Номер 3, страница 116 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Измерьте размеры капли масла. Для этого возьмите плоский сосуд большого размера и налейте в него воды, затем поместите на его поверхности каплю синтетического масла (такое масло используют для смазывания двигателя автомобиля). Масло растечётся по поверхности воды в виде мономолекулярного слоя. Измерьте размер пятна. Самостоятельно придумайте, как определить размер молекулы масла. Аналогичный эксперимент проведите с минеральным маслом (например, с вазелиновым и т. д.).

Проанализируйте результаты измерений размеров капель этих масел. Одинаковы ли они? Выясните, чем отличается синтетическое масло от минерального.

Измерение размера молекулы масла

Этот метод основан на предположении, что капля масла, растекаясь по поверхности воды, образует тончайшую пленку толщиной в одну молекулу (мономолекулярный слой). Зная объем исходной капли и площадь пятна, которое она образовала, можно вычислить толщину этого слоя, которая и будет являться оценкой размера (диаметра) молекулы.

Дано

Для расчета нам необходимо измерить следующие величины:
$\text{V}$ - объем одной капли масла.
$\text{D}$ - диаметр масляного пятна на поверхности воды.

Перевод в систему СИ (примерные значения для демонстрации):
Допустим, объем капли $V = 0.01 \text{ мл} = 0.01 \text{ см}^3$.
$1 \text{ м}^3 = (10^2 \text{ см})^3 = 10^6 \text{ см}^3$, значит $1 \text{ см}^3 = 10^{-6} \text{ м}^3$.
$V = 0.01 \times 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-8} \text{ м}^3$.
Допустим, мы измерили диаметр пятна $D = 30 \text{ см} = 0.3 \text{ м}$.

Найти:

$\text{d}$ - размер (диаметр) молекулы масла.

Решение

1. Определение объема капли ($\text{V}$). Самый простой способ — использовать медицинский шприц без иглы. Наберите в шприц определенный объем масла (например, $V_{общ} = 1 \text{ мл}$) и, аккуратно нажимая на поршень, посчитайте, сколько капель ($\text{N}$) получится из этого объема. Тогда объем одной капли будет равен $V = \frac{V_{общ}}{N}$.

2. Проведение эксперимента. В большой плоский сосуд (например, таз или широкий противень) налейте чистую воду. Чтобы пятно было лучше видно, можно насыпать на поверхность воды тонкий слой порошка (например, талька или мела). Аккуратно капните одну каплю масла в центр сосуда. Масло растечется, образуя круглое пятно.

3. Измерение площади пятна ($\text{S}$). С помощью линейки измерьте диаметр $\text{D}$ получившегося пятна. Для большей точности можно измерить диаметр в нескольких направлениях и взять среднее значение. Площадь пятна, принимая его за круг, вычисляется по формуле:
$S = \pi R^2 = \pi (\frac{D}{2})^2 = \frac{\pi D^2}{4}$.

4. Расчет размера молекулы ($\text{d}$). Объем масляного пятна, которое представляет собой очень тонкий цилиндр, равен произведению его площади $\text{S}$ на толщину $\text{d}$. Так как объем масла не изменился, объем капли $\text{V}$ равен объему пятна:
$V = S \cdot d$
Отсюда выражаем толщину слоя, то есть размер молекулы:
$d = \frac{V}{S}$
Подставляя формулу для площади, получаем итоговую расчетную формулу:
$d = \frac{V}{\frac{\pi D^2}{4}} = \frac{4V}{\pi D^2}$

Аналогичные измерения и расчеты необходимо провести для капли минерального масла такого же первоначального объема.

Ответ: Размер молекулы масла $\text{d}$ можно определить по формуле $d = \frac{V}{S}$, где $\text{V}$ — объем капли масла, а $\text{S}$ — площадь масляного пятна, образовавшегося на поверхности воды. Для этого нужно измерить объем капли и диаметр круглого пятна, после чего рассчитать его площадь.

Проанализируйте результаты измерений размеров капель этих масел. Одинаковы ли они?

Результаты измерений, скорее всего, покажут, что размеры пятен для синтетического и минерального масла будут разными, даже если начальный объем капель был одинаков. Из формулы $S = \frac{V}{d}$ видно, что при одинаковом объеме капли ($V = \text{const}$) площадь пятна $\text{S}$ обратно пропорциональна размеру молекулы $\text{d}$.

Молекулы синтетического масла создаются искусственно и имеют строго определенную, однородную структуру и размер. Молекулы минерального масла, получаемого из нефти, представляют собой смесь углеводородов разной длины и формы, поэтому их размер неоднороден.

Как правило, эффективный "размер" (длина цепи) молекул, определяющий толщину монослоя, у этих двух типов масел различается. Поэтому одно масло растечется в пятно большей площади, а другое — в пятно меньшей. Ожидать, что размеры пятен и, соответственно, вычисленные размеры молекул совпадут, не следует.

Ответ: Размеры капель (масляных пятен) для синтетического и минерального масла, вероятнее всего, не будут одинаковыми. Это связано с различием в строении и размере молекул этих веществ.

Выясните, чем отличается синтетическое масло от минерального.

Синтетическое и минеральное масла имеют принципиальные различия, которые обусловлены способом их получения и, как следствие, их молекулярной структурой.

1. Происхождение и производство:

• Минеральное масло — это продукт переработки сырой нефти. Его получают путем дистилляции и последующей очистки от нежелательных примесей. По сути, это отобранные и очищенные природные фракции углеводородов.
• Синтетическое масло — это продукт химического синтеза. Его создают в лабораторных условиях из более простых химических соединений. Этот процесс позволяет получать молекулы с заранее заданными, оптимальными свойствами.

2. Молекулярная структура:

• Минеральное масло состоит из смеси множества углеводородов разного размера, формы и структуры. Молекулы в нем неоднородны.
• Синтетическое масло состоит из молекул, которые практически идентичны друг другу по размеру и форме. Их структура однородна и оптимизирована для выполнения конкретных задач (например, смазывания).

3. Эксплуатационные свойства:

• Из-за однородности молекул синтетическое масло обладает более стабильными характеристиками: оно сохраняет текучесть при низких температурах и не теряет смазывающие свойства при высоких, меньше испаряется и окисляется. Оно лучше противостоит образованию нагара и отложений.
• Минеральное масло более подвержено влиянию температур (сильнее густеет на холоде и разжижается при нагреве), а наличие примесей и неоднородных молекул приводит к его более быстрой деградации.

4. Стоимость:

• Производство синтетического масла — сложный и дорогостоящий технологический процесс, поэтому его цена значительно выше.
• Минеральное масло проще в производстве, а потому дешевле.

Ответ: Главное отличие синтетического масла от минерального заключается в их происхождении и молекулярной структуре. Минеральное масло — это очищенный продукт из нефти с неоднородными молекулами, тогда как синтетическое — искусственно созданный продукт с однородными, специально спроектированными молекулами. Это различие определяет превосходство синтетических масел в стабильности, эффективности и долговечности, но также и их более высокую стоимость.