分子与原子(扩散现象)Molecules and Atoms (Diffusion)

大思想 · 结构与性质(SAP)AP 科学实践 1 · 模型与表征AP 衔接 · Unit 3约 25 分钟

学习目标

  • 用分子的基本特征解释扩散等现象,知道温度越高分子运动越快
  • 说出分子和原子的含义:化学变化中分子可以再分,原子不能再分
  • 知道物质可以由分子、原子等粒子构成

前置知识

  • 物质的三态与粒子模型(1.2.1)
  • 物理变化与化学变化(1.2.3)

花香是怎么跑过来的?

走进花园,还没看见花,先闻到了香味;妈妈在厨房炒菜,客厅里也能闻到。香味并没有长腿,是什么把它带到了你的鼻子里?

实验:看不见的“搬运”

在两个小烧杯中分别加入:A 杯是滴有酚酞一种酸碱指示剂。酚酞溶液是无色的,遇到碱性溶液(如氨水、石灰水、氢氧化钠溶液)变红,遇到酸性或中性溶液不变色。1.8.4 节细讲。溶液的蒸馏水(无色),B 杯是浓氨水。用一个大烧杯把 A、B 两杯罩在一起。

几分钟后,A 杯里的溶液慢慢变成了红色,而 A、B 两杯并没有接触。

解释:浓氨水中的氨分子不断运动,有一部分跑到空气中,运动到 A 杯里溶进水中,使酚酞变红。像这样,物质的粒子不停地运动、自发地散开、彼此进入对方的现象,叫做扩散diffusion。

分子的基本特征

由分子构成的物质,分子有下面几个基本特征:

  1. 分子的质量和体积都很小。 一滴水(约 0.05 mL)里大约有 1.67×10211.67 \times 10^{21} 个水分子。
  2. 分子在不断地运动,温度越高,运动越快。 这就是扩散的原因。
  3. 分子之间有间隔。 气体分子之间的间隔大,固体、液体分子之间的间隔小。
  4. 同种分子化学性质相同,不同种分子化学性质不同。 氧气和液氧都由氧分子构成,都能支持燃烧。

下面的容器里,左边是红色的气体分子,右边是蓝色的气体分子。先选一个温度,再抽掉隔板,看它们怎样混合;换一个温度再做一次,比一比混合均匀的用时:

动手试试:抽掉隔板,看两种气体分子怎样混合
温度

    先选温度,再抽掉隔板;换一个温度再做一次,比一比用时。

    温度越高,分子运动得越快,扩散也就越快。这就是湿衣服在太阳底下干得快、糖在热水里化得快的原因。

    分子和原子

    分子molecule是由原子构成的。对于由分子构成的物质,分子是保持其化学性质的最小粒子:一个水分子仍然具有水的化学性质,再分下去就不是水了。

    在化学变化中,分子可以分成原子,原子再重新组合成新的分子。原子atom是化学变化中的最小粒子。点下面的例子,对比物理变化和化学变化中粒子的变化:

    动手试试:同一件事,从三个层次看

    宏观:看得见的现象

    水慢慢蒸发,变成水蒸气。

    微观:粒子在做什么

    HHOHHOHHOHHOHHOHHO
    →
    HHOHHOHHOHHOHHOHHO

    符号:化学用语

    HX2O(l)→HX2O(g)\ce{H2O(l) -> H2O(g)}

    水分子本身没有变,只是间隔变大了:分子没有被拆开,是物理变化。

    分子原子
    区别化学变化中可以再分化学变化中不能再分
    联系分子由原子构成原子可以构成分子,也可以直接构成物质
    共同点都很小,都在不断运动,之间都有间隔同左

    构成物质的粒子

    • 由分子构成:水、氧气、二氧化碳、氢气等。
    • 由原子直接构成:金属(如铁、铜、汞)、稀有气体(如氦气)、金刚石和石墨等。
    • 还有一类物质由离子构成,比如氯化钠,1.3.6 节会讲。

    例题 1:墙内开花墙外香

    用分子的观点解释:为什么“墙内开花墙外香”?为什么夏天花香更浓?

    分步解析
    1. 找粒子。 花香来自花里散发出的香味分子。
    2. 分子在运动。 香味分子不断运动,扩散到墙外的空气中,进入人的鼻子,所以墙外也能闻到。
    3. 温度的影响。 夏天温度高,分子运动得更快,扩散得更快,所以花香更浓。

    例题 2:水蒸发和水通电分解有什么不同?

    分步解析
    1. 水蒸发。 水分子本身没有变,只是分子之间的间隔变大了,没有生成新物质:物理变化。
    2. 水通电分解。 水分子分成氢原子和氧原子,氢原子两两结合成氢分子,氧原子两两结合成氧分子,生成了新物质:化学变化。
    3. 结论。 从粒子的角度看:物理变化中分子本身不变;化学变化中分子被拆开,原子重新组合成新的分子。
    练一练:下面的现象主要体现了分子的哪个特征?
    1. “酒香不怕巷子深”
    2. 一滴水中大约有 1.67×10211.67 \times 10^{21} 个水分子
    3. 6000 L 氧气加压后可以装进容积为 40 L 的钢瓶
    4. 氧气和液氧都能支持燃烧
    5. 把一勺糖放进水里,不搅拌,过一段时间整杯水都变甜了
    6. 夏天自行车轮胎打气太足,容易爆胎
    7. 湿衣服在阳光下比在阴凉处干得快
    8. 一氧化碳有毒,二氧化碳没有毒

    常见误区

    误区 1:“分子比原子大。” 不能笼统地比较分子和原子的大小:分子比构成它的原子大,但汞原子就比氢分子大。正确的说法是“分子由原子构成”。

    误区 2:“原子是最小的粒子,不能再分。” 原子只是在化学变化中不能再分。原子本身还有更小的结构(原子核和电子),1.3.2 节会讲。

    误区 3:“所有物质都由分子构成。” 铁、铜等金属和稀有气体由原子直接构成,氯化钠由离子构成,它们都没有“分子”。

    即时小测

    保持二氧化碳化学性质的最小粒子是?

    下列关于分子和原子的说法,正确的是?

    小结

    • 分子很小;分子在不断运动,温度越高运动越快;分子之间有间隔;同种分子化学性质相同。
    • 扩散是粒子不断运动的结果。
    • 对由分子构成的物质,分子是保持其化学性质的最小粒子;原子是化学变化中的最小粒子。
    • 化学变化的本质:分子分成原子,原子重新组合成新分子。物质可以由分子、原子或离子构成。
    通往 AP(以后再看)

    AP U3.5 的分子运动论(kinetic molecular theory)会定量地描述今天的结论:气体分子的平均动能和热力学温度成正比,温度越高,速度快的分子越多(麦克斯韦–玻尔兹曼分布)。AP 也常让你画出反应前后的粒子示意图,检查原子的种类和个数是否守恒。

    练一练这一章:模块 3 · 微观世界:原子与分子 · 10 道题

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