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- 2021-05-25 发布
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1 物体是由大量分子组成的
[学习目标] 1.知道物体是由大量分子组成的.2.知道分子的球形模型和分子直径的数量级.3.知道阿伏伽德罗常量的物理意义、数值和单位.4.知道分子之间存在空隙.
一、物体的组成
在热学范围内,由于原子、分子或离子遵循相同的热运动规律,因此在讨论热运动时,往往不区分原子、分子或离子,故物体是由分子组成的.
二、分子的大小
多数分子的直径的数量级为10-10m.
三、阿伏伽德罗常量
1.定义:1mol的任何物质都含有相同的分子数,这个数量用阿伏伽德罗常量表示.
2.数值:NA=6.02×1023mol-1.
3.意义:阿伏伽德罗常量把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量联系起来了.
四、分子之间存在空隙
固体、液体、气体分子间均存在空隙,气体分子间的空隙(距离)要比分子的线度大的多.
[即学即用]
判断下列说法的正误.
(1)所有分子直径的数量级都是10-9m.(×)
(2)分子的形状为球形或立方体形状.(×)
(3)分子间距离等于分子的直径.(×)
(4)分子体积等于摩尔体积与阿伏伽德罗常量的比值.(×)
一、分子的大小及模型
[导学探究] 通过初中物理的学习,我们知道组成物体的分子是很小的.成年人做一次深呼吸,大约能吸入1×1022个分子.那么分子到底有多小?这么小的分子又是什么形状的呢?
答案 多数分子直径的数量级为10-10m.一般把分子看做球形或立方体.
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[知识深化]
1.热学中的分子与化学上讲的不同,它是构成物质的分子、原子、离子等微粒的统称,因为这些微粒在热运动时遵从相同的规律.
2.分子的两种模型
(1)球形模型:固体、液体中分子间距较小,可认为分子是一个挨着一个紧密排列的球体.分子体积V0和直径d的关系为V0=πd3.
(2)立方体模型:气体中分子间距很大,一般建立立方体模型(如图1所示).将每个气体分子看成一个质点,气体分子位于立方体中心,分子占据的空间V0和分子间距离d的关系为V0=d3.
图1
3.分子的大小
(1)分子直径的数量级为10-10m.
(2)分子体积的数量级一般为10-29m3.
(3)分子质量的数量级一般为10-26kg.
特别提醒 对于分子模型,无论是球体还是立方体,都是一种简化的理想模型,实际的分子是有复杂结构的,在用不同的模型计算分子的大小时,所得结果会有差别,但分子直径的数量级一般都是10-10m.
例1 关于分子,下列说法中正确的是( )
A.分子看做小球是分子的简化模型,实际上,分子的形状并不真的都是球形
B.所有分子大小的数量级都是10-10m
C.“物体是由大量分子组成的”,其中“分子”只包含分子,不包括原子和离子
D.分子的质量是很小的,其数量级一般为10-10kg
答案 A
解析 将分子看做小球是为研究问题方便而建立的简化模型,故A选项正确;一些有机物质分子大小的数量级超过10-10m,故B选项错误;“物体是由大量分子组成的”,其中“分子”是分子、原子、离子的统称,故C选项错误;分子质量的数量级一般为10-26kg,故D选项错误.
例2 现在已经有能放大数亿倍的非光学显微镜(如电子显微镜、场离子显微镜等),使得人们观察某些物质内的分子排列成为可能.如图2所示是放大倍数为3×107倍的电子显微镜拍摄的二硫化铁晶体的照片.据图可以粗略地测出二硫化铁分子体积的数量级为________m3.(照片下方是用最小刻度为毫米的刻度尺测量的照片情况)
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图2
答案 10-29
解析 由题图可知,将每个二硫化铁分子看做一个立方体,四个小立方体并排边长之和为4d′=4.00cm,所以平均每个小立方体的边长d′=1.00cm.又因为题图是将实际大小放大了3×107倍拍摄的照片,所以二硫化铁分子的小立方体边长为:d==m≈3.33×10-10m,所以测出的二硫化铁分子的体积为:V=d3=(3.33×10-10m)3≈3.7×10-29m3.
二、阿伏伽德罗常量
[导学探究] (1)1mol的物质内含有多少个分子?用什么表示?
(2)若某种物质的摩尔质量为M,摩尔体积为V,则一个分子的质量为多大?假设分子紧密排列,一个分子的体积为多大?(已知阿伏伽德罗常量为NA)
(3)Vmol=NAV0(V0为一个分子的体积,Vmol为摩尔体积),对于任何物质都成立吗?
答案 (1)6.02×1023个 NA (2) (3)Vmol=NAV0仅适用于固体和液体,不适用于气体.
[知识深化] 阿伏伽德罗常量的应用
1.NA的桥梁和纽带作用
阿伏伽德罗常量是联系宏观世界和微观世界的一座桥梁.它把摩尔质量Mmol、摩尔体积Vmol、物体的质量m、物体的体积V、物体的密度ρ等宏观量,跟单个分子的质量m0、单个分子的体积V0等微观量联系起来,如图3所示.
图3
其中密度ρ==,但要切记对单个分子ρ=是没有物理意义的.
2.常用的重要关系式
(1)分子的质量:m0=.
(2)分子的体积:V0==(适用于固体和液体).注意:对于气体分子只表示每个分子所占据的空间.
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(3)质量为m的物体中所含有的分子数:n=.
(4)体积为V的物体中所含有的分子数:n=.
例3 (多选)若以μ表示氮气的摩尔质量,V表示在标准状况下氮气的摩尔体积,ρ是在标准状况下氮气的密度,NA为阿伏伽德罗常量,m、v分别表示每个氮分子的质量和体积,下面四个关系式中正确的是( )
A.NA= B.ρ=
C.m= D.v=
答案 AC
解析 摩尔质量μ=mNA=ρV,故NA=,m=,故A、C正确;氮气分子间距离很大,NAv并不等于摩尔体积V,故B、D错误.
例4 已知氧气分子的质量m=5.3×10-26kg,标准状况下氧气的密度ρ=1.43kg/m3,阿伏伽德罗常量NA=6.02×1023mol-1,求:
(1)氧气的摩尔质量;
(2)标准状况下氧气分子间的平均距离;
(3)标准状况下1cm3的氧气中含有的氧分子数.(保留两位有效数字)
答案 (1)3.2×10-2kg/mol (2)3.3×10-9m(3)2.7×1019个
解析 (1)氧气的摩尔质量为M=NAm=6.02×1023×5.3×10-26kg/mol≈3.2×10-2 kg/mol.
(2)标准状况下氧气的摩尔体积V=,所以每个氧气分子所占空间V0==.而每个氧气分子占有的体积可以看成是棱长为a的立方体,即V0=a3,则a3=,a==m≈3.3×10-9m.
(3)1cm3氧气的质量为m′=ρV′=1.43×1×10-6kg=1.43×10-6kg
则1cm3氧气中含有的氧分子个数
N==个≈2.7×1019个.
分子的两种模型
1.球体模型:固体、液体分子可认为是一个挨着一个紧密排列的球体,由V0=及V0=πd3可得:d=.
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2.立方体模型:气体中分子间距很大,一般建立立方体模型.将每个气体分子看成一个质点,气体分子位于立方体中心,如图4所示,则立方体的边长即为分子间距.由V0=及V0=d3可得:d=.
图4
1.(分子的大小及模型)(多选)下列说法中正确的是( )
A.物体是由大量分子组成的
B.无论是无机物质的分子,还是有机物质的分子,其分子大小的数量级都是10-10m
C.本节中所说的“分子”,包含了单原子分子、多原子分子等多种意义
D.分子的质量是很小的,其数量级为10-19kg
答案 AC
解析 有些大分子特别是有机大分子的直径数量级会超过10-10m,故B错;分子质量的数量级,对一般分子来说是10-26kg,则选项D错误.
2.(阿伏伽德罗常量的应用)(多选)已知某气体的摩尔体积为22.4L/mol,摩尔质量为 18 g/mol,阿伏伽德罗常量为6.02×1023mol-1,由以上数据可以估算出这种气体( )
A.每个分子的质量 B.每个分子的体积
C.每个分子占据的空间 D.分子之间的平均距离
答案 ACD
解析 实际上气体分子之间的距离比分子本身的直径大得多,即气体分子之间有很大空隙,故不能根据V0=计算气体分子的体积,这样算得的应是该气体每个分子所占据的空间,故B错误,C正确;可认为每个分子平均占据了一个小立方体空间,即为相邻分子之间的平均距离,D正确;每个分子的质量可由m0=计算,A正确.
3.(阿伏伽德罗常量的应用)已知水的摩尔质量M=18×10-3kg/mol,1 mol水中含有6×1023个水分子,水的密度为ρ=1×103 kg/m3,试估算水分子的质量和直径.(结果保留一位有效数字)
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答案 3×10-26kg 4×10-10m
解析 水分子的质量m0==kg=3×10-26kg
由水的摩尔质量M和密度ρ,可得水的摩尔体积V=
把水分子看成是一个挨一个紧密排列的小球,1个水分子的体积为
V0===m3=3×10-29m3
每个水分子的直径为
d==m≈4×10-10m.
一、选择题
考点一 分子的大小及模型
1.(多选)如果把氧气分子看成球形,则氧气分子直径的数量级为( )
A.10-8cm B.10-10cm
C.10-10m D.10-15m
答案 AC
解析 分子的直径约10-10m或10-8cm.故选A、C.
2.关于分子,下列说法中正确的是( )
A.分子的形状要么是球形,要么是立方体
B.所有分子的直径都相同
C.不同分子的直径一般不同,但数量级基本一致
D.密度大的物质,分子质量一定大
答案 C
解析 分子的结构非常复杂,它的形状并不真的都是球形或立方体,分子的直径不可能都相同,但大多数分子直径的数量级是一致的,所以C正确,A、B错误;密度大指相同体积质量大,但分子个数不确定,无法比较分子质量大小,D错误.
3.纳米材料具有很多优越性,有着广阔的应用前景.边长为1nm的立方体,可容纳液态氢分子(其直径约为10-10m)的个数最接近于( )
A.102个B.103个C.106个D.109个
答案 B
解析 1nm=10-9m,则边长为1nm的立方体的体积V=(10-9)3m3=10-27m3;将液态氢分子看做边长为10-10m的小立方体,则每个氢分子的体积V0=(10-10)3m3=10-30m3
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,所以可容纳的液态氢分子的个数N==103个.
考点二 阿伏伽德罗常量的应用
4.已知在标准状况下,1mol氢气的体积为22.4L,氢气分子间距约为( )
A.10-9m B.10-10m
C.10-11m D.10-8m
答案 A
解析 在标准状况下,1mol氢气的体积为22.4L,则每个氢气分子占据的体积V0==m3≈3.72×10-26m3.按立方体估算,则每个氢气分子占据体积的边长:L==m≈3.3×10-9m.故选A.
5.从下列数据组可以算出阿伏伽德罗常量的是( )
A.水的密度和水的摩尔质量
B.水的摩尔质量和水分子的体积
C.水分子的体积和水分子的质量
D.水分子的质量和水的摩尔质量
答案 D
解析 阿伏伽德罗常量是指1mol任何物质所含的粒子数,对固体和液体,阿伏伽德罗常量NA=,或NA=,选项D正确.
6.(多选)某气体的摩尔质量为M,摩尔体积为V,密度为ρ,每个分子的质量和体积分别为m0和V0,则阿伏伽德罗常量NA可表示为( )
A.NA= B.NA=
C.NA= D.NA=
答案 BC
解析 气体的体积是指气体所充满的容器的容积,它不等于气体分子个数与每个气体分子体积的乘积,所以A、D错误.由质量、体积、密度关系可推知B、C正确.
7.某物质的密度为ρ,摩尔质量为μ,阿伏伽德罗常量为NA,则单位体积该物质中所含的分子个数为( )
A.B.C.D.
答案 D
解析 单个分子的质量为m=,单位体积该物质中所含的分子个数为n==,选项D正确.
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8.钻石是首饰和高强度钻头、刻刀等工具中的主要材料,设钻石的密度为ρ(单位为kg/m3),摩尔质量为M(单位为g/mol),阿伏伽德罗常量为NA.已知1克拉=0.2克.则( )
A.a克拉钻石所含有的分子数为
B.a克拉钻石所含有的分子数为
C.每个钻石分子直径的表达式为(单位为m)
D.每个钻石分子直径的表达式为(单位为m)
答案 C
解析 a克拉钻石的物质的量为n=,所含分子数为N=nNA=,钻石的摩尔体积为Vm=(单位为m3/mol),每个钻石分子的体积为V0==,设钻石分子直径为d,则V0=π()3,联立解得d= (单位为m).
二、非选择题
9.(阿伏伽德罗常量的应用)已知空气的摩尔质量是M=29×10-3kg·mol-1,则空气中气体分子的平均质量多大?成年人做一次深呼吸,约吸入450cm3的空气,则做一次深呼吸所吸入的空气质量是多少?所吸入的气体分子数是多少?(按标准状况估算)
答案 4.8×10-26kg 5.8×10-4kg 1.2×1022个
解析 空气分子的平均质量为
m==kg≈4.8×10-26kg
成年人做一次深呼吸所吸入的空气质量为
m′=×29×10-3kg≈5.8×10-4kg
所吸入的气体分子数为
N==≈1.2×1022个
10.(阿伏伽德罗常量的应用)在我国的“嫦娥奔月”工程中,科学家计算出地球到月球的平均距离L=3.844×105km.已知铁的摩尔质量μ=5.6×10-2kg/mol,密度ρ=7.9×103 kg/m3.若把铁的分子一个紧挨一个地单列排起来,筑成从地球通往月球的“分子大道”,试问:(NA=6×1023mol-1)
(1)这条大道共需多少个铁分子?
(2)这些分子的质量为多少?
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答案 (1)1.36×1018个 (2)1.26×10-7kg
解析 (1)每个铁分子可以视为直径为d的小球,则分子体积V0=πd3,铁的摩尔体积Vm=,则NAV0=Vm=,所以V0==πd3
d==m≈2.83×10-10m.
这条大道需要的分子个数
n==个≈1.36×1018个.
(2)每个铁分子的质量
m==kg≈9.3×10-26kg
这些分子的总质量
M=nm=1.36×1018×9.3×10-26kg≈1.26×10-7kg.
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