Будова рідких твердих та газоподібних тіл.

Наші діти

Газ (газоподібний стан) агрегатний стан речовини, що характеризується дуже слабкими зв'язками між складовими його частинками (молекулами, атомами або іонами), а також їх великою рухливістю. Частинки газу майже вільно та хаотично рухаються у проміжках між зіткненнями, під час яких відбувається різка зміна характеру їхнього руху. Газоподібний стан речовини в умовах, коли можливе існування стійкої рідкої або твердої фази цієї речовини, зазвичай називається парою. Подібно до рідин, гази мають плинність і опираються деформації. На відміну від рідин, гази не мають фіксованого об'єму та не утворюють вільної поверхні, а прагнуть заповнити весь доступний об'єм (наприклад, судини).

Газоподібний стан найпоширеніший стан речовини Всесвіту (міжзоряна речовина, туманності, зірки, атмосфери планет тощо). За хімічними властивостями гази та їх суміші дуже різноманітні від малоактивних інертних газів до вибухових газових сумішей. До газів іноді відносять як системи з атомів і молекул, а й системи з інших частинок фотонів, електронів, броунівських частинок, і навіть плазму.

Рідина одна з агрегатних станів речовини. Основною властивістю рідини, що відрізняє її від інших агрегатних станів, є здатність необмежено змінювати форму під дією дотичних механічних напруг, навіть скільки завгодно малих, практично зберігаючи при цьому обсяг.

Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом та газом: газ не зберігає ні об'єм, ні форму, а тверде тіло зберігає і те, й інше. Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їхня поверхня поводиться як пружна мембрана. Так, вода може збиратися у краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбережені форми (внутрішні частини рідкого тіла). Молекули рідини немає певного становища, але водночас їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані. Речовина в рідкому стані існує в певному інтервалі температур, нижче якого переходить у твердий стан (відбувається кристалізація або перетворення на твердотільне аморфний стан скло), вище в газоподібне (відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежить від тиску. Як правило, речовина в рідкому стані має лише одну модифікацію. (Найважливіші винятки це квантові рідини та рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічною фазою (рідка фаза). Усі рідини прийнято ділити на чисті рідини та суміші. Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров, морська вода та ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників.

Утворення вільної поверхні та поверхневий натяг Через збереження об'єму рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: з одного боку знаходиться рідка фаза, з іншого газоподібна (пар), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря. Якщо рідка та газоподібна фази однієї і тієї ж речовини стикаються, виникають сили, які прагнуть зменшити площу поверхні поділу сили поверхневого натягу. Поверхня розділу поводиться як пружна мембрана, яка прагне стягнутися. Поверхневий натяг може пояснюватися тяжінням між молекулами рідини. Кожна молекула притягує інші молекули, прагне «оточити» себе ними, а значить, піти з поверхні. Відповідно, поверхня прагне зменшитися. Тому мильні бульбашки та бульбашки при кипінні прагнуть прийняти сферичну форму: при даному обсязі мінімальної поверхнею має кулю. Якщо на рідину діють тільки сили поверхневого натягу, вона обов'язково набуде сферичної форми, наприклад, краплі води в невагомості. Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні «плавати» на поверхні рідини, оскільки сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі поверхні.

Випаровується поступовий перехід речовини з рідини в газоподібну фазу (пар). При тепловому русі деякі молекули залишають рідину через її поверхню і переходять у пару. Разом з тим частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини йде більше молекул, ніж надходить, то має місце випаровування. Конденсація зворотний процес, перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. При цьому рідина переходить з пари більше молекул, ніж пар з рідини. Кипіння процес пароутворення всередині рідини. При досить високій температурі тиск пари стає вищим за тиск усередині рідини, і там починають утворюватися бульбашки пари, які (в умовах земного тяжіння) спливають нагору. Змочування поверхневе явище, що виникає при контакті рідини з твердою поверхнею у присутності пари, тобто на межах розділу трьох фаз. Змішуваність здатність рідин розчинятися одна в одній. Приклад змішуваних рідин: вода та етиловий спирт, приклад не змішуваних: вода та рідка олія. Перехід рідин з одного стану до іншого

Молекулярно-кінетична теорія дає можливість зрозуміти, чому речовина може перебувати в газоподібному, рідкому та твердому станах.

Газ.У газах відстань між атомами або молекулами в середовищі значно більше розмірів самих молекул (рис. 10). Наприклад, при атмосферному тиску об'єм судини в десятки.

тисяч разів перевищує обсяг молекул газу, що знаходяться в посудині.

Гази легко стискаються, тому що при стисканні газу зменшується лише середня відстань між молекулами, але молекули не здавлюють один одного (рис. 11).

Молекули з величезними швидкостями – сотні метрів за секунду – рухаються у просторі. Зіштовхуючись, вони відскакують один від одного в різні боки подібно до більярдних куль.

Слабкі сили тяжіння молекул газу неспроможні втримати їх друг біля друга. Тому гази можуть необмежено розширюватись. Вони зберігають ні форми, ні обсягу.

Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.

Рідини.У рідинах молекули розташовані майже впритул один до одного (рис. 12). Тому молекула в рідині поводиться інакше, ніж у газі. Затиснута, як у клітині, іншими молекулами, вона робить «біг дома» (вагається біля положення рівноваги, зіштовхуючись із сусідніми молекулами). Лише іноді вона робить «стрибок», прориваючись крізь «прути клітини», але відразу потрапляє у нову «клітину», утворену новими сусідами. Час «осілого життя» молекули води, тобто час коливань близько одного певного положення рівноваги при кімнатній температурі дорівнює в середньому с. Час одного коливання значно менше (с). З підвищенням температури час осілого життя молекул зменшується. Характер молекулярного руху на рідинах, вперше встановлений радянським фізиком Я. І. Френкелем, дозволяє зрозуміти основні властивості рідин.

Молекули рідини знаходяться безпосередньо одна біля одної Тому при спробі змінити об'єм рідини навіть на малу величину починається деформація самих молекул (рис. 13). А для цього потрібні дуже великі сили. Цим і пояснюється мала стисливість рідин

Рідини, як відомо, текучи, тобто не зберігають своєї форми. Пояснюється це так. Якщо рідина не тече, то перескоки молекул з одного «осілого» положення в інше відбувається з однаковою частотою в усіх напрямках (рис. 12). Зовнішня сила помітно не змінює числа перескоків молекул за секунду, але перескоки молекул з одного «осілого» становища до іншого при цьому відбуваються переважно у напрямі дії зовнішньої сили (рис. 14). Ось чому рідина тече і набуває форми судини

Тверді тіла.Атоми або молекули твердих тіл, на відміну від рідин, коливаються біля певних положень рівноваги. Щоправда, іноді молекули змінюють положення рівноваги, але це вкрай рідко. Саме тому тверді тіла зберігають як обсяг, а й форму.

Є ще одна важлива відмінність між рідинами та твердими тілами. Рідина можна порівняти з натовпом, окремі члени якого неспокійно товчуться на місці, а тверде тіло подібно до стрункої когорти, члени якої хоча і не стоять по стійці «смирно» (внаслідок теплового руху), але витримують між собою в середньому певні інтервали. Якщо з'єднати центри положень рівноваги атомів або іонів твердого тіла, то вийде правильна просторова решітка, яка називається кристалічною. На малюнках 15 і 16 зображені кристалічні ґрати кухонної солі та алмазу. Внутрішній порядок розташування атомів кристалів призводить до геометрично правильним зовнішнім формам. На малюнку 17 показані якутські алмази.

Якісне пояснення основних властивостей речовини на основі молекулярно-кінетичної теорії, як ви бачили, не є особливо складним. Однак теорія, що встановлює кількісні співвідношення між вимірюваними на досвіді величинами (тиском, температурою та ін.) та властивостями самих молекул, їх числом та швидкістю руху, дуже складна. Ми обмежимося розглядом теорії газів.

1. Наведіть докази існування теплового руху молекул.

2. Чому броунівський рух помітний лише в частинок малої маси?

3. Якою є природа молекулярних сил? 4. Які сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними? 5. Чому два свинцеві бруски з гладкими чистими зрізами злипаються, якщо їх притиснути один до одного? 6. У чому полягає відмінність теплового руху молекул газів, рідин та твердих тіл?

Будова газів, рідин та твердих тіл.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії:

всі речовини складаються з молекул, а молекули з атомів,

атоми і молекули перебувають у постійному русі,

між молекулами існують сили тяжіння та відштовхування.

У газахмолекули рухаються хаотично, відстані між молекулами великі, молекулярні сили малі, газ займає весь наданий йому обсяг.

У рідинахмолекули розташовуються впорядково лише з малих відстанях, але в великих відстанях порядок (симетрія) розташування порушується – “ближній порядок”. Сили молекулярного тяжіння утримують молекули на близькій відстані. Рух молекул - "перескоки" з одного стійкого положення в інше (як правило, в межах одного шару. Таким рухом пояснюється плинність рідини. Рідина не має форми, але має об'єм.

Тверді тіла – речовини, які зберігають форму, поділяються на кристалічні та аморфні. Кристалічні твердітіла мають кристалічну решітку, у вузлах якої можуть знаходитися іони, молекули або атоми. Вони здійснюють коливання щодо стійких положень рівноваги.

Аморфні тілазберігають форму, але не мають кристалічних ґрат і, як наслідок, не мають яскраво вираженої температури плавлення. Їх називають застиглими рідинами, оскільки вони, як рідини мають “ближній ” порядок розташування молекул.

Сили взаємодії молекул

Усі молекули речовини взаємодіють між собою силами тяжіння та відштовхування. Доказ взаємодії молекул: явище змочування, опір стиску та розтягуванню, мала стисливість твердих тіл і газів та ін. Причина взаємодії молекул – це електромагнітні взаємодії заряджених частинок у речовині. Як це пояснити? Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно зарядженої електронної оболонки. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду всіх електронів, тому загалом атом електрично нейтральний. Молекула, що складається з одного або кількох атомів, теж електрично нейтральна. Розглянемо взаємодію між молекулами з прикладу двох нерухомих молекул. Між тілами у природі можуть існувати гравітаційні та електромагнітні сили. Оскільки маси молекул дуже малі, мізерно малі сили гравітаційного взаємодії між молекулами можна розглядати. На дуже великих відстанях електромагнітної взаємодії між молекулами також немає. Але, при зменшенні відстані між молекулами молекули починають орієнтуватися так, що їх звернені одна до одної сторони матимуть різні по знаку заряди (загалом молекули залишаються нейтральними) і між молекулами виникають сили тяжіння. При ще більшому зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування, як наслідок взаємодії негативно заряджених електронних оболонок атомів молекул. У результаті молекулу діє сума сил тяжіння і відштовхування. На великих відстанях переважає сила тяжіння (на відстані 2-3 діаметрів молекули тяжіння максимально), на малих відстанях сила відштовхування. Існує така відстань між молекулами, на якій сили тяжіння стають рівними силам відштовхування. Таке положення молекул називається положенням сталої рівноваги. Знаходяться на відстані один від одного і пов'язані електромагнітними силами молекули мають потенційну енергію. У положенні сталого рівноваги потенційна енергія молекул мінімальна. У речовині кожна молекула взаємодіє одночасно з багатьма сусідніми молекулами, що впливає на величину мінімальної потенційної енергії молекул. З іншого боку, все молекули речовини перебувають у безперервному русі, тобто. мають кінетичну енергію. Таким чином, структура речовини та її властивості (твердих, рідких та газоподібних тіл) визначаються співвідношенням між мінімальною потенційною енергією взаємодії молекул та запасом кінетичної енергії теплового руху молекул.

Будова та властивості твердих, рідких та газоподібних тіл

Будова тіл пояснюється взаємодією частинок тіла та характером їх теплового руху.

Тверде тіло

Тверді тіла мають постійну форму та об'єм, практично стисливі. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул більша за кінетичну енергію молекул. Сильна взаємодія частинок. Тепловий рух молекул на жорсткому тілі виражається тільки коливаннями частинок (атомів, молекул) біля положення стійкого рівноваги.

Через великі сили тяжіння молекули мало можуть змінювати своє становище у речовині, цим пояснюється незмінність обсягу і форми твердих тіл. Більшість твердих тіл має упорядковане в просторі розташування частинок, які утворюють правильні кристалічні грати. Частинки речовини (атоми, молекули, іони) розташовані у вершинах – вузлах кристалічних ґрат. Вузли кристалічної решітки збігаються зі становищем стійкого рівноваги частинок. Такі тверді тіла називають кристалічними.

Рідина

Рідини мають певний обсяг, але не мають своєї форми, вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул можна порівняти з кінетичною енергією молекул. Слабка взаємодія частинок. Тепловий рух молекул у рідині виражено коливаннями при становищі стійкого рівноваги всередині обсягу, наданого молекулі її сусідами. Молекули що неспроможні вільно переміщатися у всьому об'єму речовини, але можливі переходи молекул на сусідні місця. Цим пояснюється плинність рідини, здатність змінювати свою форму.

У рідинах молекули досить міцно пов'язані один з одним силами тяжіння, що пояснює незмінність обсягу рідини. У рідині відстань між молекулами дорівнює приблизно діаметру молекули. При зменшенні відстані між молекулами (стисканні рідини) різко збільшуються сили відштовхування, тому рідини не стискаються. За своєю будовою та характером теплового руху рідини займають проміжне положення між твердими тілами та газами. Хоча різниця між рідиною та газом значно більша, ніж між рідиною та твердим тілом. Наприклад, при плавленні або кристалізації об'єм тіла змінюється набагато менше, ніж при випаровуванні або конденсації.

Гази не мають постійного обсягу і займають весь обсяг судини, в якій вони знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул менша від кінетичної енергії молекул. Частинки речовини практично не взаємодіють. Гази характеризуються повною безладністю розташування та руху молекул.

Відстань між молекулами газу набагато більше розмірів молекул. Малі сили тяжіння не можуть утримати молекули одна біля одної, тому гази можуть необмежено розширюватись. Гази легко стискаються під впливом зовнішнього тиску, т.к. відстані між молекулами великі, а сили взаємодії зневажливо малі. Тиск газу на стінки судини створюється ударами рухомих молекул газу.

Мета уроку: Розглянути особливості будови та властивості газоподібних, рідких та твердих тіл з точки зору молекулярно – кінетичної теорії.

Завдання уроку:

Освітні

Сприяти оволодінню знаннями на тему “Будова газоподібних, рідких і твердих тіл”;
Встановити характер залежності сил тяжіння та відштовхування від відстані між молекулами;
Вчитися вирішувати якісні завдання.

Розвиваючі

Розвивати:

спостережливість, самостійність;
логічне мислення
вміння застосовувати знання теорії на практиці;
сприяти розвитку мови, мислення

Виховні:

Формування уявлень про єдність та взаємозв'язок явищ природи.
Формувати позитивне ставлення до предмета

Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу.

Форма уроку: комбінований

Комплексно-методичне забезпечення:Комп'ютер, екран, мультимедійний проектор, авторська презентація, зразки кристалів, тестові завдання.

Міжпредметні зв'язки:

хімія
інформатика

Хід уроку

Організаційний етап

Вчитель:Вітаю. Ще Наполеон I говорив: "Уява править світом". А Демокріт стверджував, що “Нічого немає крім атомів”.

Етап постановки цілей та завдань уроку.

Погодьтеся! Світ дивовижний і різноманітний. Людина здавна намагалася пояснити незрозуміле, побачити невидиме, почути нечутне. Озираючись довкола себе, він міркував про природу і намагався вирішити загадки, які вона ставила перед ним.

Російський поет Федір Іванович Тютчев писав.

Не те, що ви думаєте, природа:
Не зліпок, не бездушне обличчя –
У ній є душа, у ній є свобода,
У ній є кохання, у ній є мова.

Але з часом людина почала розуміти, що саме закон стоїть на чолі всього, що нас оточує.

Ви, звичайно, щодня стикаєтеся з різними фізичними явищами, якими керує закон, і в більшості випадків можете передбачити, як вони закінчаться. Наприклад, передбачте, чим закінчаться такі події:

Якщо відкрити флакон із духами, то …;
Якщо нагріти кригу, то …;
Якщо сильно стиснути два шматочки пластиліну, то …;
Якщо крапнути краплю олії на воду, то …;
Якщо опустити термометр у гарячу воду, то …

Вчитель:Отже, даючи відповіді, ви керувалися певними знаннями, отриманими раніше. Ми з вами щодня спостерігаємо цілу низку навколишніх предметів: столи, стільці, книги, ручки, зошити, автомобілі і т.д. Скажіть, вони нам тільки здаються суцільними, чи вони насправді є такими?

Учень:Тільки здаються.

Вчитель:Тоді скажіть, із чого складаються всі речовини?

Учень:З молекул чи атомів

Вчитель:А, як ви вважаєте, молекули різних речовин однакові чи ні? Доведіть.

Учень:Ні. Вони мають різні хімічні сполуки.

Вчитель:Лід, вода і водяна пара складаються з одних і тих же молекул чи ні?

Учень:Так.

Вчитель:Чому?

Учень:Тому що це одна і та ж речовина, але в різному вигляді

Вчитель:Ось, хлопці, ми підійшли до теми нашого уроку. Відкрийте робочі зошити, запишіть дату та тему нашого уроку: “Будова газоподібних, рідких та твердих тіл”.

(Слайд 2).

У світі немає двох абсолютно однакових предметів. Неможливо знайти дві однакові піщинки в горі піску або два однакові листочки на дереві, а ось молекули однієї і тієї ж речовини абсолютно однакові. Наприклад, воду ми звикли бачити у рідкому стані. Хімічна формула води H2O. У газоподібному стані – це пари води. (Яка хімічна формула?). У твердому стані, це лід чи сніг. Все та сама хімічна формула - H 2 O.

Тоді виникає питання: якщо молекули однієї й тієї ж речовини абсолютно однакові, то чому ця речовина може перебувати в різних агрегатних станах?

Ось на це питання нам з вами і доведеться відповісти сьогодні на уроці. (Слайд 3)

Розрізняють чотири агрегатні стани речовини:

Тверде
Рідке
Газоподібне
Плазмове

Сьогодні ми поговоримо про трьох із них. Насамперед познайомимося з поняттям – фазовий перехід. (Слайд 4)

Фазовий перехід - перехід системи з одного агрегатного стану до іншого. При фазовому переході стрибкоподібно змінюється будь-яка фізична величина (щільність, внутрішня енергія)

Реалізація агрегатного стану речовини залежить від співвідношення кінетичної та потенційної енергії молекул, що входять до її складу.

Етап пояснення нового матеріалу

Перед вами на столах лежать опорні конспекти. (Додаток 3). Що символізує кожен малюнок? (Різні агрегатні стани)

Хмара – газоподібний стан речовини, пляшка – рідка, кубик – твердий стан. Поетапно розберемо будову газоподібних, рідких та твердих тіл. Висновки запишемо у зошитах.

ГАЗИ (Слайд 6, 10)

Відстань між атомами або молекулами в газах у середньому набагато більше розмірів самих молекул. Гази легко стискаються, у своїй зменшується середня відстань між молекулами, але молекули не здавлюють одне одного. Молекули рухаються з величезними швидкостями – сотні метрів за секунду. Зіткнувшись, вони відскакують один від одного в різні боки. Слабкі сили тяжіння молекул газу неспроможні втримати їх друг біля друга. Тому гази можуть необмежено розширюватись. Вони зберігають ні форми, ні обсягу.

Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.

РІДИНИ (Слайд 11, 14)

Молекули рідини розташовані майже впритул один до одного, тому молекула рідини поводиться інакше, ніж молекула газу. Затиснута, як і “клітині”, іншими молекулами, вона робить “біг дома” (вагається біля положення рівноваги, зіштовхуючись із сусідніми молекулами). Лише іноді вона робить " стрибок " , прориваючись крізь " прути клітини " , але відразу потрапляє у нову клітину, освічену новими сусідами. Час осілого життя молекули води, тобто час коливань близько одного певного положення рівноваги за кімнатної температури, дорівнює в середньому 10 -11 с. Час одного коливання значно менше (10 -12 -10 -13 с). З підвищенням температури час осілого життя молекул зменшується.

Молекули рідини знаходяться безпосередньо одна біля одної. При спробі змінити об'єм рідини (навіть на малу величину) починається деформація самих молекул, для цього потрібні великі сили. Цим і пояснюється мала стисливість рідин.

Як відомо, рідини текучи, тобто не зберігають своєї форми, вони набувають форми судини.

Характер молекулярного руху на рідинах, вперше встановлений радянським фізиком Я. І. Френкелем, дозволяє зрозуміти основні властивості рідин. (Додаток 5)

Тверді тіла. (Слайд 15)

Атоми чи молекули твердих тіл на відміну атомів і молекул рідин коливаються біля певних положень рівноваги. Щоправда, іноді молекули змінюють положення рівноваги, але це рідко. Саме тому тверді тіла зберігають як обсяг, а й форму.

Є ще одна важлива відмінність між рідинами та твердими тілами.

Рідина можна порівняти з натовпом людей, де окремі індивідууми неспокійно товчуться на місці, а тверде тіло подібно до стрункої когорти тих же індивідуумів, які хоч і не стоять по стійці смирно, але витримують між собою в середньому певні інтервали. Якщо з'єднати центри положень рівноваги атомів або іонів твердого тіла, то вийде правильна просторова решітка, яка називається кристалічною.

На малюнках зображені кристалічні грати кухонної солі та алмазу. Внутрішній порядок розташування атомів кристалів призводить до правильним зовнішнім геометричним формам.

Отже, настав час відповісти на поставлене на початку уроку питання: від чого залежить, що та сама речовина може перебувати в різних агрегатних станах?

Відповіді учнів: Від відстані між частинками, сил взаємодії, тобто від того, як розташовані молекули, як вони рухаються і як взаємодіють один з одним.

Етап закріплення пройденого матеріалу.

Гра "Що за стан?"

Оцінку “5” отримує учень, який набрав найбільшу кількість балів.Етап перевірки отриманих під час уроку знань.
Тест. (Додаток 4)

Заключний етап.

А тепер давайте підіб'ємо підсумки нашої роботи на сьогоднішньому уроці. Що нового дізналися на уроці? Які оцінки здобули.Домашнє завдання: § 62, відповісти на запитання після параграфа, заповнити таблицю.

Вчитель:

(Слайд 38)
Вирішувати загадки можна вічно.
Адже всесвіт нескінченний.
Дякую всім нам за урок,

А головне, щоб він про запас!

Література:
Г.В. Маркіна, видавництво "Вчитель" м. Волгоград, 97
В.А. Волков, Москва "Вако", 2006 На допомогу шкільному вчителю
Інтернет ресурси
Г.Я. Мякішев, фізика, Москва -2007.