Страница 30 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Подготовьте сообщение по теме «Роль М. В. Ломоносова и Дж. Дальтона в создании атомно-молекулярного учения».

Атомно-молекулярное учение — это фундаментальная теория в химии, описывающая строение вещества. Она утверждает, что все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении. Создание этой теории было долгим процессом, в который внесли решающий вклад многие ученые. Ключевыми фигурами на этом пути стали русский ученый-энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов и английский химик и физик Джон Дальтон, чьи работы, дополняя друг друга, заложили основы современной химии.

Роль М. В. Ломоносова

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765), работая в середине XVIII века, заложил философские и экспериментальные основы атомно-молекулярного учения задолго до его всеобщего признания. Его вклад, основанный на корпускулярной теории, был революционным для своего времени.

• Ломоносов впервые ввел четкое различие между атомами, которые он называл «элементами», и молекулами, которые он называл «корпускулами». Он предполагал, что «корпускулы» (молекулы) состоят из «элементов» (атомов), что является гениальным предвидением строения вещества.
• Он развил кинетическую теорию теплоты, утверждая, что тепловые явления являются результатом движения частиц вещества («корпускул»). Эта идея противостояла господствовавшей тогда теории теплорода и предвосхитила современную молекулярно-кинетическую теорию.
• Самым значительным экспериментальным достижением Ломоносова является открытие и формулировка закона сохранения массы в химических реакциях (1748 г., опубликован в 1756 г.). Проводя опыты по нагреванию металлов в запаянных ретортах, он количественно доказал, что масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Этот закон стал фундаментальным для химии, так как он подтверждал, что в ходе химических превращений атомы не исчезают и не создаются, а лишь перераспределяются.

Несмотря на свою гениальность, труды Ломоносова не получили широкого распространения при его жизни и были по-настоящему оценены лишь спустя много лет.

Роль Дж. Дальтона

Джон Дальтон (1766-1844) в начале XIX века (1803-1808 гг.) обобщил накопленные знания и, опираясь на количественные данные, создал первую научную атомную теорию, которая превратила химию в точную науку.

• Дальтон постулировал, что все вещества состоят из мельчайших, неделимых и неизменных частиц — атомов.
• Он утверждал, что атомы одного элемента идентичны по массе и свойствам, в то время как атомы разных элементов отличаются друг от друга, в первую очередь, массой.
• Он ввел понятие относительной атомной массы, приняв массу атома водорода за единицу, и составил первую таблицу атомных масс. Это позволило проводить количественные расчеты в химии.
• Его теория получила мощное экспериментальное подтверждение благодаря открытому им закону кратных отношений. Этот закон гласит: если два элемента образуют между собой несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Этот закон прямо указывал на дискретность вещества.

Учение Дальтона было быстро принято научным сообществом и послужило основой для дальнейшего развития химии, включая работы А. Авогадро, С. Канниццаро и создание Периодической системы Д. И. Менделеевым.

Таким образом, роли Ломоносова и Дальтона в создании атомно-молекулярного учения являются взаимодополняющими и одинаково важными. Ломоносов выступил как провидец, заложивший качественные и фундаментальные основы: различие между атомом и молекулой, кинетическую природу тепла и закон сохранения массы. Дальтон же систематизировал имеющиеся знания, подвел под них строгий количественный базис, сформулировал четкие постулаты атомной теории и дал химикам рабочий инструмент в виде относительных атомных масс. Их совместный вклад сформировал прочный фундамент, на котором стоит вся современная химическая наука.

Ответ: Роль М. В. Ломоносова и Дж. Дальтона в создании атомно-молекулярного учения является основополагающей. М. В. Ломоносов в середине XVIII века заложил качественные основы учения: ввел различие между атомами («элементами») и молекулами («корпускулами»), развил кинетическую теорию теплоты и экспериментально доказал закон сохранения массы. Дж. Дальтон в начале XIX века создал первую количественную атомную теорию, основанную на экспериментальных законах (включая открытый им закон кратных отношений), ввел ключевое понятие относительной атомной массы и превратил химию в точную науку, предоставив ученым инструмент для количественных расчетов. Вклад обоих ученых был необходим для становления и развития химии.

2. Какие опыты, известные вам из курсов физики и химии, подтверждают следующие положения:

а) вещества состоят из молекул;

б) молекулы образованы атомами?

а) Положение о том, что все вещества состоят из отдельных частиц — молекул, подтверждается рядом физических явлений. Одним из самых наглядных примеров является диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого. Например, если в стакан с водой капнуть чернила, то через некоторое время вся вода равномерно окрасится. Это происходит потому, что молекулы чернил и воды, находясь в непрерывном хаотическом движении, перемешиваются друг с другом. Также доказательством служит броуновское движение — беспорядочное движение мельчайших твердых частиц (например, пыльцы), взвешенных в жидкости или газе. Это движение вызвано неуравновешенными ударами молекул среды по частице. Наблюдать движение самих молекул напрямую невозможно из-за их малых размеров, но броуновское движение является его прямым следствием. Также явления сжимаемости газов, упругости тел и испарения жидкостей объясняются молекулярным строением вещества.
Ответ: Существование молекул подтверждают опыты, демонстрирующие диффузию, броуновское движение, сжимаемость и упругость веществ.

б) То, что молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — атомов, доказывают химические реакции. В ходе химических реакций исходные вещества превращаются в новые, с совершенно другими свойствами. Это объясняется тем, что молекулы исходных веществ распадаются на атомы, которые затем перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ. Классическим примером является электролиз воды. При пропускании электрического тока через воду (молекулы $H_2O$) она разлагается на два газа — водород ($H_2$) и кислород ($O_2$). Этот опыт показывает, что молекула воды не является неделимой и состоит из атомов водорода и кислорода. Другой пример — реакция горения метана ($CH_4$) в кислороде ($O_2$), в результате которой образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Атомы углерода, водорода и кислорода перераспределились, создав новые молекулы.
Ответ: Состав молекул из атомов подтверждают химические реакции, в ходе которых молекулы одних веществ разрушаются, а из их атомов образуются молекулы новых веществ (например, разложение воды на водород и кислород).

3. Чем различаются понятия «атом» и «молекула»?

Понятия «атом» и «молекула» различаются по своей структуре, составу и роли в строении вещества. Основное различие заключается в том, что молекула состоит из атомов, в то время как атом является более фундаментальной, базовой частицей химического элемента.

Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его свойств. Например, атом кислорода (O) или атом водорода (H). Атом состоит из ядра (протоны и нейтроны) и электронов. Атомы являются «строительными кирпичиками» для молекул. Вещества, состоящие из отдельных атомов, — это, например, инертные газы (гелий, аргон) или металлы в твердом состоянии, где атомы образуют кристаллическую решетку, но не отдельные молекулы.

Молекула — это наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохранять химические свойства этого вещества. Молекула состоит из двух или более атомов, соединенных химическими связями. Атомы в молекуле могут быть одинаковыми, как в молекуле кислорода ($O_2$), или разными, как в молекуле воды ($H_2O$). Свойства молекулы определяются её составом (какие атомы и в каком количестве) и структурой (как атомы соединены).

Таким образом, можно выделить следующие ключевые различия. По составу: атом — это одиночная частица элемента, а молекула — это группа из двух или более связанных атомов. По строению: атомы являются фундаментальными единицами, из которых строятся молекулы. По наличию связей: в молекулах атомы всегда соединены химическими связями, тогда как некоторые атомы (например, инертных газов) могут существовать без них. По делимости: в ходе химических реакций молекулы распадаются на атомы, а сами атомы остаются неизменными.

Ответ: Атом — это наименьшая частица химического элемента, являющаяся его носителем свойств. Молекула — это наименьшая частица вещества, состоящая из двух или более атомов, соединенных химическими связями, и сохраняющая химические свойства данного вещества. Главное отличие в том, что молекула состоит из атомов.

4. Объясните физические явления исходя из представлений об атомно-молекулярном строении вещества. Приведите примеры.

Атомно-молекулярное учение — это фундаментальная концепция, объясняющая строение и свойства материи. Согласно этому учению, все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания. На основе этих трех положений можно объяснить множество физических явлений.

Диффузия

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Это явление является прямым следствием непрерывного и хаотического (теплового) движения частиц. Молекулы, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки между другими молекулами. Скорость диффузии зависит от температуры (с ростом температуры частицы движутся быстрее, и диффузия ускоряется) и от агрегатного состояния вещества. В газах диффузия происходит быстро, так как расстояния между молекулами велики, и они свободно перемещаются. В жидкостях — медленнее, а в твердых телах — очень медленно, так как частицы в них сильно связаны и могут лишь колебаться около своих положений равновесия.
Пример: распространение запаха духов в комнате, постепенное окрашивание воды, в которую опустили кристаллик марганцовки, или засаливание огурцов в рассоле.

Ответ: Явление диффузии объясняется непрерывным и хаотическим движением атомов и молекул, из которых состоят вещества, приводящим к их взаимному проникновению.

Броуновское движение

Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе. Это явление также является доказательством теплового движения молекул. Невидимые молекулы жидкости или газа, непрерывно и хаотически двигаясь, со всех сторон ударяют о взвешенную частицу (например, пыльцу). Поскольку число ударов с разных сторон в каждый момент времени неодинаково, их действие не компенсируется. В результате равнодействующая сила постоянно меняется по величине и направлению, заставляя частицу перемещаться случайным образом.
Пример: хаотичное движение частиц пыльцы в капле воды или частиц дыма в воздухе, наблюдаемое под микроскопом.

Ответ: Броуновское движение объясняется тем, что удары хаотически движущихся молекул среды (жидкости или газа) о взвешенную в ней частицу не скомпенсированы в каждый момент времени.

Тепловое расширение и сжатие

Большинство тел расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Это явление объясняется изменением интенсивности движения частиц и расстояния между ними. Температура является мерой средней кинетической энергии частиц. При нагревании тела средняя кинетическая энергия его частиц увеличивается, они начинают двигаться быстрее и колебаться с большей амплитудой. Это приводит к увеличению среднего расстояния между частицами, и, как следствие, к увеличению размеров (объема) всего тела. При охлаждении происходит обратный процесс.
Пример: металлический стержень удлиняется при нагревании; ртуть или спирт в термометре поднимаются по капилляру при повышении температуры; на железнодорожных путях и мостах оставляют специальные зазоры для компенсации теплового расширения.

Ответ: Тепловое расширение тел при нагревании объясняется увеличением средней скорости движения частиц вещества, что приводит к увеличению среднего расстояния между ними; при охлаждении происходит обратный процесс сжатия.

Агрегатные состояния вещества

Существование трех основных агрегатных состояний вещества — твердого, жидкого и газообразного — определяется соотношением между кинетической энергией движения частиц ($E_k$) и потенциальной энергией их взаимодействия ($E_p$).
В газах: кинетическая энергия частиц значительно преобладает над энергией их взаимодействия ($E_k \gg E_p$). Молекулы движутся с большими скоростями, почти не взаимодействуя друг с другом, и находятся на больших расстояниях. Газы не имеют собственной формы и объема, занимая весь предоставленный им сосуд.
В жидкостях: кинетическая энергия частиц сопоставима с энергией их взаимодействия ($E_k \approx E_p$). Частицы расположены близко друг к другу, силы притяжения удерживают их вместе, но частицы могут перемещаться относительно друг друга (текучесть). Жидкости сохраняют объем, но принимают форму сосуда.
В твердых телах: энергия взаимодействия частиц значительно больше их кинетической энергии ($E_p \gg E_k$). Частицы сильно связаны друг с другом и расположены в определенном порядке (в кристаллических телах), совершая лишь колебательные движения около положений равновесия. Твердые тела сохраняют и форму, и объем.
Пример: вода в зависимости от температуры может быть льдом (твердое тело), жидкостью или водяным паром (газ).

Ответ: Различие в свойствах трех агрегатных состояний вещества объясняется разным характером движения частиц и соотношением между их кинетической энергией и энергией взаимного притяжения.

Давление газа

Давление, которое газ оказывает на стенки сосуда, является результатом многочисленных ударов его молекул об эти стенки. Каждая молекула, двигаясь хаотично, сталкивается со стенкой, передавая ей импульс. Хотя сила удара одной молекулы ничтожно мала, огромное количество молекул в газе и высокая частота их столкновений создают постоянное, измеримое давление. Чем выше температура газа, тем больше скорость молекул, тем сильнее и чаще их удары о стенки, и, следовательно, выше давление. Увеличение концентрации молекул (количества газа в том же объеме) также приводит к росту давления из-за увеличения числа ударов.
Пример: давление воздуха внутри надутого воздушного шарика или автомобильной шины, которое не дает им сжаться.

Ответ: Давление газа на стенки сосуда объясняется непрерывными ударами огромного числа хаотически движущихся молекул газа об эти стенки.

5. Объясните с позиций атомно-молекулярного учения:

а) испарение воды;

б) разложение воды под действием постоянного электрического тока.

а) испарение воды

С точки зрения атомно-молекулярного учения, вода состоит из молекул $H_2O$, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. В жидком состоянии молекулы воды расположены близко друг к другу и связаны межмолекулярными силами притяжения. Однако их кинетическая энергия различна. Некоторые молекулы, особенно на поверхности жидкости, в результате случайных столкновений приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних молекул и вылететь с поверхности воды. Этот процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется испарением. Важно отметить, что при испарении сами молекулы воды не изменяются, меняется лишь расстояние между ними и характер их движения. Таким образом, испарение — это физическое явление, при котором химический состав вещества (воды) сохраняется.

Ответ: Испарение воды — это физический процесс, при котором отдельные молекулы воды ($H_2O$), обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают силы межмолекулярного притяжения и покидают поверхность жидкости, переходя в газообразное состояние (пар). При этом сами молекулы не разрушаются.

б) разложение воды под действием постоянного электрического тока

Разложение воды под действием электрического тока (электролиз) — это химическое явление. Согласно атомно-молекулярному учению, молекула воды ($H_2O$) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных прочными химическими связями. Под действием электрической энергии происходит разрыв этих связей внутри молекул воды. В результате этого процесса исходные молекулы воды разрушаются. Освободившиеся атомы водорода и кислорода перегруппировываются и образуют молекулы новых веществ: двухатомные молекулы газа водорода ($H_2$) и двухатомные молекулы газа кислорода ($O_2$). Этот процесс описывается химическим уравнением: $2H_2O \xrightarrow{электрический \ ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$. Таким образом, в отличие от испарения, при электролизе происходит превращение одного вещества (воды) в другие (водород и кислород) за счет разрушения исходных молекул и образования новых.

Ответ: Разложение воды под действием тока — это химический процесс (электролиз), при котором подводимая электрическая энергия разрушает химические связи в молекулах воды ($H_2O$). В результате из атомов, входивших в состав молекул воды, образуются молекулы новых веществ — водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$).

6. Какие элементарные частицы входят в состав ядра атома?

Решение

Ядро атома — это центральная, массивная и положительно заряженная часть атома. Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра, оно состоит из частиц двух типов, которые объединяются общим названием — нуклоны.

К нуклонам относятся:

1. Протоны (p). Это частицы, обладающие положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона ($q_p = +e \approx +1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл). Количество протонов в ядре определяет его заряд (зарядовое число Z) и, следовательно, химический элемент, к которому принадлежит атом. Например, в ядре любого атома водорода содержится 1 протон, а в ядре атома гелия — 2 протона.

2. Нейтроны (n). Это частицы, не имеющие электрического заряда (электрически нейтральные, $q_n = 0$). Масса нейтрона очень близка к массе протона. Нейтроны, наряду с протонами, обеспечивают стабильность ядра, участвуя в сильном ядерном взаимодействии, которое удерживает нуклоны вместе, преодолевая электростатическое отталкивание между протонами. Атомы одного и того же элемента, содержащие разное количество нейтронов, называются изотопами.

Таким образом, фундаментальными частицами, составляющими ядро атома, являются протоны и нейтроны. Хотя в современной физике элементарных частиц протоны и нейтроны сами считаются составными частицами (состоят из кварков), в контексте строения атома их принято называть элементарными составляющими ядра.

Ответ: В состав ядра атома входят элементарные частицы: протоны и нейтроны.

7. В каком случае атом электронейтрален?

Решение

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки. Ядро, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных (не имеющих заряда) нейтронов. Таким образом, весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре. Электронная оболочка состоит из отрицательно заряженных электронов.

Электрическая нейтральность (или электронейтральность) означает, что суммарный электрический заряд тела равен нулю. Для того чтобы атом был электронейтральным, суммарный положительный заряд всех протонов в ядре должен быть равен по модулю и противоположен по знаку суммарному отрицательному заряду всех электронов в оболочке.

Заряд одного протона равен элементарному заряду $+e$, а заряд одного электрона равен $-e$, где $e \approx 1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл. Пусть в ядре атома содержится $Z$ протонов, а в электронной оболочке — $N_e$ электронов. Тогда суммарный заряд ядра равен $+Z \cdot e$, а суммарный заряд электронной оболочки равен $-N_e \cdot e$.

Условие электронейтральности атома выглядит так:

$(+Z \cdot e) + (-N_e \cdot e) = 0$

Отсюда следует, что:

$Z \cdot e = N_e \cdot e$

Сократив на элементарный заряд $e$, получаем:

$Z = N_e$

Это означает, что для электронейтральности атома необходимо, чтобы количество протонов в его ядре было строго равно количеству электронов на его оболочках.

Ответ: Атом электронейтрален, когда число протонов в его ядре равно числу электронов в его электронной оболочке.

8. Как образуются положительно и отрицательно заряженные ионы?

Ион — это заряженная частица, которая образуется из нейтрального атома или молекулы в результате потери или присоединения электронов. В обычном состоянии атом электрически нейтрален, поскольку положительный заряд его ядра, создаваемый протонами, полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов на его оболочках.

Образование положительно заряженных ионов (катионов)

Положительный ион, или катион, образуется, когда нейтральный атом теряет один или несколько электронов. При потере электрона количество протонов в ядре (положительных зарядов) становится больше количества электронов (отрицательных зарядов). Вследствие этого атом приобретает итоговый положительный заряд. Процесс отрыва электрона требует энергии, называемой энергией ионизации.

Пример: атом натрия ($Na$) теряет один электрон ($e^-$) и становится катионом натрия ($Na^+$).

$Na - e^- \rightarrow Na^+$

Образование отрицательно заряженных ионов (анионов)

Отрицательный ион, или анион, образуется, когда нейтральный атом присоединяет к себе один или несколько дополнительных электронов. В этом случае количество электронов на оболочках начинает превышать количество протонов в ядре. В результате атом приобретает итоговый отрицательный заряд. Способность атома присоединять электрон называется сродством к электрону.

Пример: атом хлора ($Cl$) присоединяет один электрон ($e^-$) и становится анионом хлора ($Cl^-$).

$Cl + e^- \rightarrow Cl^-$

Ответ: Положительно заряженные ионы образуются в результате потери электронов нейтральными атомами, а отрицательно заряженные ионы — в результате присоединения дополнительных электронов к нейтральным атомам.

1. Верны ли следующие суждения о молекулах?

А. Молекулы являются химически делимыми частицами.

Б. Молекулы состоят из атомов.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Решение

Для того чтобы ответить на вопрос, необходимо проанализировать истинность каждого из предложенных суждений.

А. Молекулы являются химически делимыми частицами.

Это суждение является верным. Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Однако в ходе химических реакций молекулы могут распадаться на составляющие их атомы. Атомы, в свою очередь, перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ. Например, в реакции разложения воды под действием электрического тока (электролиз), молекулы воды ($H_2O$) распадаются, образуя молекулы водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$). Это доказывает, что молекулы химически делимы.

Б. Молекулы состоят из атомов.

Это суждение также является верным. Согласно молекулярно-кинетической теории, молекулы состоят из атомов, которые соединены между собой химическими связями. Например, молекула глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Даже молекулы простых веществ, таких как азот ($N_2$) или озон ($O_3$), состоят из нескольких атомов одного и того же химического элемента.

Так как оба суждения, А и Б, являются верными, то правильным вариантом ответа является тот, в котором утверждается, что оба суждения верны.

Ответ: 3) верны оба суждения.

2. Установите соответствие между названием элементарной частицы и её зарядом.

1) протон

2) нейтрон

3) электрон

А. $-1$

Б. $+1$

В. $0$

1) протон
Протон — это субатомная частица, которая входит в состав ядра каждого атома и имеет положительный электрический заряд. Величина этого заряда принята за единицу в атомной физике, поэтому относительный заряд протона составляет $+1$.
Ответ: Б

2) нейтрон
Нейтрон — это субатомная частица, которая также находится в ядре атома. Как следует из её названия (от лат. neuter — ни тот, ни другой), она является электрически нейтральной, то есть её заряд равен $0$.
Ответ: В

3) электрон
Электрон — это стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом. В атоме электроны движутся вокруг ядра. По модулю заряд электрона равен заряду протона, но имеет противоположный знак, поэтому его относительный заряд равен $-1$.
Ответ: А