Thuyết động học phân tử về cấu tạo chất

HOẠT ĐỘNG HỌC TẬP TỰ LỰC CHO HỌC SINH

1. Thuyết động học phân tử về cấu tạo chất

Thuyết động học phân tử (Vật lí phân tử) nghiên cứu các hiện tượng nhiệt (những hiện tượng có liên quan đến chuyển động nhiệt và tương tác của các hạt cấu tạo nên vật. Ví dụ: mùi nước hoa lan tỏa khắp phòng, giấy thấm hút

mực, nước chảy nhỏ giọt...) trên cơ sở những lý thuyết về cấu trúc hạt của các chất, lực tương tác giữa các hạt và chuyển động của chúng. Thuyết động học phân tử phân tích cơ chế của các hiện tượng, nó thành lập mối liên hệ giữa các tính chất vĩ mô của vật với các quá trình vi mô của các hạt cấu tạo nên vật,

Thuyết động học phân tử bao gồm những nội dung cơ bản sau:

s* Vật chất được cấu tạo bởi một số rất lớn những nguyên từ, phân từ

riêng biệt, có kích thước rất nhỏ:

- Phân tử được hiểu là phần tử nhỏ nhất của các chất có đủ những

tính chất hóa học của chất đó.

Ví du: Phân tử H;O là phân tử nhỏ nhất của nước mang đây đủ những tinh chất hóa học của nước.

- Các phân tử được cấu tạo từ | hoặc nhiều nguyên tử.

Ví dụ: Phân tử được cấu tạo từ l nguyên tử: He, Ne, Zn, ..

Phân tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử: H;,O;,Cl;....

Phân tử được cấu tạo từ 3 nguyên tử: CO;, HO, SO)...

SOTH: Uguyén Thue (lên. Frang 54

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA 2001 - 2005 GVHD: Thầy Nguyễn Mạnh Hùng

~ Các nguyén tử và phân tử có kích thước hết sức nhỏ, vào khoảng

I0” m. Do đó, số nguyên tử, phân tử trong một thể tích nhất định là rất lớn.

(trong lem’ nước có khoảng 3,3.10”” phân tử). Bên cạnh đó, người ta cũng xác

định được kích thước và khối lượng của nguyên tử, phân tử các chất khác nhau.

Ví du: Phân tử nước có kích thước là 4.10 '°m và khối lượng là 2,9.10 kg.

Để hình dung được kích thước và khối lượng của phân tử nhỏ bé như

thế nào, ta có thể dùng hình ảnh so sánh sau: “Kich thước và khối lượng của quả

cam so với kích thước và khốt lượng của Trái Đất như thể nào thì kích thước và khốt lượng của phân tử so với kích thước và khối lượng của quả cam như thế. ”

Chú ý: Trong chương trình Nhiệt học của lớp 10, chúng ta nghiên cứu

giới hạn cuối cùng của vật chất là nguyên tử, phân tử, không đi sâu tìm hiểu cấu

trúc của nguyên tử.

s* Các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng

> Chuyển động hỗn loạn không ngừng của các nguyên tử, phân tử

được gọi là chuyển động nhiệt. Một chứng minh điển hình bằng thực nghiệm về

chuyển động nhiệt của các phân tử là chuyển động Brown:

® Mô tả chuyển đông Brown:

Năm 1827, nhà sinh vật học người Anh Robert Brown ( 1778 -1857)

khi quan sát các hạt phấn hoa trong nước bằng kính hiển vi đã phát hiện thấy

rằng: các phấn hoa chuyển động hỗn loạn không ngừng. Các hạt nhỏ bé này gọi

là các hạt Brown và chuyển động của chúng gọi là chuyển động Brown. Đây là hiện tượng rất phổ biến đối với các hạt nhỏ bé lơ lửng trong chất lỏng và chất

khí.

Theo dõi và đánh dấu vị trí của hạt Brown sau những khoảng thời gian bằng nhau và nối lién các vị trí đó lại, ta được hình ảnh của quỹ đạo của chuyển

động Brown: quỹ đạo này là một đường gấp khúc, không tuân theo quy luật nào

cả.

SOTH: Hguyéen Thue (lđụêm. Frang 55

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001-2005 GVHD: Thầy Nguyễn Mạnh Hùng

Nguyên nhân các hạt Brown chuyển động hỗn loạn không ngừng mãi đến nửa sau thế kỷ XIX, các nhà khoa học mới giải thích được đúng đắn trên cơ sở của thuyết động học phân tử như sau:

Do các hạt Brown có kích thước rất nhỏ nên số va chạm của các

phân tử chất lỏng vào hạt từ mọi phía trong cùng một khoảng thời gian ngắn nào đó không cân bằng lẫn nhau. Kết quả là tổng xung lực (xung lực đặc trưng cho

tác dụng của lực trong khoảng thời gian ngắn) của các phân tử chất lỏng tác

dụng lên hạt từ mọi phía là khác không. Dưới tác dụng của tổng xung lực này,

hạt Brown dịch chuyển theo một hướng nhất định nào đó. Do tính chất chuyển

động hỗn loạn của các phân tử nên tổng xung lực tác dụng lên hạt Brown thay

đổi theo thời gian cả vé hướng lẫn độ lớn, cho nên quỹ đạo của hạt Brown là

đường gấp khúc.

> Một thí nghiệm quan trọng khác chứng minh sự chuyển động hỗn lọan không ngừng của phân tử là hiện tượng khuếch tán: hai chất lỏng (hoặc

chất khí) có thể hòa lẫn vào nhau khi tiếp xúc với nhau.

Vi dụ: Đổ dung dịch Sunphat déng màu xanh vào một cốc thủy tinh,

sau đó đổ nhẹ nước màu trắng lên. Sau một thời gian, không cẩn có tác dụng

bên ngoài, chúng cũng hòa lẫn vào nhau: mặt ranh giới nhòa dần.

Hoặc khi mở nắp một lọ đựng nước hoa. vài phút sau, mùi thơm đã lan ra khắp phòng.

Nguyên nhân của những hiện tượng trên là do các phân tử của hai

chất lỏng (khí) chuyển động xen lẫn, đan xen vào nhau. Sự khuếch tấn trong

SOTH: Uguyen “Thục (lđụêm. Frang 56

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 — 2005 GVHD: Thầy Nguyễn Mạnh Hùng

chất khí xảy ra nhanh hơn trong chất lỏng, sự khuếch tán trong chất rấn xảy ra rất chậm đối với trường hợp chất khí và chất lỏng (ở nhiệt độ bình thường, cho vàng và chì ép vào nhau thì sự khuếch tán của hai kim loại này chỉ nhận thấy

được một cách rõ rệt sau vài tháng).

% Cdc nguyên tử, phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiét độ của

vật càng cao.

Theo quan điểm động học phan tử, nhiệt độ là đại lượng đặc

trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển

động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Nhiệt độ được xác định bằng

cụng thức sau: ỉ = ;

Vậy nếu các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) thì

động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do đó nhiệt độ của vật càng cao (hay càng thấp).

Các nguyên từ, phân từ tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân từ

Vật chất cấu tạo bởi những phân tử. Các phân tử này chuyển động hỗn loạn không ngừng. Thế nhưng các vật vẫn giữ được hình dạng, thể tích của

chúng là do giữa các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật có lực hút và lực đẩy.

Các lực hút và đẩy giữa các phân tử gọi chung là lực phân tử.

Độ lớn của các lực hút và đẩy phụ thuộc vào khoảng cách giữa các

nguyên tử, phân tử:

- Nếu quy ước lực hút mang dấu âm và chỉ xét tương tác giữa hai

phân tử thì: / =—-~ (1). Trong đó: a là hệ số phụ thuộc cấu trúc phân tử và tính

chất của lực hút.

- Nếu quy ước lực đẩy mang dấu dương thì: /, sk: (2).

Trong đó: b cũng phụ thuộc cấu trúc phân tử và tinh chất của lực đẩy.

SOTH: HAguyén “Thực Uyen. Frang 57

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 - 2005 GVHD: Thay Nguyễn Mạnh Hùng

Vậy, lực tương tác tổng hợp là: f= f+, = Ã (3), với r >0.\

Từ các phương trình (1), (2), (3) trên, ta vẽ được đồ thi biểu diễn sự phụ thuộc của lực hút và lực đẩy giữa hai phân tử vào khoảng cách giữa chúng

như sau: : th

Theo đồ thị ta có: Ú

- Khi khoảng cách giữa hai phân tử là r =r, thì lực đẩy và lực hút

có độ lớn bằng nhau, hợp lực của chúng bằng không. Như vậy, hai phân tử ở vị

trí cân bằng.

- Khi hai phân tử tiến lại gần nhau hơn: r <r, thì lực đẩy mạnh

hơn lực hút, hai phân tử đẩy nhau.

- Khi hai phân tử ra xa nhau hơn: r >r, thì lực hút mạnh hơn lực

đẩy, hai phân tử hút nhau.

- Khi hai phân tử ở rất xa nhau: r >> r„ thì lực tương tác giữa hai phân tử là không đáng kể. hai phân tử xem như không tương tấc với nhau.

Tóm lại: - Các nguyên tử, phân tử đồng thời hút và đẩy nhau.

- Ở khoảng cách nhỏ hơn đường kính nguyên tử, phân tử thì lực

hút mạnh hơn.

- Ở khoảng cách lớn hơn đường kính nguyên tử, phân tử thì lực

đẩy mạnh hơn.

SOTH: Hguyén Thue Ugéen. Trang S8

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001-2005 GVHD: Thay Nguyễn Mạnh Hùng

- Khi khoảng cách giữa các nguyên tủ, phân tử rất lớn so với kích thước của chúng thì chúng coi như không tương tác với nhau.

2. Các trạng thái cấu tạo chất

& Trang thái khí:

- Các nguyên tử, phân tử ở trạng thái khí ở rất xa nhau (khoảng cách giữa chúng lớn gấp hàng chục lan kích thước của chúng).

- Lực tương tac giữa các nguyên tử, phân tử rất yếu nên chúng

chuyển động tự do về mọi phía. Chất khí không có hình dạng và thể tích xác

định, chúng chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dé dàng.

- Trong quá trình chuyển động, các nguyên tử, phân tử khí va

chạm vào nhau và va chạm vào thành bình gây nên áp suất lên thành bình,

- Các nguyên tử, phân tử ở rất gần nhau.

- Lực tương tắc giữa các nguyên tử, phân tử chất rắn rất lớn nên chúng được sắp xếp tại những vị trí xác định, có trật tự trong không gian, chỉ dao

động xung quanh vị trí cân bằng. Do vậy, chất rắn có thể tích và hình dang riêng

xác định.

s Trang thái lỏng:

- Lực tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí và nhỏ hơn trong chất rin, do đó chúng không chuyển động phân tán ra

xa nhau mà luôn luôn chuyển động gần nhau và không thoát ra khỏi khối chất

lỏng được.

- Thế nhưng lực này lại không đủ mạnh như trong chất rắn nên các nguyên tử, phân tử chất lỏng cũng dao động xung quanh vị trí cân bằng nhưng các vị trí này không cố định mà lại di chuyển được. Cho nén, chất lỏng

không có hình dạng xác định mà có hình dạng của phần bình chứa nó.

SOTH: Uguyen Thue Ugen. Frang 59

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 — 2005 GVHD: Thầy Nguyễn Mạnh Hùng

- Trạng thái của một lượng khí được xác định bằng các thông số trạng thái: ấp suất, nhiệt độ, thể tích. Giữa các thông số trạng thái của một lượng khí

có những mối liên hệ xác định.

- Lượng khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái, gọi tất là quá trình.

s* Quá dng nhiệt. Di t -

e Quá trình đẳng nhiệt là quá trình biến đổi trạng thái khi nhiệt

độ không đổi.

theo nhiệt độ gọi là đường đẳng nhiệt. Trong hệ tọa độ (P.V), đường đẳng nhiệt

là đường hyperbol.

“ Quá trình đẳng tích. Định luật Charles:

e Quá trình biến đổi trạng thái khi thể tích không đổi là quá

trình đẳng tích.

e Trong quá trình đẳng tích, áp suất của một lượng khí tỉ lệ với

nhiệt độ tuyệtđối: 7= : —

P=P.(+/ỉt)

Với fq ma: là hệ số tăng áp đẳng tích

Nói cách khác:

Trong quá trình đẳng tích, áp suất của một lượng khí xác

định tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

SOTH: Aguyén Thue Ugen. Trang 60

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 - 2005 GVHD: Thay Nguyễn Mạnh Hùng

® Trong hệ tọa độ (P,T). đường đẳng tích là đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ.

* Quá trình đẳng 4p. Định luật Gay-Lussac:

se Quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất không đổi là quá

trình đẳng áp.

® Trong quá trình đẳng áp, thể tích của một lượng khí tỉ lệ với

nhiệt độ tuyệt đối: V~T = : = const.

xác định biến thiên theo hàm bậc nhất đối với nhiệt độ:

V =V,(i+at)

Với a am là hệ số nở đẳng áp.=

Nói cách khác:

Trong quá trình đẳng áp, thể tích của một lượng khí xác

định tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ.

% Phương trình trang thái của khí lý tưởng:

e Phương trình xác định mối liên hệ giữa ba thông số trạng thái của chất khí gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng.

se Phương trình trang thái của khí lý tưởng: Px = const

s* Ngoài ba định luật thực nghiệm nói trên, chúng ta còn hai định luật

vé chất khí thường dùng trong hóa học. đó là định luật Dalton và định luật

Avogadro,

SOTH: Uguyén Thue Ugen. rang 61

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 - 2005 GVHD: Thay Nguyễn Mạnh Hùng

Áp suất riêng phan của một chất khí trong hỗn hợp là áp

suất mà khí đó tác dụng lên thành bình khi loại bỏ tất cả các khí khác ra khỏi

bình.

Ở điều kiện tiêu chuẩn (p = | atm, t = 0C), thì thể tích

của | mol khí bất kì nào cũng bằng 22,4 mol/lit.

Ý kiến cá nhân:

s Ở lớp 8 học sinh đã được học về một số nội dung cơ bản về thuyết

động học phân tử về cấu tạo chất và kiến thức về kích thước, khối lượng phân tử cũng như kiến thức về số Avogadro, số mol... trong hóa học. Tuy nhiên, ở THCS học sinh học về các kiến thức này rất sơ lược.

“ Để hình thành cho học sinh kiến thức về các định luật chất khí va

phương trình trạng thái của khí lý tưởng, ta có nhiều cách trình bày như sau:

- Cách |: Xem các định luật về chất khí như là các định luật thực nghiệm, khảo sát các thí nghiệm đơn giản để từ đó rút ra được định luật, sau đó xây dựng phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Đây là cách làm đơn giản, dễ hiểu, theo đúng tiến trình lịch sử phát hiện ra các định luật và phương trình trạng thái của chất khí. Tuy nhiên, với cách trình bày như thế, học sinh sẽ tiếp thu kiến thức một cách thụ động, dé gây nhàm chán và nhất là kiến thức chỉ dừng lại ở việc mô tả vĩ mô, không đi sâu vào cơ chế ví mô của định luật.

- Cách 2: Ap dụng các định luật của cơ hoc Newtơn vào chuyển

động của một phân tử khí, vận dụng các quy luật thống kê suy ra kết quả cho tập hợp vô số các phân tử khác. Từ đó xây dựng nên phương trình cơ bản của thuyết

SOTH: Aguyén Fhye (lêu. rang 62

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHÓA 2001 ~ 2005 GVHD: Thầy Nguyễn Mạnh Hùng

động học phân tử về chất khí và từ phương trình này ta suy ra được các biểu thức

của các định luật thực nghiệm về chất khí.

Cách xây dựng kiến thức như trên có những ưu, nhược điểm sau:

e Thể hiện rõ sự thống nhất giữa hiện tượng vi mô và hiện tượng vi mô: từ việc nghiên cứu các quá trình vi mô có thể dự đoán được các tính chất

vĩ mô và ngược lại.

e Làm sáng tỏ bản chất vật lí của khái niệm nhiệt độ và cơ chế vi mô của các định luật về chất khí.

+ Nhược điểm: Mức độ nhận thức cao, đa số học sinh chưa đủ khả năng hiểu lý thuyết

- Cách 3: Xem định luật Boyle-Mariotte như là cơ sở thực nghiệm

của thuyết động học phân tử về chất khí. Trong quá trình tìm cách giải thích một hiện tượng trong thực tế, người ta đưa ra những giả thuyết và cho mô hình của chất khí vận hành để tìm quy luật biến đổi trên mô hình —+ rút ra hệ quả -> xây

dựng thí nghiệm kiểm chứng hệ quả -> rút ra kết luận van dụng để giải thích

các hiện tượng tương tự.

Với cách xây dựng kiến thức như trên, học sinh sẽ phát huy

được tính tích cực hoạt động tư duy, tham gia tìm tồi giải quyết vấn đề, dần dần

học sinh tự rèn luyện cho mình cách tư duy khoa học. Tuy nhiên, phương pháp

này đòi hỏi rất nhiều thời gian và diéu kiện về thiết bị thí nghiệm.

s* Theo ý kiến của riêng tôi, mặc dù trong ba bài này có những kiến thức mà học sinh đã học ở THCS, nhưng không vì thế mà giáo viên chủ quan

dạy qua loa, sơ lược; giáo viên vừa phải ôn lại, nhấn mạnh, củng cố kiến thức

cũ, vừa phải mở rộng kiến thức cho học sinh. Vì vậy, trong quá trình xây dựng

SOUTH: (À(guuên Thye (lụên. rang 63

Thuyết động học phân tử về cấu tạo chất

Tư duy và tư duy sáng tạo

Ban chất của dạy học hiện dai