Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 1: Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể

KHỞI ĐỘNG

Hãy dựa trên những kiến thức đã học về cấu tạo chất để giải thích tại sao cùng một chất lại có thể tồn tại ở các thể khác nhau là rắn, lỏng, khí.

Bài làm chi tiết:

Những kiến thức đã học về cấu tạo chất để giải thích tại sao cùng một chất lại có thể tồn tại ở các thể khác nhau là rắn, lỏng, khí:

- Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt là phân tử.

- Các phân tử chuyển động không ngừng.

- Các phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.

Ta lấy ví dụ cho dễ hiểu như sau: Nước có ba trạng thái là rắn, lỏng, khí. 

Khi nhiệt độ < 0ºC thì nước sẽ tồn tại ở trạng thái rắn bởi vì khi nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động chậm hơn, các phân tử sẽ ở gần nhau hơn, lực tương tác giữa các phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ được các phân tử này ở vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này. 

Khi nhiệt độ > 100℃ thì nước sẽ tồn tại ở trạng thái hơi (khí) bởi vì nhiệt độ cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh, làm cho các phân tử ở xa nhau hơn, lực tương tác giữa các phân tử trở nên rất yếu nên chuyển động hoàn toàn hỗn loạn.

Khi nhiệt độ ở < 100℃ và > 0℃ thì nước sẽ tồn tại ở trạng thái lỏng bởi vì lực tương tác các phân tử ở thể lỏng lớn hơn lực tương tác ở thể khí nên nó không chuyển động  hỗn loạn như thể khí và lực tương tác các phân tử ở thể lỏng cũng nhỏ hơn lực tương tác các phân tử ở thể khí  nên nó không thể giữ các phân tử ở những vị trí xác định như thể rắn được mà nó sẽ dao động xung quanh các vị trí cân bằng nhưng không cố định mà di chuyển.

I. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CẤU TẠO CHẤT

Hoạt động 1: Trong lịch sử phát triển của khoa học, có hai quan điểm khác nhau về cấu tạo chất là quan điểm chất có cấu tạo liên tục và chất có cấu tạo gián đoạn. Mô hình động học phân tử được xây dựng trên quan điểm nào?

Bài làm chi tiết:

Trong lịch sử phát triển của khoa học, có hai quan điểm khác nhau về cấu tạo chất là quan điểm chất có cấu tạo liên tục và chất có cấu tạo gián đoạn. Mô hình động học phân tử được xây dựng trên quan điểm chất có cấu tạo gián đoạn.

Hoạt động 2: Năm 1827, khi làm thí nghiệm quan sát các hạt phấn hoa rất nhỏ trong nước bằng kính hiển vi, Brown thấy chúng chuyển động hỗn loạn, không ngừng. (Hình 1.1 và Hình 1.2). Chuyển động này được gọi là chuyển động Brown.

1. Tại sao thí nghiệm của Brown được coi là một trong những thí nghiệm chứng tỏ các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng?
2. Làm thế nào để với thí nghiệm của Brown có thể chứng tỏ được khi nhiệt độ của nước càng cao thì các phân tử nước chuyển động càng nhanh?

Bài làm chi tiết:

1. Vì những phân tử, nguyên tử luôn luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng tới mọi phía.

Nhìn hình ảnh trên, ta có thể thấy được hướng chuyển động của các hạt phấn hoa dưới tác động của phân tử nước đều hỗn loạn không ngừng, đi về mọi phía.

2. Để để chứng tỏ  thí nghiệm của Brown  khi nhiệt độ của nước càng cao thì các phân tử nước chuyển động càng nhanh ta có thể cho đóng đá hoặc đun sôi các hạt phấn hoa trong nước.

Hoạt động 3: Hãy tìm các hiện tượng thực tế chứng tỏ giữa các phân tử có lực đẩy, lực hút.

Bài làm chi tiết:

Các hiện tượng thực tế chứng tỏ giữa các phân tử có lực đẩy, lực hút.Ví dụ : Giữa các phân tử có lưc hút là: để hai giọt nước tiếp xúc nhau thì chúng sẽ bị lực hút vào nhau nhập làm một giọt.

Giữa các phân tử có lực đẩy là: chúng ta rất khó làm giảm thể tích của một khối chất lỏng 

II. CẤU TRÚC CỦA CHẤT RẮN, CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ

Hoạt động 1: Hãy dựa vào Hình 1.3 để mô tả, so sánh khoảng cách và sự sắp xếp (a), chuyển động (b) của phân tử ở các thể khác nhau. Từ đó mô tả một cách sơ lược về cấu trúc của chất rắn, chất lỏng, chất khí.

Bài làm chi tiết:

Dựa vào hình 1.3 mô tả: 

- Khoảng cách: Hình a của thể khí các phân tử có khoảng cách xa nhau, và sắp xếp không có trật tự. Hình a của thể rắn thì các phân tử có khoảng cách rất gần nhau và sắp xếp rất trật tự. Hình a của thể lỏng thì các phân tử có khoảng cách vừa phải, sắp xếp không trật tự.

- Chuyển động: Hình a của thể khí thì các phân tử chuyển động vô cùng hỗn loạn, không theo một trật tự nào cả. Hình a của thể rắn thì các phân tử chyển động chậm, có trật tự và chỉ dao động xung quanh một vị trí xác định. Hình a của thể lỏng thì các phân tử chuyển động vừa phải, nó dao động quanh các vị trí cân bằng nhưng không cố định mà nó di chuyển.

Cấu trúc của chất rắn: Các phân tử ở gần nhau (khoảng cách giữa các phân tử chỉ vào cỡ kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ được các phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ được các phân tử này ở các vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này. Vì thế, các vật rắn có thể tích và hình dạng riêng xác định.

Cấu trúc của chất lỏng: lực tương tác các phân tử ở thể lỏng lớn hơn lực tương tác ở thể khí nên nó không chuyển động  hỗn loạn như thể khí và lực tương tác các phân tử ở thể lỏng cũng nhỏ hơn lực tương tác các phân tử ở thể khí  nên nó 

không thể giữ các phân tử ở những vị trí xác định như thể rắn được mà nó sẽ dao động xung quanh các vị trí cân bằng nhưng không cố định mà di chuyển.

Cấu trúc của chất khí:  các phân tử ở xa nhau (khoảng cách giữa các phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng).  Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên các phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn. Vì thế, chất khí không có hình dạng và thể tích riêng. Chất khí chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa và có thể nén được dễ dàng.

Hoạt động 2: Hãy giải thích các đặc điểm sau đây của thể khí, thể rắn, thể lỏng.

1. Chất khí không có hình dạng và thể tích riêng, luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.
2. Vật ở thể rắn có thể tích và hình dạng riêng, rất khó nén.
3. Vật ở thể lỏng có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng.

Bài làm chi tiết:

1. Vì lực liên kết giữa các phân tử chất khí rất yếu, chuyển động hỗn loạn không ngừng nên chất khí có thể chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.
2. Vì các nguyên tử, phân tử ở gần nhau, lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử rất mạnh nên giữ được các nguyên tử, phân tử này ở vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này, nên các vật có thể tích và hình dạng riêng, rất khó nén.
3. Vì lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử chất khi nên giữ được các nguyên tử, phân tử không chuyển động phân tán ra xa nhau. Nhờ đó chất lỏng có thể tích riêng xác định. Nhưng lực này chưa đủ lớn giống chất rắn để giữ các phân tử ở những vị trí xác định được. Nên các phân tử ở thể lỏng cũng dao động xunh quang các vị trí cân bằng, nhưng những vị trí này không có định mà di chuyển nên là chất lỏng không có hình dạng riêng.

III. SỰ CHUYỂN THỂ

Câu hỏi: Tại sao khi bay hơi nhiệt độ  của chất lỏng giảm?

Bài làm chi tiết:

Ta lấy ví dụ về sự bay hơi: một chậu nước không đậy kín và nước trong chậu cứ cạn dần 

Giải thích: Khi bay hơi nhiệt độ  của chất lỏng giảm: Do các phân tử chuyển động hỗn loạn có thể va chạm vào nhau, truyền năng lượng cho nhau nên có một số phân tử ở gần mặt thoáng của chất lỏng có thể có động năng đủ lớn để thắng lực liên kết của các phân tử chất lỏng khác, thoát được ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng trở thành các phân tử ở thể hơi.

Hoạt động 1: Hãy dựa vào đồ thị ở Hình 1.5 để mô tả sự thay đổi nhiệt độ của nước khi được đun từ 20 tới khi sôi.

Bài làm chi tiết:

Nhìn hình 1.5 ta thấy: Đoạn AB là nhiệt độ tăng thì 20℃ đến 100℃, đoạn BC là nhiệt độ giữ nguyên 100℃.

Hoạt động 2: Khi nước đang sôi thì năng lượng mà nước nhận được từ nguồn nhiệt có được chuyển hoá thành động năng của các phân tử nước không? Tại sao?

Bài làm chi tiết:

Nước đang sôi, nhiệt độ của nước không đổi, nhiệt lượng do bếp cung cấp lúc này được dùng chủ yếu để biến thể lỏng sang thể hơi đó là là sự bốc hơi của nước và nhiệt lượng lúc này không làm tăng nhiệt độ của nước.

Hoạt động 1: Tại sao chất rắn kết tinh khi được đun nóng có thể chuyển thành chất lỏng?

Lý giải: Chất rắn kết tinh là chất mà các hạt (phân tử, nguyên tử, ion) cấu tạo nên nó ở thể rắn, liên kết với nhau một cách chặt chẽ và mỗi chất rắn kết tinh đề có nhiệt độ nóng chảy hoặc đông đặc riêng xác định đó là lý do tại sao chất rắn kết tinh khi được đun nóng có thể chuyển thành chất lỏng

Ví dụ: đá khi đun nóng sẽ thành nước lỏng. Vì đá sẽ tan chảy khi có nhiệt độ > 0℃. Nên nhiệt độ nóng chảy của đá sẽ bắt đầu từ 0℃ trở lên.

Hoạt động 2: 

1. Hãy dựa vào Hình 1.7 để mô tả quá trình nóng chảy của chất kết tinh.
2. Giải thích tại sao khi đang nóng chảy, nhiệt độ của chất rắn kết tinh không tăng dù vẫn nhận được nhiệt năng. Năng lượng mà chất rắn kết tinh nhận được lúc này dùng để làm gì?

Bài làm chi tiết:

Nhìn vào hình 1.7 ta thấy được: giai đoạn a nhiệt độ kết tinh của chất rắn tăng lên, giai đoạn b là ổn định và giai đoạn c là tiếp tục tăng đến khi nóng chảy hoàn toàn.

2. Khi một chất rắn kết tinh đang nóng chảy tức là nó nhận nhiệt năng từ môi trường xung quanh, tuy nhiên nhiệt độ của chất rắn không tăng lên vì nhiệt năng không dùng để tăng nhiệt độ mà nó được sử dụng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong cấu trúc tinh thể của chất rắn. Khi chất rắn kết tinh đang được nung nóng thì một phân nhiệt năng được sử dụng để phá vỡ liên kết và một phần khác để cung cấp động năng cho các phân tử, giúp chúng di chuyển tự do hơn.

Năng lượng mà chất rắn kết tinh nhận được lúc này dùng để phá vỡ cấu trúc tinh thể và cung cấp động năng cho các phân tử.

Em có thể: 

- Giải thích được sự khác nhau giữa các thể của chất và cơ chế của sự chuyển thể.

- Tìm hiểu và trình bày được vai trò của sự chuyển thể đối với cuộc sống con người như vòng tuần hoàn nước, công nghệ đúc,...

Bài làm chi tiết:

- Lý giải sự khác nhau giữa các thể của chất rắn, lỏng, khí là:

Chất ở thể rắn có hình dạng cố định và khó bị nén vì các nguyên tử, phân tử ở gần nhau, lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử rất mạnh nên giữ được các nguyên tử, phân tử này ở vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này 

Chất ở thể lỏng có hình dạng của vật chứa chất lỏng và khó bị nén vì lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử chất khi nên giữ được các nguyên tử, phân tử không chuyển động phân tán ra xa nhau.. Nhưng lực này chưa đủ lớn giống chất rắn để giữ các phân tử ở những vị trí xác định được. Nên các phân tử ở thể lỏng cũng dao động xung quanh các vị trí cân bằng, nhưng những vị trí này không có định mà di chuyển.

Chất ở thể khí có hình dạng theo vật chứa, không có hình dạng cố định, dễ bị nén vì lực liên kết giữa các phân tử chất khí rất yếu, chuyển động hỗn loạn không ngừng.

- Cơ chế của sự chuyển thể: các chất ở thể rắn khi nóng lên có thể chuyển sang thể lỏng, từ lỏng sang khí và ngược lại thì các chất khí khi lạnh đi có thể chuyển sang lỏng rồi từ lỏng sang rắn. Sự chuyển thể trên có thể giải thích bằng sự hoá hơi, sự sôi, sự nóng chảy.

- Vai trò của sự chuyển thể đối với con người: nước lỏng làm lạnh chuyển thành đá giúp cho mùa hè đỡ nóng bức, thuỷ tinh ở nhiệt độ thích hợp chuyển từ thể rắn sang lỏng giúp dễ tạo hình hơn, ứng dụng trong việc làm bình thuỷ tinh, nhôm từ thể rắn như lon bia, … đun nóng lên nhiệt độ thích hợp rồi đổ ra khuôn tạo hình chiếc xoong…..