动的原因：液体分子无规则运动对固体微小颗粒各个方向撞击作用的不平衡性。影响布朗运动的因素：⑴微粒越小，布朗运动越明显。温度越高,布朗运动越激烈。热运动定义:分子这种永不停息的无规则运动叫作热运动。温度是分子热运动剧烈程度的标志。温度越高,扩散得就越快;温度越高，悬浮颗粒的布朗运动就越明显。三、分子间的作用力思考气体很容易被压缩，为什么液体和固体不容易被压缩呢？提示:气体分子之间存在很大的间隙，分子间的作用力小；液体和固体分子之间的间隙很小,分子间的相互作用力较大。分子间有空隙：气体很容易被压缩，表明气体分子间有很大的空隙。⑵水和酒精混合后总体积减少，说明液体分子之间存在着空隙。⑶压在一起的金块和铅块，各自的分子能扩散到对方的内部，说明固体分子之间有空隙。分子间存在着相互作用力：分子间同时存在着相互作用的引力和斥力,大量分子能聚集在一起形成固体或液体，说明分子间存在着引力;用力压缩物体，物体内要产生反抗压缩的作用力,说明分子间存在着斥力。分子力与分子间距离变化的关系：⑴r°的意义:分子间距离r=r0时,引力与斥力大小相等,分子力为零，所以分子间距离等于ro（数量级为1O-iom）的位置叫平衡位置。⑵分子间的引力和斥力都随分子间距离r的增大而减小,但斥力减小得更快。分子间存在引力和斥力的原因：分子是由原子组成的,原子内部有带正电的原子核和带负电的电子。分子间的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。四、分子动理论定义:在热学研究中常常以这样的基本内容为出发点，把物质的热学性质和规律看作微观粒子热运动的宏观表现。这样建立的理论叫作分子动理论。基本内容:物体是由大量分子组成的，分子在做永不停息的无规则运动，分子之间存在着相互作用力。对于任何一个分子而言，在某时刻的运动具有偶然性;但对大量分子的整体而言,它们的运动表现出规律性。关键能力•素养形成一阿伏加德罗常数的理解分子的简化模型：实际分子的结构是很复杂的，且形状各异。但如果我们只关心分子的大小，而不涉及分子内部的结构和运动，既可以把分子看成球体，也可以把分子看成立方体。具体分析如下：球体模型：固体和液体可看作一个紧挨着一个的球体分子排列而成的，忽略分子间空隙,如图甲所示。立方体模型:气体分子间的空隙很大，把气体分成若干个小立方体,气体分子位于每个小立方体的中心，每个小立方体是平均每个分子占有的活动空间，忽略气体分子的大小,如图乙所示。分子大小的估算：对于固体和液体，分子间距离比较小，可以认为分子是一个个紧挨着的,设分子体积为V,则分子直径d二」竺(球体模型)。对于气体，分子间距离比较大，处理方法是建立立方体模型，从而可计算出两气体分子之间的平均间距d=*亍(立方体模型)。阿伏加德罗常数的应用：微观量:分子质量m0,分子体积V0,分子直径do宏观量:物质的质量M、体积V、密度P、摩尔质量M「摩尔体积VAo微观量与宏观量的关系：分子质量:mo二号『£伐。分子体积:V0二忠二瓮(适用于固体和液体)。物质所含的分子数:N=nNA=£~NA=J*。阿伏加德罗常数:N4W二包空^(只适用于固体、液体)。Ai"n，口1En气体分子间的平均距离：d二取;'悴(V。为气体分子所占据空间的体积)。固体、液体分子直径:气匹十泠(V。为分子体积)。物体是由大量分子组成的，分子的大小很小:分子直径的数量级为10-1。m。分子体积的数量级一般为10-29m3。分子质量的数量级一般为10-26kg。分子如此微小，用高倍光学显微镜也看不到，直到1982年人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜，才观察到物质表面原子的排列。【思考•讨论】阿伏加德罗常数是一个重要常数，Na=6.02X1023mo1-1,它是联系宏观世界与微观世界的桥梁。(1)为什么说阿伏加德罗常数N是联系宏观世界与微观世界的桥梁？A提示:阿伏加德罗常数把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量联系起来了，所以说阿伏加德罗常数N是联A系宏观世界与微观世界的桥梁。摩尔体积二NX一个分子的体积，对所有物质都成立吗？A提示:不都成立,固体和液体可看作一个紧挨着一个的球形分子排列而成的,不考虑分子间距离,近似成立,对于气体来说,分子间距离比较大,气体摩尔体积二naX一个气体分子占据的体积。结合阿伏加德罗常数的意义，说说如何求出单个水分子的质量。提示:用M表示水的摩尔质量，用m表示单个水分子的质量,飞表示阿伏加德罗常数，则有m=2L。服【典例示范】很多轿车中设有安全气囊以保障驾乘人员的安全，轿车在发生一定强度的碰撞时，利用三氮化钠(NaN3)爆炸产生气体(假设都是N2)充入气囊。若氮气充入后安全气囊的•三士「V=56L,囊中氮气密度P=2.5kg/m3,已知氮气摩尔质量M=0.028kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6X1023mol-i,试估算：囊中氮气分子的总个数N;、一、一-，、―.、，，，、③、⑵囊口袤/兮十二.的平R巨至一。(结果保留一位有效数亍一)【审题关键】序号信息提取①气囊的容积就是N2的体积②氮气分子间的平均距离不是分子直径计算结束后，要注意结果保留一位有效数字【解析】(1)设N2的物质的量为n,则门=史:氮气的分子总数N=£LNaM代入数据得N=3x1024个(2)每个分子所占的空间为Vo=21设分子间平均距离为a,则有V0=a3,即a=：%=31代入数据得a^3x10-9m。答案:(1)3x1024个(2)3x10-9m【规律方法】微观量的求解方法阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁和纽带。建立合适的物理模型，通常把固体、液体分子模拟为球体或小立方体，气体分子所占据的空间则建立立方体模型。【素养训练】为了节约用水，某公园专门设计了雨水回收系统，平均每年可以回收雨水10500m3,相当于100户居民一年的用水量，请你根据上述数据估算一户居民一天的平均用水量与下面哪个水分子数目最接近(设水分子的摩尔质量为M=1.8X10-2kg/mol)3X1031个B.3X1028个C.9X1027个D.9X103。个100X365【解析】选C。每户居民一天所用水的体积V=捉5皿口3孑0.29m3,该体积所包含的水分子数目n二号4^^x6.02X1023个§9.7X1027个，选项C正确。100X365据统计“酒驾”是造成交通事故的主要原因之一，交警可以通过手持式酒精测试仪很方便地检测出驾驶员呼出的气体中的酒精含量，以此判断司机是否饮用了含酒精的饮料，当司机呼出的气体中酒精含量达2.4X10-4g・L-i时,酒精测试仪开始报警。假设某司机呼出的气体刚好使酒精测试仪报警，并假设成人一次呼出的气体体积约为300mL,试求该司机一次呼出的气体中含有酒精分子的个数(已知酒精分子的摩尔质量为46g・mo/-i,NA=6.02X1023mo/-i)。【解析】该司机一次呼出气体中酒精的质量为m=2.4x10-4x300x10-3g=7.2x10_5g一次呼出酒精分子的个数为N=ENA=jKx6.02x1023个^9.42x1017个。答案:9.42x1017个二扩散现象和布朗运动的理解影响扩散现象明显程度的三个因素：物态：气态物质的扩散现象最快、最显著。固态物质的扩散现象最慢，短时间内非常不明显。液态物质的扩散现象明显程度介于气态与固态之间。温度：同种物质，扩散现象发生的明显程度与物质的温度有关，温度越高,扩散现象越显著。浓度差:两种物质的浓度差越大，扩散现象越显著。布朗运动与分子热运动的关系：布朗运动是无规则的，反映分子运动是无规则的；布朗运动是永不停息的，反映分子运动是永不停息的；温度越高布朗运动越激烈，反映温度越高,分子的运动越激烈。布朗运动与扩散现象的异同点：项目扩散现象布朗运动不同点扩散现象是两种不同的物质相互接触时彼此进入对方的现象扩散快慢除和温度有关外，还受到“已进入对方”的分子浓度的限制，当进入对方的分子浓度较低时，扩散现象较为显著，当进入对方的分子浓度较高时，扩散现象不明显，但扩散不会停止布朗运动是悬浮在液体或气体中的微粒所做的无规则运动，而不是液体或气体分子的运动布朗运动的激烈程度与液体(或气体)分子撞击的不平衡性有关，微粒越小，温度越高，布朗运动越明显布朗运动永不停息相同点产生的根本原因相同，都是分子永不停息地做无规则运动的反映它们都随温度的升高而表现得更激烈【思考•讨论】在显微镜下追踪一颗在水中做布朗运动的花粉，每隔30s把花粉的位置记录下来，得到某个观测记录如图，画出的轨迹是花粉的运动轨迹吗？提示:布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动,而非分子的运动,只是反映了分子的无规则运动。对于某个花粉而言在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的，运动是无规则的,所以微粒没有固定的运动轨迹,图上只是每隔30s花粉颗粒位置的连线而不是花粉的运动轨迹。【典例示范】如图所示,描绘了一个微粒受到它周围液体分子撞击的情景,每个液体分子撞击时都给微粒一定的冲力，试解释：⑴体积很小的微粒做无规则运动；较大的悬浮微粒不做布朗运动。【解析】⑴由于微粒的体积很小,在某一瞬间和它相撞的分子数目也比较少，如果从某一个方向撞击的分子数多于从其他方向撞击的分子数,微粒受到的分子冲力就不平衡,它将在冲力大的方向产生加速度,下一瞬间,在另夕卜一个方向上受到的冲力大一些，微粒又在那个方向产生加速度。这样就弓1起了微粒无规则的运动。做布朗运动的微粒虽然不是分子，但是它的无规则运动是液体分子无规则运动的反映。(2)如果悬浮微粒比较大，虽然它也受到周围液体分子的碰撞，由于同时跟它碰撞的分子数较多，来自各个方向的冲击力的平均效果可以认为是相互平衡的。而且微粒的质量较大受到很小的冲击力，也很难改变原有的运动状态，所以较大的悬浮微粒不做布朗运动。答案:见解析【素养训练】如图所示是用显微镜观察到的悬浮在水中的一个花粉微粒的布朗运动等时间间隔位置的连线，以微粒在A点开始计时，每隔30s记下一个位置，依次得到B、C、D、E、F、G、H、I、J、K各点。则在第75s末时微粒所在的位置是(一定在C、D连线的中点一定不在C、D连线的中点一定在C、D连线上，但不一定在C、D连线的中点不一定在C、D连线上【解析】选D。在60s到90s时间内,微粒由C运动到D,但C、D连线并不是其轨迹，所以第75s末时微粒可能在C、D连线上,也可能不在C、D连线上，故D选项正确。(多选)下列语句中,描述分子热运动的是(酒香不怕巷子深B.踏花归去马蹄香C.影动疑是玉人来D.风沙刮地塞云愁【解析】选A、B。酒香在空气中传播,马蹄上的花香在空气中传播都属于扩散现象,是由分子无规则运动引起的,A、B正确;影动是由光学因素造成的,与分子热运动无关,C错误;风沙刮地是沙子在自身重力和气流的作用下所做的运动,不是分子的运动,D错误。【补偿训练】用显微镜观察液体中悬浮颗粒的布朗运动，所得到的结论正确的是布朗运动是分子的运动悬浮颗粒越大，布朗运动越激烈液体温度越低，布朗运动越激烈布朗运动是液体分子无规则运动的反映【解析】选D。布朗运动是固体颗粒的无规则运动，不是分子的运动,是液体分子无规则运动的反映,A错误,D正确;悬浮颗粒越小、液体温度越高，布朗运动越激烈,B、C错误。三对分子力的认识分子力的性质：根据现代分子结构理论，分子由原子组成，原子又是由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子形成的电子云组成的，可见，分子是一个复杂的带电系统，毫无疑问，分子间的作用力应属于电磁力。分子力的特点：分子间总是同时存在引力和斥力，实际表现出来的是它们的合力。分子间作用力随分子间距离而变化，当分子间的距离大于r0时，引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，但斥力的变化比引力的变化要快。分子力是短程力，分子间的距离超过分子直径的10倍，即1nm的数量级时，可以认为分子间作用力为零，气体分子间的作用力可忽略不计。分子力的规律：图像表示(如图所示)：当r=r0时,F引二F斥,F=0。当r<r0时,F引和F斥都随分子间距离的减小而增大，但F斥增大得更快,分子力表现为斥力。当r>r0时,F引和F斥都随分子间距离的增大而减小，但F斥减小得更快,分子力表现为引力。当rN10r0(10-9m)时,F引和F斥都十分微弱,可认为分子间无相互作用力(F=0)。模型表示：r=r0,F=0r<r0,F表现为斥力r>r0,F表现为引力QvwwQQxvvv^Q分子间的相互作用力像弹簧连接着的两个小球间的相互作用力。小球代表分子，弹簧的弹力代表分子斥力和引力的合力。如表所示：当弹簧处于原长时(r二r)，象征着分子力的合力为零。当弹簧处于压缩状态时(r<r0),象征着分子力的合力为斥力。当弹簧处于拉伸状态时(r〉r°),象征着分子力的合力为引力。分子力的宏观表现：当外力欲使物体拉伸时，组成物体的大量分子间将表现为引力以抗拒外界对它的拉伸。当外力欲使物体压缩时，组成物体的大量分子间将表现为斥力以抗拒外界对它的压缩。大量的分子能聚集在一起形成固体或液体，说明分子间存在引力。固体有一定形状，液体有一定的体积，而固体、液体分子间有间隙，却没有紧紧地吸在一起，说明分子间还同时存在着斥力。【思考•讨论】一段小铅柱，用刀切成两段，然后把两个断面对接，稍用力就能使两段铅柱接合起来，一端挂几千克的重物，也不会把铅柱拉开，而玻璃碎了却不能重新接合，为什么？提示:这是因为,第一,分子间有力的作用；第二,分子间的作用力与分子间的距离有关。铅柱切口很平时,稍用压力就能使两断面分子间距离达到引力作用的距离,使两段铅柱重新接合起来。玻璃断面凹凸不平,即使用很大的力也不能使两断面间距接近分子引力作用的距离；绝大多数的分子距离远大于10-9m,分子力已近似为零了,总的分子引力非常小,所以碎玻璃不能接合,若把玻璃加热,玻璃变软,亦可重新接合。当物体被拉伸时,分子间的作用力表现为引力，物体“反抗”被拉伸,这时分子间还有斥力吗？提示:有。这是因为分子间的引力和斥力总是同时存在的，分子间表现为引力,只不过是引力大于斥力，对外表现出引力。分子间存在空隙，大量分子却能聚集在一起形成固体、液体，那么分子是依靠什么聚集在一起的呢？提示:大量的分子能聚集在一起形成固体或液体，说明分子间存在引力。【典例示范】有甲、乙两个分子，甲分子固定不动，乙分子由无穷远处逐渐向甲靠近，直到不再靠近为止，在这整个过程中(分子力总对乙做正功乙总是克服分子力做功先是分子力对乙做正功，然后乙克服分子力做功乙先克服分子力做功，然后分子力对乙做正功【解析】选C。乙分子从无穷远逐渐向甲靠近过程中，当甲、乙两分子间距大于r°时,分子力表现为引力,分子力对乙做正功;当分子间距小于r0时,分子力表现为斥力,分子力对乙做负功。所以本题正确答案是C。【误区警示】分析有关分子间作用力问题时，要注意抓住以下三点：分子间的引力和斥力同时存在。分子间的引力和斥力随分子间距离变化时，同时增大或减小，斥力变化快。分子间作用力的合力随距离的变化要看分子间距离在哪个范围内。r<ro时,分子力随r增大而减小。r>r。时，随r增大，分子力先增大后减小。【素养训练】1.关于分子间的作用力，以下说法中正确的是(其中r。为分子处于平衡位置时分子之间的距离)(两个分子间距离小于r。时，分子间只有斥力两个分子间距离大于r。时，分子间只有引力压缩物体时，分子间斥力增大，引力减小拉伸物体时，分子斥力和引力都减小【解析】选D。分子间的弓|力和斥力是同时存在的，当r>r。时它们的合力表现为引力;当r<r0时它们的合力表现为斥力，故A、B选项都错。当物质分子间距离变化时,分子间的引力和斥力同时增大或减小，故C选项错,D选项对。（多选）当两个分子间距离为r。时，分子力为零，下列关于分子力说法中正确的是（当分子间的距离为r。时，分子力为零，也就是说分子间既无引力又无斥力当r<r。时，分子间距减小时，分子力逐渐增大当r>r。时,分子间距增大时，分子力逐渐增大在分子力作用范围内，不管r>ro,还是r<ro,斥力总比引力变化快【解析】选B、D。分子间同时存在引力和斥力，当r=ro时引力和斥力相等，所以A错;分子间引力和斥力都随分子间距离的减小（增大）而增大（减小），但斥力比引力变化得快，当r<r。时分子间距减小时,分子力逐渐增大，当r>ro时,分子间距增大时，分子力先增大后减小，故B、D正确，C错误。【补偿训练】分子间的相互作用力由引力F引和斥力F斥两部分组成，则（F引和F斥是同时存在的F引总是大于F斥,其合力总是表现为引力分子之间的距离越小,F引越小,F斥越大分子之间的距离越小,F引越大,F斥越小【解析】选A。分子间的弓|力和斥力是同时存在的，它们的大小和合力都与分子间距离有关，当分子间距离减小时，引力和斥力都增大，且斥力增大得更快。r<r。时合力表现为斥力,r>r0时合力表现为引力，故A正确。【拓展例题】考查内容:布朗运动与扩散现象的比较【典例】(多选)下列有关扩散现象和布朗运动的叙述中，正确的是(扩散现象与布朗运动都能说明分子在做永不停息的无规则运动扩散现象与布朗运动没有本质的区别扩散现象突出说明了物质的迁移规律，布朗运动突出说明了分子运动的无规则性规律扩散现象与布朗运动都与温度有关【解析】选A、C、D。扩散现象与布朗运动都是分子做永不停息的无规则运动的结果，故A正确;扩散是物质分子的迁移，布朗运动是宏观颗粒的运动,是两种完全不同的运动，故B错;两个实验现象说明了分子运动的两个不同规律，故C正确;两种运动随温度的升高而加剧，所以都与温度有关，故。正确。【课堂回眸】课堂检测•素养达标1.通常把萝卜腌成咸菜需要几天，而把萝卜炒成熟菜，使之具有相同的咸味，只需几分钟，造成这种差别的主要原因是(盐的分子太小了，容易进入萝卜中盐分子间有相互作用的斥力^萝卜分子间有空隙,易扩散D.炒菜时温度高，分子热运动剧烈【解析】选。。萝卜变咸的原因是盐分子扩散到萝卜中去，温度越高，布朗运动越剧烈，扩散现象越显著,萝卜变咸也就越快,故D正确。2.2018年11月16日第26届国际计量大会确定用4个基本常数重新定义千克、安培、开尔文和摩尔，其中摩尔用阿伏加德罗常数(na)定义，已知阿伏加德罗常数，则(知道物质分子的数目就可以确定物质的量知道物质的体积就可以确定每个分子的体积知道物质的质量就可以确定每个分子的质量知道物质的摩尔体积就可以确定分子的直径【解析】选低根据n二三求解物质的量,因为任何物质1mol的个数均Na为N,故A正确;根据V分子二匕求固、液分子体积还需要知道分子的个数，对于气体,知道物质的体积并不能确定分子体积，因为空气分子间距远大于分子直径,气体体积不是所有分子体积之和，故B错误;根据m八孑二土需要知道分子个数，才可以知道分子质量,故C错误;对于气体，分子&知道物质的摩尔体积和阿伏加德罗常数，能确定气体分子所占据的空间体积,并不能确定分子体积,也就无法求解分子直径,故D错误。关于分子的热运动，以下叙述正确的是(布朗运动就是分子的热运动热运动是分子的无规则运动，同种物质的分子的热运动剧烈程度相同气体分子的热运动不一定比液体分子的剧烈物体运动的速率越大，其内部的分子热运动就越剧烈【解析】选C。布朗运动是指固体小颗粒的运动,A错误;温度越高，分子无规则