Страница 5 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Сформулируйте основные положения МКТ.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — это учение, которое объясняет строение и физические свойства веществ на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных микроскопических частиц (молекул, атомов, ионов), которые находятся в непрерывном движении и взаимодействуют друг с другом. В основе МКТ лежат три фундаментальных положения.

Первое положение: Все вещества состоят из частиц.

Любое вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии состоит из мельчайших частиц — молекул, атомов или ионов, которые разделены промежутками. Это положение подтверждается множеством экспериментальных фактов, таких как делимость вещества, его способность к растворению, сжатию и расширению. Прямым доказательством служат изображения отдельных атомов, полученные с помощью современных электронных и туннельных микроскопов.

Второе положение: Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Это движение никогда не прекращается и является беспорядочным (хаотическим). Оно называется тепловым движением, так как его интенсивность напрямую зависит от температуры тела: чем выше температура, тем быстрее движутся частицы. Яркими доказательствами этого положения являются диффузия (самопроизвольное взаимное проникновение частиц разных веществ) и броуновское движение (беспорядочное движение микроскопических частиц в жидкости или газе под действием ударов молекул среды).

Третье положение: Частицы взаимодействуют друг с другом.

Между частицами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания, имеющие электромагнитную природу. Характер взаимодействия зависит от расстояния между частицами. На малых расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц, преобладают силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Существование этих сил объясняет прочность твердых тел, поверхностное натяжение жидкостей, а также их малую сжимаемость по сравнению с газами.

Ответ:

Основными положениями молекулярно-кинетической теории являются следующие утверждения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов, ионов), разделенных промежутками.

2. Частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном (хаотическом) движении, интенсивность которого зависит от температуры (тепловое движение).

3. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом — между ними действуют силы притяжения и отталкивания.

2. Какие наблюдения и опыты подтверждают первое положение МКТ?

2. Какие наблюдения и опыты подтверждают первое положение МКТ?

Первое положение МКТ, утверждающее, что все вещества состоят из отдельных частиц, между которыми существуют промежутки, подтверждается целым рядом наблюдений и экспериментов:

• Дробимость вещества. Любое макроскопическое тело можно механически разделить на все более мелкие части (например, расколоть камень, разрезать кусок металла, растереть сахар в пудру). Предел такого деления — это и есть отдельная молекула или атом, что доказывает дискретность строения вещества.
• Смешивание и растворение. Опыт со смешиванием воды и спирта показывает, что объем смеси меньше, чем сумма объемов исходных жидкостей ($V_{смеси} < V_{воды} + V_{спирта}$). Это объясняется тем, что молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого. Аналогично, при растворении сахара в воде его частицы распределяются в межмолекулярном пространстве воды.
• Сжимаемость. Газы легко сжимаются, что свидетельствует о больших расстояниях между их частицами. Жидкости и твердые тела сжимаются значительно труднее, так как промежутки между их частицами малы.
• Диффузия. Самопроизвольное взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ друг в друга. Например, распространение запаха духов в воздухе или окрашивание воды каплей чернил. Это явление возможно только потому, что между частицами воздуха или воды есть промежутки, куда могут переместиться частицы другого вещества.
• Прямое наблюдение. С созданием электронных и сканирующих туннельных микроскопов стало возможным получать изображения, на которых отчетливо видны отдельные атомы и молекулы, а также промежутки между ними. Это является самым наглядным и прямым доказательством первого положения МКТ.

Ответ: Первое положение МКТ подтверждают: механическая дробимость тел, уменьшение объема при смешивании некоторых жидкостей, сжимаемость веществ (особенно газов), явление диффузии и прямые наблюдения атомов и молекул с помощью современных микроскопов.

3. Приведите экспериментальные доказательства второго положения МКТ.

3. Приведите экспериментальные доказательства второго положения МКТ.

Второе положение молекулярно-кинетической теории (МКТ) гласит, что все частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) находятся в непрерывном, беспорядочном (хаотическом) движении. Это движение называется тепловым движением, и его интенсивность зависит от температуры тела: чем выше температура, тем быстрее движутся частицы.

Существует несколько ключевых экспериментальных доказательств этого положения:

Броуновское движение. Это явление, открытое в 1827 году Робертом Броуном, заключается в беспорядочном движении мельчайших твердых частиц (например, пыльцы растений или частиц сажи), взвешенных в жидкости или газе. При наблюдении в микроскоп видно, как эти частицы непрерывно и хаотично перемещаются по сложным зигзагообразным траекториям. Причиной этого движения являются постоянные удары молекул окружающей среды (жидкости или газа) по взвешенной частице. Так как молекулы движутся хаотично, в каждый момент времени число ударов с разных сторон неодинаково. Это создает результирующую силу, которая и сдвигает частицу. Броуновское движение является прямым и наглядным свидетельством непрерывного и хаотического движения невидимых молекул.

Диффузия. Это процесс самопроизвольного взаимного проникновения частиц одного вещества в промежутки между частицами другого вещества при их соприкосновении. Простые примеры диффузии: распространение запаха духов в комнате, окрашивание воды при добавлении в нее капли чернил или кристаллика марганцовки, постепенное смешивание двух разных газов. Диффузия возможна только потому, что молекулы всех веществ находятся в постоянном движении. Они перемещаются, сталкиваются и постепенно перемешиваются друг с другом. Тот факт, что диффузия протекает быстрее при более высокой температуре, подтверждает связь между скоростью движения частиц и температурой.

Существование давления газа. Газ, заключенный в сосуд, оказывает давление на его стенки. Согласно МКТ, это давление является результатом многочисленных непрерывных ударов молекул газа о стенки сосуда. Каждая молекула при столкновении передает стенке небольшой импульс. Суммарное действие огромного числа таких ударов за единицу времени на единицу площади и создает макроскопическое давление, которое мы измеряем. Если бы молекулы газа были неподвижны, они не могли бы оказывать давление.

Ответ: Экспериментальными доказательствами второго положения МКТ являются: броуновское движение (хаотичное движение микрочастиц в жидкости или газе под действием ударов молекул), диффузия (самопроизвольное смешивание веществ вследствие движения их частиц) и существование давления газа (результат ударов движущихся молекул о стенки сосуда).

4. Какие наблюдения и опыты подтверждают третье положение МКТ?

4. Какие наблюдения и опыты подтверждают третье положение МКТ?

Третье основное положение молекулярно-кинетической теории (МКТ) гласит, что частицы вещества (атомы, молекулы) взаимодействуют друг с другом. Между ними действуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. Характер этого взаимодействия зависит от расстояния между частицами. Существует ряд наблюдений и явлений, которые служат экспериментальным подтверждением этого положения.

Подтверждения существования сил притяжения:

• Существование веществ в жидком и твердом состояниях. Если бы между частицами не существовало сил притяжения, они бы разлетались, и все вещества были бы газами. Именно силы притяжения удерживают частицы друг около друга, что позволяет веществу иметь собственный объем (жидкости) и даже собственную форму (твердые тела).
• Механическая прочность твердых тел. Для того чтобы разорвать или растянуть твердое тело, необходимо приложить внешнюю силу, которая совершит работу против сил межмолекулярного притяжения.
• Поверхностное натяжение жидкостей. Молекулы на поверхности жидкости втягиваются внутрь силами притяжения со стороны других молекул. Это приводит к возникновению поверхностного натяжения, которое заставляет жидкость минимизировать свою площадь поверхности (например, капли принимают сферическую форму).
• Смачивание и капиллярность. Эти явления обусловлены балансом сил притяжения между частицами самой жидкости (когезия) и сил притяжения между частицами жидкости и твердого тела (адгезия).
• Конденсация и кристаллизация. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое (конденсация) или твердое (кристаллизация) происходит, когда кинетическая энергия частиц становится меньше потенциальной энергии их взаимодействия, и силы притяжения "захватывают" частицы.

Подтверждения существования сил отталкивания:

• Низкая сжимаемость жидкостей и твердых тел. При попытке сжать жидкость или твердое тело возникает огромное сопротивление. Это объясняется тем, что при сближении частиц на расстояние, сопоставимое с их размерами, начинают преобладать мощные силы отталкивания.
• Упругость твердых тел. Когда твердое тело деформируется (сжимается или растягивается), возникают упругие силы, стремящиеся вернуть его в исходное состояние. При сжатии эти силы обусловлены преобладанием отталкивания между сблизившимися частицами, а при растяжении — преобладанием притяжения между удалившимися частицами.

Ответ: Существование сил взаимодействия между частицами вещества (третье положение МКТ) подтверждается следующими наблюдениями и опытами: существование жидкостей и твердых тел, их низкая сжимаемость и упругость, механическая прочность, явления поверхностного натяжения, смачивания, капиллярности, а также процессы конденсации и кристаллизации.

5. Что вы можете сказать о размере и массе атомов и молекул?

5. Что вы можете сказать о размере и массе атомов и молекул?

Атомы и молекулы — это мельчайшие частицы вещества, обладающие чрезвычайно малыми размерами и массами.

Размеры

Размеры атомов и молекул настолько малы, что их невозможно увидеть в обычный оптический микроскоп. Их линейные размеры составляют порядка $10^{-10}$ метра. Для измерения таких малых величин часто используют специальные единицы:

• Ангстрем (Å): $1 \text{ Å} = 10^{-10} \text{ м}$.
• Нанометр (нм): $1 \text{ нм} = 10^{-9} \text{ м}$.

Например, диаметр атома водорода составляет около $10^{-10}$ м, а диаметр молекулы воды ($H_2O$) — примерно $2.8 \times 10^{-10}$ м. Чтобы представить эту малость, можно привести такой пример: если яблоко увеличить до размеров Земли, то атом в этом яблоке будет размером с исходное яблоко.

Массы

Массы атомов и молекул также ничтожно малы. Использовать килограммы для их измерения неудобно, поэтому в физике и химии применяется атомная единица массы (а. е. м.).

Одна атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода-12:

$1 \text{ а. е. м.} \approx 1.66 \times 10^{-27} \text{ кг}$

Например:

• Масса атома водорода примерно равна $1$ а. е. м., или $1.67 \times 10^{-27}$ кг.
• Масса атома кислорода — около $16$ а. е. м.
• Масса молекулы воды ($H_2O$) складывается из масс двух атомов водорода и одного атома кислорода и составляет примерно $18$ а. е. м., или около $2.99 \times 10^{-26}$ кг.

Ответ: Атомы и молекулы имеют чрезвычайно малые размеры (порядка $10^{-10}$ м) и массы (порядка $10^{-27} - 10^{-25}$ кг). Для их измерения используют специальные единицы: размеры измеряют в ангстремах и нанометрах, а массу — в атомных единицах массы (а. е. м.).

1. При образовании воды отношение масс прореагировавших газов водорода и кислорода всегда равно 1:8. Свидетельствует ли этот факт в пользу существования атомов и молекул? Аргументируйте свою точку зрения.

1. Да, этот факт является одним из фундаментальных доказательств существования атомов и молекул. Аргументация следующая:

Наблюдение, что водород и кислород всегда реагируют в строго определённом массовом отношении 1:8 для образования воды, является проявлением закона постоянства состава вещества. Этот закон гласит, что любое химически чистое соединение, независимо от способа его получения, всегда состоит из одних и тех же химических элементов, причём отношения их масс постоянны.

Если бы вещество было сплошным и бесконечно делимым, не было бы никаких причин, по которым элементы должны были бы соединяться в строго определённых пропорциях. Они могли бы смешиваться в любых соотношениях.

Однако атомно-молекулярная теория блестяще объясняет этот экспериментальный факт. Согласно этой теории:

• Вещества состоят из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, состоят из ещё более мелких частиц — атомов.
• Атомы каждого элемента имеют определённую постоянную массу.
• В химических реакциях атомы не создаются и не исчезают, а происходит их перегруппировка с образованием молекул новых веществ. Молекулы состоят из целого числа атомов.

Рассмотрим реакцию образования воды с точки зрения атомно-молекулярной теории. Уравнение реакции выглядит так:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Это уравнение показывает, что две молекулы водорода ($H_2$) реагируют с одной молекулой кислорода ($O_2$), образуя две молекулы воды ($H_2O$).

Атомная масса водорода (H) приблизительно равна 1, а атомная масса кислорода (O) — приблизительно 16. Исходя из этого, рассчитаем массы реагирующих молекул:

• Масса одной молекулы водорода $H_2$ (состоящей из двух атомов H) равна $2 \times 1 = 2$ атомным единицам массы (а. е. м.).
• Масса одной молекулы кислорода $O_2$ (состоящей из двух атомов O) равна $2 \times 16 = 32$ а. е. м.

В реакции участвуют две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Найдём отношение их масс:

Масса двух молекул водорода: $m(2H_2) = 2 \times 2 = 4$ а. е. м.

Масса одной молекулы кислорода: $m(O_2) = 1 \times 32 = 32$ а. е. м.

Таким образом, теоретическое отношение масс водорода и кислорода в реакции составляет:

$m(H_2) : m(O_2) = 4 : 32$

Сократив это отношение на 4, получаем:

$1 : 8$

Этот результат, полученный на основе предположения о существовании атомов и молекул, в точности совпадает с экспериментально установленным фактом. Такое совпадение является мощным свидетельством в пользу того, что материя действительно имеет дискретную (атомно-молекулярную) структуру.

Ответ: Да, тот факт, что отношение масс прореагировавших водорода и кислорода всегда постоянно и равно 1:8, свидетельствует в пользу существования атомов и молекул. Это объясняется тем, что атомы элементов имеют постоянную массу и соединяются в молекулы в строго определённых целочисленных отношениях, что и приводит к постоянству массовых отношений в химических соединениях (закон постоянства состава).

2. Определите, сколько молекул воды содержится в капле объёмом 50 мм³. Масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода.

Дано:

Объём капли воды, $V = 50 \text{ мм}^3$
Соотношение масс атомов: $m_O = 16 \cdot m_H$
Плотность воды (справочное значение), $\rho \approx 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$
Число Авогадро (справочное значение), $N_A \approx 6.02 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$

Перевод в систему СИ:
$V = 50 \text{ мм}^3 = 50 \cdot (10^{-3} \text{ м})^3 = 50 \cdot 10^{-9} \text{ м}^3 = 5 \cdot 10^{-8} \text{ м}^3$

Найти:

Количество молекул воды, $N$.

Решение:

Количество молекул $N$ в веществе можно найти, зная его массу $m$, молярную массу $M$ и число Авогадро $N_A$. Формула для расчёта имеет вид: $N = \frac{m}{M} \cdot N_A$

1. Найдем массу капли воды $m$ через её объём $V$ и плотность $\rho$: $m = \rho \cdot V$ $m = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 5 \cdot 10^{-8} \text{ м}^3 = 5 \cdot 10^{-5} \text{ кг}$

2. Определим молярную массу воды ($H_2O$). Молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Из условия задачи известно, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода. Это соответствует их относительным атомным массам: если принять $A_r(H) \approx 1$, то $A_r(O) \approx 16$.

Относительная молекулярная масса воды $M_r$ равна сумме относительных атомных масс составляющих её атомов: $M_r(H_2O) = 2 \cdot A_r(H) + A_r(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ а.е.м.

Молярная масса $M$ численно равна относительной молекулярной массе, выраженной в граммах на моль. Переведём её в систему СИ (кг/моль): $M = 18 \frac{\text{г}}{\text{моль}} = 0.018 \frac{\text{кг}}{\text{моль}}$

3. Теперь подставим все известные значения в основную формулу и вычислим искомое количество молекул $N$: $N = \frac{5 \cdot 10^{-5} \text{ кг}}{0.018 \frac{\text{кг}}{\text{моль}}} \cdot 6.02 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$

$N \approx 2.778 \cdot 10^{-3} \frac{1}{\text{моль}} \cdot 6.02 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 16.72 \cdot 10^{20} \approx 1.67 \cdot 10^{21}$

Ответ: в капле воды содержится примерно $1.67 \cdot 10^{21}$ молекул.