https://docs.google.com/presentation/d/1vvUzoAHxknPFfGSBgKV1nT5SgnQ-8Xev/edit#slide=id.p1 

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

 

ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН, ТВЕРДИХ ТІЛ

Тема: Основні положення молекулярно-кінетичної теорії. Маса молекул. Кількість речовини. Молярна маса.

 

Мета: ознайомити із поняттям та основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії, історією вивчення будови атома, фізичними величинами, що його характеризують; встановити взаємозв’язок між фізикою, хімією, екологією, математикою; встановити принципи використання в  техніці.

 

Обладнання та література: електронні засоби навчання, програмне забезпечення, підручник Фізика 10 клас рівень стандарту Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко

 

Тип уроку: кейс-урок

ХІД УРОКУ

 

І. Ознайомлення з новим матеріалом

                Фізика

Склад і будову тієї чи іншої речовини можна виявити фізичними методами аналізу, не вдаючись до хімічних реакцій, або фізико-хімічними методами шляхом вивчення фізичних явищ та спостереження за ними, що відбуваються під час хімічних реакцій. До таких методів, які часто називають експериментальними, належать такі методи якісного й кількісного аналізу: спектральний‑ люмінесцентний‑ оптичний‑ електрохімічний‑ хроматографічний та деякі інші. 

Спектральні методи аналізу - це методи, що грунтуються на визначенні хімічного складу та будови речовин з їх спектра. Випромінювання, поглинання або розсіювання електромагнітного випромінювання може розглядатися як сигнал, що несе інформацію про якісний і кількісний склад речовини або про її структуру. У сучасних фізико-хімічних дослідженнях будови речовини широко застосовують інфрачервону спектроскопію. Інфрачервоні спектри дають досить повну характеристику речовин. Інфрачервона спектроскопія може бути корисною під час вимірювання міжатомних відстаней у молекулах, під час вимірювання температури згоряння ракетного палива.

Люмінесцентний аналіз - якісний і кількісний метод дослідження різних речовин, який грунтується на явищі люмінесценції. Найпоширеніший люмінесцентний аналіз - аналіз з використанням люмінесценції, яку викликає ультрафіолетове проміння. Люмінесцентний аналіз дає змогу визначити якісний та кількісний склад речовин. Його використовують у видимій області спектра. Перевага методу - висока чутливість, яка дає змогу ідентифікувати речовину при її кількості від 10^-8 – 10^{-9 г до 10-}10-10^{-12 г. ›}

Оптичні методи дослідження речовини грунтуються на використанні законів оптики, які стосуються природи, поширення і взаємодії з речовиною електромагнітного випромінювання оптичного діапазону (видиме світло, ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання). Для якісного й кількісного визначення хімічних елементів у біологічних рідинах і тканинах, у лікарських засобах та інших об’єктах слугує спектрально-емісійний аналіз. Суть його у вивченні спектра світла, яке випромінюють атоми і молекули, порушені різними способами, наприклад нагріванням до високих температур. Для вимірювання поглинання світла речовиною з метою аналізу складу і структури зразка широко застосовують фотометричні та спектрофотометричні методи. Наприклад, спектрофотометри дають змогу вивчати характерні спектри поглинання різних речовин і встановлювати їх хімічну будову й кількісний вміст у розчинах.   

Електрохімічні методи аналізу речовин - сукупність методів якісного та кількісного аналізу речовин, що грунтуються на процесах, які протікають на електродах або в міжелектродному просторі. При цьому вимірюють ряд параметрів, наприклад електродний потенціал, кількість електрики, повний електричний опір, ємність, електропровідність, діелектрична проникність, значення яких пропорційні концентраціям речовин, які визначаються. Електрохімічні методи аналізу використовують для визначення понад 60 елементів у різних природних і промислових матеріалах, у рудах, мінералах.

Хроматографія - сучасний і високоефективний метод, дає змогу досить швидко й надійно визначати вміст окремих компонентів у сумішах, концентрувати й ідентифікувати ці компоненти. Вона ефективна не тільки в хімічному аналізі, але і в хімічній технології. У біології й агропромисловій галузі хроматографічне розділення і концентрування використовують перед кількісним визначенням мікроелементів, а також для виявлення пестицидних сполук у навколишньому середовищі. Під час технологічного контролю харчових виробництв хроматографія слугує для очищення речовин, аналізу сумішей органічних кислот, амінокислот та інших продуктів.

 

                 Використання у техніці

Для вивчення будови речовини використовують різноманітні технології. В основі будь-якого процесу лежить певна технологія, до компонент якої належать:

 1) мета реалізації процесу; 2) предмет, що підлягає технологічним змінам; 3) способи й методи дії; 4) засоби технологічної дії; 5) упорядкованість й організація, протиставлені стихійним процесам. ž

Переглянути відео

https://www.youtube.com/watch?v=GpiAsJl1M5I

 

Наноматеріали - матеріали з якісно новими властивостями (з грец. nannos - «карлик»), створені з використанням наночастинок та за допомогою нанотехнологій (методів цілеспрямованого маніпулювання речовиною на атомному або молекулярному рівні). До наноматеріалів належать об’єкти, розміри яких  від 1 до 100 нм (1 нм 10^{-9 м)}.

Властивості наноматеріалів відрізняються від аналогічних матеріалів у масивному стані. Наприклад, у наноматеріалів можна спостерігати зміну магнітних, тепло- і електропровідних властивостей. Для матеріалів особливо малих розмірів буває характерна зміна температури плавлення у бік її зменшення. Для наноматеріалів актуальна проблема їх зберігання і транспортування. Матеріали (особливо металеві) дуже активні і взаємодіють з навколишнім середовищем (малюнок зразок наноматеріалу.jpgвуглецеві нанотрубки.jpg).

         

  Екологія, застосування у техніці

Теплові явища відіграють велику роль у житті людини, тварин і рослин. У різні пори року зі зміною температури повітря на 20-30 ⁰С змінюється навколишній світ. Зміна температури впливає на всі властивості тіл. Так, від нагрівання або охолодження змінюються розміри твердих тіл і об’єм рідин. Значно змінюються також їх механічні властивості, наприклад пружність. Якщо за кімнатної температури вдарити молотком по гумовій трубці, то вона залишиться цілою. Але якщо трубку охолодити до температури, нижчої за -100 ⁰С, то легким ударом можна розбити її на дрібні шматочки. Гума стає крихкою, як скло. Тільки після нагрівання гума знову набуває своїх пружних властивостей. Усі теплові явища, а також багато інших, відбуваються за певними законами. Ці закони так само точні й надійні, як і закони механіки, але відрізняються від них змістом і формою. Відкриття законів, за якими відбуваються теплові явища, дає змогу максимально використати ці явища на практиці, у техніці. Сучасні теплові двигуни, установки для зрідження газів, холодильні та інші апарати конструюють на основі цих законів.

ž

               Фізика

Теорію, яка пояснює теплові явища у макроскопічних тілах і внутрішні властивості цих тіл на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих частинок, які рухаються хаотично, називають молекулярно-кінетичною теорією.

У цій теорії головне завдання пов’язати закономірності поведінки окремих атомів і молекул з величинами, які характеризують властивості макроскопічних тіл. Молекулярна фізика грунтується на кількох положеннях, які стосуються структури речовини і закономірностей руху частинок, що входять до складу речовини. До цих положень належать такі:

1. Речовина складається із частинок (атомів і молекул). Маса будь-якого тіла дорівнює сумі мас частинок, з яких складається тіло. Маса тіл може змінюватися лише на ціле число, кратне масі частинки. Кажуть, що маса тіла може змінюватися не безперервно, а лише порціями - дискретно.

2. Молекули (атоми) усіх тіл перебувають у безперервному тепловому русі. Невпорядкованість руху частинок - найважливіша особливість теплового руху.

3. Молекули (атоми) взаємодіють між собою -  залежно від відстані між частинками вони притягуються або відштовхуються.

 

Переглянути презентацію за посиланням  https://drive.google.com/drive/my-drive

 

                                    Хімія

Основними поняттями атомно-молекулярного вчення є «молекула», «атом», «хімічний елемент», «прості й складні речовини».

Молекула — це найменша частинка речовини, що здатна існувати самостійно, зберігаючи основні хімічні властивості цієї речовини. Існування молекул підтверджується численними експериментальними фактами: розчиненням речовин, зміною їхнього агрегатного стану, поширенням запахів, явищами дифузії й броунівського руху. Молекули мають певні маси й розміри, але надзвичайно маленькі. Розміри молекул перебувають у межах 10^-1010^{-7 м, а маса невеликих молекул — близько 10-26 кг.}

Молекули можуть мати електричний заряд. Такі частинки називають іонами. У цьому разі окремі молекули індивідуально можуть існувати тільки в розчиненому або розплавленому стані, однак у будь-якому стані вони можуть існувати разом з протилежно зарядженими частинками, щоб тіло в цілому не мало електричного заряду. Окрім розповсюджених неорганічних іонів, прикладом заряджених молекул є молекули нуклеїнових кислот і білків.

Властивості молекул зберігають і обумовлюють такі властивості речовин, як агрегатний стан, колір, смак, запах, густина, температури кипіння й плавлення, електропровідність, діелектрична проникність, здатність вступати в хімічні взаємодії з іншими речовинами. Однак це не означає, що молекули мають ці властивості. Більшість фізичних властивостей речовин притаманні тільки сукупності молекул. Наприклад, в окремої молекули не може бути температури кипіння або плавлення, проте такі властивості молекул, як маса, розмір, дипольний момент і здатність взаємодіяти одна з одною, обумовлюють температуру плавлення й кипіння, а відповідно, й агрегатний стан у певних умовах.

 Залежність властивостей речовин від властивостей молекул

Властивість молекули	Властивість речовини, що обумовлена властивістю молекули
1. Маса	Густина речовин, температури кипіння й плавлення
2. Розмір	Густина речовин
3. Здатність притягуватися одна до одної	Густина речовин, температури кипіння й плавлення
4. Форма	Запах, смак
5. Дипольний момент	Діелектрична проникність, і магнітна сприйнятливість
6. Здатність до поляризації	Коефіцієнт заломлення, діелектрична проникність
7. Електричний заряд	Агрегатний стан, твердість, електропровідність
8. Здатність поглинати й випромінювати світло	Колір речовини

 Молекули складаються з атомів, які з’єднані між собою хімічними зв’язками в певній послідовності й певним чином зорієнтовані в просторі. Кількість атомів у молекулах може бути від одного (наприклад, одноатомні молекули інертних газів або одноатомні іони), двох (Н₂, О₂ та ін.) до кількох тисяч (молекули полімерів, білків, нуклеїнових кислот).

Усі молекули однієї речовини мають однаковий склад, розміри, масу й інші властивості. Молекули різних речовин відрізняються за складом, розмірами, порядком з’єднання атомів (для молекул ізомерних речовин), властивостями.

Між молекулами в будь-якому стані є певні відстані (пустоти). Відстані між молекулами визначаються агрегатним станом, в якому перебуває речовина. Найбільша відстань у газоподібному стані (10^-810^-7 м — значно більша за розмір самих молекул), у рідкому й твердому станах відстані між молекулами приблизно однакові й перебувають у межах 10^{-10 м. Завдяки цьому при переході з твердого стану в рідкий об’єм речовини змінюється зовсім трохи: найчастіше збільшується, а іноді (дуже рідко) зменшується (наприклад, при плавленні льоду). А при переході з твердого або рідкого стану в газоподібний об’єм речовини змінюється в тисячу й більше разів.}

Молекули перебувають у безперервному хаотичному русі. У твердих речовинах вони роблять коливальні рухи щодо свого рівноважного положення, у рідинах — коливальні рухи й можливі прямолінійні рухи, що забезпечує здатність рідин текти, а в газах молекули рухаються хаотично прямолінійно.

При проходженні хімічних реакцій молекули руйнуються, утворюючи нові молекули інших речовин.

Атом — це хімічно неподільна електронейтральна частинка речовини, що складається з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів.

Атом характеризує певна маса, розміри, склад, будова електронної оболонки тощо. Маса атома має дуже маленькі значення, близько 10^-27_-10^{-25 кг. Радіуси атомів становлять приблизно 10-10 м.}

Атом складається із субатомних частинок — протонів і нейтронів та елементарних частинок — електронів. Протони й нейтрони перебувають у центрі атома й є його ядром, радіус якого становить приблизно 10^-14_-10^{-15 м, тобто на п’ять порядків менше від радіуса атома. Електрони утворюють електронну оболонку, розміри якої визначають розміри атома, і хаотично рухаються навколо ядра атома з високою швидкістю.}

При проходженні хімічних реакцій атоми не зникають і не утворюються з нічого, вони можуть перегруповуватися або переходити від однієї молекули до іншої. У хімічних реакціях може змінюватися будова й склад електронної оболонки атома.

Кількісними характеристиками атома є заряд його ядра й маса атома. Атоми, що мають однаковий заряд ядра, є атомами одного хімічного елемента. їм притаманні однакові хімічні властивості. Таким чином, атом — це носій властивостей хімічного елемента. Водночас атоми одного елемента можуть мати різну масу внаслідок явища ізотопії.

Для кількісної характеристики атомів використовують подані нижче величини:

Протонне число — число протонів, що входять до складу ядра атома.

Нейтронне число — число нейтронів, що входять до складу ядра атома.

Нуклонне число — число нуклонів (протонів і нейтронів) у ядрі атома.

Атоми з однаковим протонним і нейтронним числом називають нуклідами. Нукліди з однаковим протонним числом, але різним нейтронним числом називають ізотопами.

Атоми можуть входити до складу молекул або об’єднуватися у великій кількості, утворюючи речовини атомної будови, наприклад кристали алмазів. Такі скупчення ще називають надмолекулами, тобто кожен окремий кристал алмаза — це одна надмолекула.

Хімічний елемент — це різновид атомів з певним (однаковим) зарядом ядра.

Поняття «хімічний елемент» не можна ототожнювати з поняттям «речовина

 Хімічний елемент — це тип атомів, що характеризуються певною сукупністю властивостей. Він є складовою частиною речовин. При проходженні хімічних реакцій хімічні елементи зберігаються й переходять із однієї речовини в іншу. Нові речовини складаються з тих самих елементів, що й вихідні. Прості й складні речовини — це форми існування хімічних елементів.

Кожен елемент має свою назву й символ. Носієм властивостей хімічних елементів є атом. Входячи до складу різних речовин, атоми кожного елемента надають їм властивостей цього елемента. Наприклад, оксид, сульфід і хлорид Натрію мають деякі спільні властивості завдяки наявності іонів Натрію, а також і відмінність за рахунок іонів Оксигену, Сульфуру й Хлору.

Основною кількісною характеристикою елемента є заряд ядра його атомів, що збігається з порядковим номером цього елемента в Періодичній системі. Не можуть існувати різні хімічні елементи, атоми яких мали б однаковий заряд. На підставі заряду ядра можна визначити елемент.

Маса атома також є кількісною характеристикою хімічного елемента, проте вона не є однозначною. Існують атоми різних елементів, що мають однакову масу. Такі атоми називають ізобарами, наприклад атом Калію-40 та Кальцію-40. Окрім того, можуть існувати атоми одного елемента, але з різною масою — ізотопи (наприклад, Калій-39 та Калій-40).

За будовою електронної оболонки хімічні елементи поділяють на s-, p-, d- і f-елементи. За хімічними властивостями елементи поділяють на металічні та неметалічні. Атоми металічних елементів переважно віддають електрони в хімічних реакціях, а атоми неметалічних — переважно приймають. За хімічними властивостями також виокремлюють групи та родини елементів, наприклад лужні й лужноземельні метали, інертні гази, родина лантаноїдів тощо.

Зараз налічують 118 хімічних елементів, серед яких елементи з порядковим номером до 92 (за невеликим винятком) існують у природі, а інші отримані штучно.

Прості речовини — це речовини, які. складаються з атомів одного хімічного елемента, тобто це форма існування хімічного елемента у вільному стані.

Так, кисень О₂, озон О₃, сірка S₈, графіт С — це прості речовини, що складаються з атомів хімічних елементів Оксигену (О), Сульфуру (S) і Карбону (С). Зараз налічують понад 500 простих речовин. Той факт, що простих речовин значно більше від кількості хімічних елементів, пояснюється явищем алотропії, коли атоми одного елемента можуть утворювати кілька простих речовин. Прості речовини, що складаються з атомів одного хімічного елемента, називають алотропними формами, або модифікаціями.

Складні речовини — це речовини, які складаються з атомів різних елементів, тобто це форма існування хімічних елементів у зв’язаному стані.

Так, вода Н₂О, сірчистий газ SO₂, вуглекислий газ СО₂, сірковуглець CS₂, етиловий спирт С₂Н₅ОН - складні речовини, що складаються з атомів хімічних елементів Гідрогену (Н), Оксигену (О), Сульфуру (S), Карбону (С). Зараз налічують понад 17 млн. складних речовин, з яких понад 5 млн. відносять до неорганічних, а понад 12 млн. — до органічних, і щороку синтезують або відкривають іще близько 200 тис. нових речовин.

Переглянути відео:

 https://www.youtube.com/watch?v=fsgqrtT90AQ

 https://www.youtube.com/watch?v=XXtcLd1i2ts

 

ІІ. Закріплення вивченого матеріалу

(Дати відповіді на запитання)

1. У чому полягає суть та положення МКТ?
2. Що визначає кількість речовини?
3. Що таке молярна маса?
4. Який фізичний зміст сталої Авогадро?

 ІІІ. Видача домашнього завдання

1. Вивчити § 39-41, 44 підручника;

2. Створити електронні презентації на тему:

-          Дифузія як засіб переміщення поживних речовин у рослинах;

-          Історія становлення МКТ (за основу можна взяти вчених з презентації під час уроку).

 

Викладач Бортнік О.В.