师:同学们,今天我们来上高二物理粤教版选择性必修三第一章分子动理论的单元复习课。分子动理论主要包含三个内容:物质由大量分子组成;分子在做永不停息的无规则热运动;分子间存在相互作用力。每个内容都有相应实验证据支撑,下面我们就以实验证据为线索完成本章复习。
首先是用油膜法估测分子的大小,这是一种借助宏观量测量微观量的方法。实验原理是让一滴油酸滴在水面上,形成单分子油膜层,油膜厚度可看成分子直径。测出纯油酸体积(v)和油膜面积(s),用体积公式(d = v÷s)就能求得分子直径。
实验中,油酸需稀释,涉及三个研究对象:(n)滴油酸酒精溶液的体积(v_{总})、一滴油酸酒精溶液的体积(V_{1})、一滴溶液里纯油酸的体积(v)。它们的关系是(V_{1} = v_{总}÷n),(v = V_{1}×)油酸体积分数(Fi)(即浓度)。
下面通过例题一巩固。估算分子直径要测量纯油酸体积和面积。根据题干,先算出一滴溶液体积(V_{1} = 1÷58)毫升,从第一行信息可知浓度(Fi = 1÷1000),代入(v = 1÷58×1÷1000)毫升,约为(1.7×10^{-5})毫升。油膜轮廓围住约(257)个小方格,面积就是(257)平方厘米(大过半格算一格,小过半格舍去)。最后分子直径(d = v÷s),代入数据约为(7×10^{-10})米。通常取分子直径数量级为(10^{-10})米,它非常小,拿乒乓球半径(4×10^{-2})米、地球半径(6.4×10^{6})米对比,分子大小与乒乓球之比,相当于乒乓球与地球大小之比。
用油膜法估测分子直径存在误差,来源主要有四个方面:一是油酸酒精溶液实际浓度与理论值有偏差;二是一滴溶液实际体积与理论值有偏差,很难保证每滴体积一致;三是油膜是否形成理想均匀单分子油膜存在偏差;四是按不足半格舍去、多过半格算一格计算油膜面积与实际值有偏差,实际操作也会导致数据偏差。
通过例题二看常见实验操作失误对油酸分子直径测量值的影响。先回顾测油酸分子直径基本式子。第一问,计算油膜面积时把不完整方格按完整方格处理,计算值比实际值偏大,测出来的直径偏小。第二问,水面痱子粉撒太多,油膜未充分展开,面积计算值偏小,测量值(d)偏大。第三问,将油酸酒精溶液体积直接当成纯油酸处理,没乘浓度,计算值偏大,测量值(d)也偏大,从浓度角度看,把浓度当成(1)处理,(Fi)偏大,(d)测量值偏大。第四问,配置油酸酒精溶液时酒精多倒,实际浓度偏小,计算值偏大,(d)测量值偏大。第五问,拿错注射器且针管更粗,实际值比计算值大,测量出的(d)偏小。
分子直径小,需借助阿伏伽德罗常数(N_{A})构建宏观量与微观量关系。宏观量指物体体积、质量、摩尔体积、摩尔质量;微观量指分子质量、体积等。
求一个分子质量,可用摩尔质量(M)除以(N_{A}),因为摩尔质量是(1)摩尔所含分子总数的质量,也可用一般质量(m)除以分子总数(n)。求分子总数,可用(m÷M)得到摩尔数(物质的量),再乘以(N_{A});或用物体体积除以摩尔体积得到物质的量,再乘以(N_{A})。
求一个分子体积也类似。注意,对于气体,(V_{0})指气体分子占据的空间,非分子本身体积。测量分子直径要建立球模型或立方体模型。固体和液体分子紧密排布,两种模型都可用,通过球体或立方体体积公式求分子直径表达式。气体分子空隙大,用球模型误差大,用立方体模型,此时(d)指气体分子占据的平均空间或平均距离。
通过两道例题巩固。第一题求小(m)钻石所含分子数,先求总摩尔数(m÷M),再乘以(N_{A})得到分子总数(n)表达式。第二题求分子直径,先借助密度(\rho)求钻石体积(V = m÷\rho),从微观角度,该体积由(n)个分子组成,每个分子体积是(\frac{4}{3}\pi(\frac{d}{2})^{3}),联立式子可求分子直径(d)表达式。同学们课后思考还有没有其他解题方法。
看例题四求气体平均距离。气体分子稀疏,构建立方体模型,气体分子平均距离与小立方体边长(d)一致。先求小立方体体积(d^{3}),乘以(1)摩尔所含个数(N_{A})等于气体总体积(22.4)升,代入数据得(d)约为(3.3×10^{-9})米。分子数量级是(10^{-10})米,气体分子距离数量级是(10^{-9})米,边长差(10)倍,体积差(1000)倍,所以不能把气体分子占据的平均空间当成分子本身体积。
接下来复习第二节,分子做永不停息的无规则热运动,有两个实验证据:扩散现象和布朗运动,扩散现象是分子热运动直接反应,布朗运动是间接反应。
扩散现象不是外界作用或化学作用结果,是物质分子无规则热运动产生的,温度越高扩散越快,在气体、液体、固体中都能发生,是分子无规则热运动的直接结果和宏观表现。思考两个问题:一是二氧化氮气体扩散实验中,两管口瓶气体颜色不变,扩散现象停止了吗?没有,分子热运动永不停息,颜色不变是因为进出两管口瓶的二氧化氮分子达到动态平衡,进出数目大致相同。二是有同学认为上方密度大的气体因重力作用产生扩散现象,对吗?不对,扩散现象不是外界作用引起的,把上下管口瓶位置反过来或平放,扩散依然发生,说明分子热运动不是沿单一方向。
