Движение и взаимодействие молекул конспект
Обновлено: 07.07.2024
Цель урока: углубить знания обучающихся о броуновском движении и диффузии, объяснить явления на основе положений молекулярно-кинетической теории.
Тип урока: изучение нового материала.
Задача урока: рассмотреть зависимость характера движения молекул от взаимодействия, вспомнить, что такое диффузия, установить зависимость скорости диффузии от температуры.
Оборудование: мультимедийная презентация, учебник.
- Что такое вещество и из чего оно состоит?
- В каких состояниях может находиться вещество?
- Чем отличается вещество в разных агрегатных состояниях?
- Что общего в различных агрегатных состояниях одного вещества?
- Какие процессы перехода вещества из одного состояния в другое вы знаете?
- В какое состояние надо перевести лед, чтобы заполнить им сосуд?
Давайте посмотрим, что происходит, когда мы распыляем аэрозольный баллон. Распространение запахов возможно благодаря движению молекул веществ. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы духов много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.
- Ребята, а как вы думаете, почему частички пыльцы двигались? Что способствовало движению пыльцы?
Впоследствии это явление назвали броуновским движением .
Явление, при котором происходит взаимное проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией . (Поведение молекул вещества при диффузии)
- Как вы думаете, благодаря чему происходит процесс диффузии? ( Причина диффузии - беспорядочное движение молекул)
В начале урока мы наблюдали процесс диффузии в газах.
- А возможна ли диффузия в жидкостях? ( Диффузия может происходить в любых средах)
Явление диффузии мы с вами наблюдали на прошлом уроке в опыте по растворению кристаллов марганца в воде. Т.е. частички марганца проникали в промежутки между молекулами воды и тем самым вода окрашивалась в розовый цвет.
Видео : Например, известно, что две хорошо отшлифованные пластины свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет. За это время молекулы свинца и золота проникли друг в друга (перемешались) на расстояние около 1 мм.
- Как вы думаете, в каких средах диффузия происходит быстрее? От чего еще зависит скорость диффузии?
Видео: Процесс диффузии ускоряется с увеличением температуры. Это происходит потому, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул. Таким образом, явление диффузии протекает по-разному при разной температуре: чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.
Жидкости и твердые тела не распадаются на отдельные молекулы, даже не обращая внимания на то, что их молекулы распределены промежутками и постоянно находятся в беспорядочно непрерывном движении. Например, скорость движение молекул воды зависит от ее температуры
При расстоянии 0,000001 см этих сил практически нет.
- Попробуйте объяснить, почему не распадаются два куска пластилина приведённые в соприкосновение.
Видео : ОПЫТ СО СВИНЦОВЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
Между молекулами есть взаимное притяжение. Данное притяжение видно только на расстояниях, которые можно сравнить с размерами самих молекул. В таком случае возникает вопрос: почему же есть промежутки между молекулами? Кажется, что они должны притягиваться одна к другой и слипнуться.
Не происходит это, потому что одновременно между молекулами с притяжением есть и отталкивание. Во время сближения молекул до расстояния, которые можно сравнить с размерами собственно молекул, поначалу начинает появляться притяжение, а при последующем сближении – отталкивание молекул, которое начинает брать верх над притяжением.
Именно отталкивание молекул обусловлено тем, что большинство сжатых предметов распрямляться. При сжатии данных тел мы настолько сжимаем молекулы, что отталкивание оказывается больше их взаимного притяжения. Это приводит к распрямлению упругих тел (например, пружина).
Диффузия — явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов.
Опыты показывают, что диффузии в газах — самый быстрый процесс, в жидкостях он протекает гораздо медленнее, но может наблюдаться даже в твердых телах. Соединив гладко отполированными поверхностями два бруска из разных металлов, например из меди и алюминия, и оставив их в таком положении на длительное время (на 4—5 лет), мы обнаружим их сращивание за счет проникновения атомов меди в алюминиевый образец и, наоборот, проникновения атомов алюминия в медный.
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, потому, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.
Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры. При более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Скорость движения молекул и температура тела взаимосвязаны. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.
Проявление диффузии: окрашивание, склеивание, проникновение питательных веществ из кишечника в кровь.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
7 класс. Физика
Тема урока: Движение и взаимодействие атомов и молекул. Притяжение и отталкивание молекул
Дать учащимся знания о взаимодействии молекул и зависимости характера движения молекул от их взаимодействия.
Развивать наблюдательность, познавательный интерес к предмету. Воспитывать внимание и умение слушать.
Тип урока: комбинированный урок.
Демонстрации:
1. Сжатие и растяжение упругого тела
2. Разламывание хрупкого тела. Попытка соединения его частей
3. Прилипание стеклянной пластинки к воде
4. Слипание свинцовых цилиндров (слипание кусков пластилина)
План изложения нового материала:
1. Притяжение и отталкивание между молекулами
2. Взаимодействие молекул газа
3. Взаимодействие молекул жидкости
4. Взаимодействие молекул твердых тел
Проверка знаний:
Как изменяется температура тела при уменьшении или увеличения скорости движения молекул
Где лучше сохранить детский резиновый шарик, наполненный водородом: в холодном или теплом помещении?
Один кувшин с молоком поставили в холодильник, другой оставили в комнате. Где сливки отстоятся быстрее?
Как можно ускорить диффузию в твердых телах?
Будут ли распространяться запахи в герметично закрытом помещении, где совершенно нет сквозняков?
Изложение нового материала
Если твердые тела и жидкости состоят из молекул, разделенных промежутками, то почему же они не распадаются на отдельные молекулы? Для получения ответа на этот вопрос можно провести опыт по слипанию двух свинцовых цилиндров (или слипанию кусочков пластилина). Опыты подтверждают, что между молекулами существует взаимное притяжение. Это притяжение заметно проявляется лишь на расстояниях, которые сравнимы с размерами самих молекул. Но тогда возникает вопрос: почему существуют между молекулами промежутки? Для получения ответа на этот вопрос следует предложить учащимся попробовать сжать воду поршнем в цилиндре. Отрицательный результат этого опыта позволяет сделать вывод, что между молекулами существует взаимное отталкивание. Притяжение и отталкивание действуют одновременно, но при сближении молекул увеличивается отталкивание, а при удалении – притяжение.
Характер движения атомов и молекул в твердых телах, жидкостях и газах различен и зависит от агрегатного состояния вещества. В газах молекулы находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга, и поэтому взаимодействие между ними при обычных условиях очень мало. В следствии этого движение молекул хаотическое. Молекулы газа, сталкиваясь при своем движении, перемещаются по сложным траекториям по всему объему, предоставленному газу.
В жидкости молекулы также расположены беспорядочно, но значительно плотнее, поэтому их взаимодействие сильнее, чем в газах. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, как бы топчется на одном месте и медленно перемещается внутри жидкости.
В твердых телах частицы расположены в строго определенном порядке, который и обуславливает внутреннюю структуру каждого твердого тела. Такое расположение частиц образует в телах пространственную решетку и обеспечивает сохранение объема и формы тела. Частицы твердого тела совершают колебания около положения равновесия, которое остается неизменным длительное время.
Вопросы к учащимся в ходе изложения нового материала:
1. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете?
2. Как взаимодействуют атомы и молекулы?
3. Каков характер взаимодействия и движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах?
4. Почему газы легко сжимаются, а твердые тела и жидкости практически не сжимаемы?
Задачи, решаемые на уроке:
1. Почему чтобы разорвать кусок проволоки, надо приложить большое усилие?
2. Почему приложив один к другому куски разорванного провода мы не восстановим его целостность?
3. Почему капли дождя висят на ветках деревьев и некоторое время не падают вниз?
Для конспекта ученика:
Между молекулами существует взаимное притяжение и отталкивание.
Между короткими столкновениями молекулы газа находятся в свободном движении.
Для молекул жидкости характерен ближний порядок их расположения.
Атомы твердых тел хаотично колеблются относительно своих стабильных положений.
Домашнее задание:
Основное: выучить параграф 9, 10.
2. Некоторые металлические детали прочно соединяются без клея и сварки, если их сильно прижать друг к другу. Чем это объясняется?
Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств.
Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми химическими свойствами.
Физическое тело (или тело) - материальный объект, имеющий массу, форму, объем и отделенный от других тел внешней границей раздела.
Макроскопическое тело – это тело, состоящее из огромного числа молекул.
Микроскопические параметры–параметры, характеризующие движение отдельной молекулы (масса молекулы, её скорость, импульс, кинетическая энергия и т.д.).
Макроскопические параметры – параметры, характеризующие свойства вещества как целого (масса вещества, давление, объем, температура).
Закон Авогадро: разные газы, объемы которых равны, при одной и той же температуре и давлении содержат одно и то же число молекул.
Закон кратности отношений (закон Дальтона): при образовании из двух элементов различных веществ, массы одного из элементов в разных отношениях находятся в кратных отношениях.
Тепловые явления – это явления, связанные с изменением температуры тела.
Тепловое движение – беспорядочное (хаотичное)и непрерывное движение частиц, из которых состоит вещество.
Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц.
Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества.
Обязательная литература:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С.173 – 186.
Открытые электронные ресурсы
Основное содержание урока
Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Кроме механических свойств тел ( например, упругость) меняются сопротивление проводника, магнитные свойства, цвет тела и др.
Одна из основных задач молекулярной физики: найти законы, которые могли бы объяснить изменения в телах, когда с самими телами ничего не происходит с точки зрения механики.
Раздел физики, изучающий тепловые явления, называется молекулярной физикой.
Философы древности догадывались о том, что теплота – это вид внутреннего движения. Гипотеза Демокрита, что нет ничего, кроме атомов и пустого пространства, положила начало возникновению и развитию основных представлений МКТ.
Последовательная молекулярно-кинетическая теория начинает развиваться только в XVIII в. Большой вклад в развитие МКТ был сделан Михаилом Васильевичем Ломоносовым. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц тела. Огромный вклад в развитие атомной теории внесли Дмитрий Менделеев, Джон Дальтон, Амедео Авогадро.
В основе МКТ строения вещества лежат следующие утверждения:
1.Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки.
2. Частицы движутся хаотично и непрерывно.
3.Частицы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.
Молекулы одного и того же вещества одинаковы. Молекулы состоят из атомов. Все атомы систематизированы на основе периодического закона Менделеева.
Размеры молекул настолько малы, что увидеть их можно только с помощью электронного микроскопа, ионного проектора. Один из опытов по оценке размеров молекул провел английский учёный Джон Рэлей.
Метод Рэлея: в широкий сосуд наливают воду и на её поверхность помещают каплю оливкового масла известного объёма. Капля растекается по поверхности воды и образовывается круглая пленка. Площадь плёнки увеличивается, но затем растекание прекращается. Рэлей предположил, что толщина пленки совпадает с размером одной молекулы, и решил определить ее толщину. Таким образом, пленку можно представить в виде цилиндра, плавающего на поверхности воды. S - площадь основания цилиндра, а d - его высота, равная диаметру молекул оливкового масла. Объем V слоя масла равен произведению его площади поверхности S=πR2 (где радиус масляного пятна на поверхности воды) на толщину d слоя,
.
Следовательно, линейный размер молекулы оливкового масла равен отношению объема капли к площади пленки:
Размер молекулы в данном опыте получался порядка:
.
Опытные подтверждения I положения МКТ:
закон Дальтона, дробление вещества; испарение жидкостей; расширение тел при нагревании; диффузия; деформация.
Опытные подтверждения II положения МКТ: диффузия; броуновское движение; стремление газа занять любой объем.
Опытные подтверждения III положения МКТ: деформация, смачивание, поверхностное натяжение жидкости, сохранение формы твердого тела.
Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объему. Скорость диффузии зависит от температуры и агрегатного состояния диффундирующих веществ. В некоторых случаях имеет место осмос - односторонняя диффузия молекул жидкости или газа через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора или газа разной концентрации.
Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости или газа о частицу не компенсируют друг друга.
Молекула – сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. В целом молекулы электрически нейтральны, тем не менее между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие.
Диаметр молекул зависит от температуры , но этой зависимостью пренебрегают, так как она незначительна электронов и атомных ядер соседних молекул.
Молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом. Силы взаимодействия зависят от типа молекул и расстояния между ними. Характер движения и расположения молекул определяет то или иное агрегатное состояние вещества.
При определённом расстоянии между молекулами сила притяжения становится равной силе отталкивания. Это расстояние считается равным диаметру молекулы и отсчитывается от их центров.
Если расстояния между молекулами превышают 2-3 диаметра молекул, то между молекулами действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между молекулами сила их взаимного притяжения сначала увеличивается, но одновременно увеличивается и сила отталкивания. Результирующая сила направлена в сторону действия силы притяжения.
Если расстояния между молекулами становятся меньше размеров самих молекул, электронные оболочки атомов начинают перекрываться и быстро увеличивается сила отталкивания. Результирующая сила направлена в сторону силы отталкивания.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул и сила межмолекулярного взаимодействия зависят от расстояния между молекулами (рис.1).
1) При = 𝑟 потенциальная энергия минимальна, сила притяжения равна силе отталкивания;
2) при сила притяжения больше силы отталкивания;
3) при сила притяжения меньше силы отталкивания.
Силы взаимодействия молекул являются консервативными силами (потенциальными). Макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия является сила упругости.
Поскольку молекулы совершают перемещения или колебания, они обладают скоростью, отличной от нуля. Таким образом, отдельная молекула характеризуется массой, импульсом, скоростью и энергией движения. Перечисленные параметры называются микроскопическими параметрами.
Микросостояние – это способ реализации макросостояния системы.
Основные характеристики молекул и их систем, способы их расчёта:
а) порядок диаметра молекул:
б) скорость движения молекул: сотни метров в секунду;
в) атомная единица массы (а.е.м.) равна массы атома , то есть:
Относительная молекулярная (или атомная) масса – отношение массы m0 молекулы (или атома) данного вещества к массы атома углерода :
Молярная масса – масса одного моля вещества:
Моль – количество вещества, содержащее столько же молекул(атомов), сколько же содержится в углероде массой 0,012 кг.
Количество вещества – это отношение массы вещества к его молярной массе:
Количество вещества также равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро:
Число Авогадро – число молекул или атомов в 1 моле вещества:
Подсчёт броуновских частиц на разных высотах позволил французскому физику Жану Батисту Перрену определить постоянную Авогадро совершенно новым способом и выяснить, что распределение молекул по высоте определяют два фактора:
1) беспорядочное тепловое движение молекул газа;
2) действие на молекулы силы тяжести. Скорость теплового движения молекул увеличивается при повышении температуры газа и уменьшается с увеличением высоты.
Разбор тренировочных заданий
1. Что является главным доказательством молекулярно-кинетической теории? Подчеркните правильный ответ.
1) размеры молекул;
2) масса молекул;
3) броуновское движение;
4) существование субатомных частиц.
Правильный вариант: 3) броуновское движение
2. Какой объем занимает 100 моль ртути?
Плотность ртути: (из табл. плотности веществ). С помощью таблицы Менделеева находим молярную массу ртути:
Записываем формулы массы:
Получаем формулу для объёма ртути
В этом видеоуроке мы вспоминаем, что такое броуновское движение и в чём причина его появления. Также мы познакомимся с опытами Жана Батиста Перрена. Выясним, какие силы действуют между молекулами вещества. Поговорим о строении твёрдых тел, жидкостей и газов.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Броуновское движение. Силы взаимодействия молекул"
Частицы вещества (атомы, молекулы и ионы) настолько малы, что увидеть их даже с помощью очень сильных оптических микроскопов не предоставляется возможным. Однако существует целый ряд явлений, которые подтверждают дискретность веществ. Одним из таких явлений является диффу́зия, о которой мы говорили с вами на прошлом уроке.
Но, пожалуй, самым убедительным явлением, доказывающим первые два положения МКТ, является броуновское движение.
Каково было его удивление, когда он заметил, что каждая частичка пыльцы (её называют броуновской) совершала причудливое зигзагообразное движение, которое не замедлялось ни на секунду. Вода в капле была неподвижна, так что объяснить движение частиц с завихрениями течений в капле не удалось. Поэтому учёный изначально приписал спорам пыльцы свойства живых существ.
Первоначально, как это часто бывало в мире науки, учёные не проявили никакого интереса к результатам опыта Броуна. Лишь в 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер, обобщив результаты многочисленных опытов, предположил, что движение броуновской частицы связано с её столкновением с молекулами жидкости.
При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы с разных сторон неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.
Но опять же, эти идеи были восприняты учёным миром в штыки. Лишь к концу XIX — началу ХХ веков учёные приняли тот факт, что броуновское движение вызвано соударением частицы с молекулами жидкости (или газа). Но все объяснения строились лишь на качественном уровне, пока в 1904)году польский физик Мариан Смолуховский и в мае 1905 года Альберт Эйнштейн смогли дать строгое объяснение и описать математической формулой движение броуновской частицы. В соответствии с теорией Смолухо́вского — Эйнште́йна, среднее значение квадрата смещения броуновской частицы за некоторый промежуток времени прямо пропорционально температуре и обратно пропорционально вязкости жидкости, размеру частицы и постоянной Авогадро:
Оказалось принципиально важным, что в эту формулу входит постоянная Авогадро, которую теперь можно было определить путём количественных измерений перемещения броуновской частицы.
В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен на основании теории Смолуховского — Эйнштейна решил вычислить значение постоянной Авогадро. Для этого он получил однородную эмульсию из частичек гуммигута (это такая древесная смола), которую поместил на специальное предметное стекло с цилиндрическим углублением. Вся эта конструкция накрывалась покровным стеклом и помещалась под микроскоп. Наблюдая за броуновскими частицами в микроскоп, Перрен фиксировал положение некоторых из них через каждые 30 с и зарисовывал эти положения в масштабе на листе бумаги. Соединяя полученные точки прямыми, он получал замысловатые треки частиц. Обработав полученные результаты, Перрен доказал, что средний квадрат перемещения броуновской частицы пропорционален времени её движения.
В 1876 году Людвиг Больцман открыл закон распределения молекул воздуха в поле тяготения. Согласно ему, концентрация молекул газа в атмосфере убывает с высотой по экспоненциальному закону:
Для проверки этого закона Перрен подсчитал число частиц гуммигута в слоях раствора на разной высоте. Оказалось, что каждые 30 мкм число частиц, или лучше сказать, концентрация частиц уменьшалась почти вдвое. Это свидетельствовало как о справедливости полученного Больцманом закона распределения молекул атмосферного воздуха в поле тяготения, так и о применимости этого закона к распределению числа броуновских частиц по высоте.
Используя теоретическую формулу Больцмана и результаты своего эксперимента, он получил достаточно точное для того времени значение фундаментальной константы — постоянной Авогадро:
NA = 6,82 ∙ 10 23 моль –1 .
Таким образом, открытие, сделанное Робертом Броуном, неоспоримо доказывает, что все вещества состоят из мельчайших частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении.
А теперь давайте с вами вспомним третье положение МКТ: между молекулами вещества существуют силы взаимодействия. Сам факт существования твёрдых и жидких тел говорит нам о том, что между частицами веществ существуют силы взаимного притяжения. Оно и понятно, не было бы притяжения — не было бы и тел.
С другой стороны, относительно малая сжимаемость жидкостей и твёрдых тел указывает нам на то, что между молекулами вещества существуют и силы отталкивания. В противном случае мы могли бы сжать любое тело до размеров молекулы.
Ну а то, что большинство тел обладают определёнными размерами и формой, говорит о том, что силы притяжения и отталкивания действуют одновременно.
И несмотря на то, что молекулы в целом электрически нейтральны, силы притяжения и отталкивания имеют электромагнитную природу, так как вызваны они взаимодействием электронов и атомных ядер соседних молекул.
График зависимости проекции равнодействующей сил притяжения и отталкивания от расстояния между их центрами:
Расстояние между центрами частиц, при котором силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, называют равновесным.
В различных агрегатных состояниях вещества расстояние между его молекулами различно. Отсюда и различие в силовом взаимодействии молекул и существенное различие в характере движения молекул газов, жидкостей и твёрдых тел.
Например, вы знаете, что расстояние между молекулами в газах достаточно велико (во много раз больше самих молекул). Поэтому силы взаимодействия между молекулами очень малы. Но вот скорости их движения достаточно велики (порядка нескольких сотен метров в секунду). Поэтому даже при редких (в масштабах молекул) столкновениях сил притяжения не хватает, чтобы удержать молекулы друг возле друга. Сталкиваясь, они разлетаются в разные стороны, подобно бильярдным шарам. Поэтому газы не сохраняют ни своей формы, ни объёма и могут неограниченно расширяться.
Всё это приводит к тому, что средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа намного больше средней потенциальной энергии их взаимодействия. Поэтому часто значением последней мы будем пренебрегать.
Что касается твёрдых тел, то в них силы взаимодействия между молекулами так велики, что кинетическая энергия теплового движения оказывается на несколько порядков меньше, чем потенциальная энергия взаимодействия. Поэтому молекулы могут совершать лишь колебания с очень маленькой амплитудой около своих положений равновесия — узлах кристаллической решётки. Это приводит к тому, что твёрдые тела, в отличие от жидкостей и тем более газов, сохраняют и свою форму, и свой объём.
Читайте также: