分子和原子(一)

官方化学老师·15 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
微观粒子化学基础物质构成分子原子

分子和原子(一)

读懂分子、原子的本质区别与组合规律,建立微观粒子的系统认知

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微观粒子化学基础物质构成分子原子

分子和原子(一)

读懂分子、原子的本质区别与组合规律,建立微观粒子的系统认知

1第 1 页 · 分子和原子(一)

物理变化

水能结冰、也能化成水蒸气,铁丝能被弯折、也能被磁铁吸住——这些变化里,物质本身到底变没变?

定义
变化过程中没有新物质生成,原物质的本质保持不变
分子不变
分子的种类、化学结构和质量都没有改变
变化所在
分子之间的间隔、运动剧烈程度或排列方式发生改变
大多可逆
多数物理变化可以逆向进行,回到变化前的状态
乐高积木拼造型对应 →物理变化

积木就是分子,拼法变了但积木块没变,也没新积木生成

2第 2 页 · 物理变化

化学变化

上一页我们说,水变冰时水分子还是水分子——但把一张纸烧了呢?纸消失了,变成灰、烟、二氧化碳这些完全不同的物质。这种生成了新物质的变化,就是化学变化。

微观本质
分子分裂为原子,原子重新组合成新分子
判断标志
是否有新物质生成,这是与物理变化最本质的区别
能量特征
化学键断裂吸热、形成放热,整体伴随热量变化
乐高积木拆了重拼对应 →化学变化的分子重组

积木块(原子)没变,但搭出的造型(分子)完全不一样了

3第 3 页 · 化学变化

从微观粒子角度分析宏观现

前两页我们看到了物理变化和化学变化——冰化成水、铁钉生锈。这些变化我们都'看见'了,但化学真正关心的是看不见的那一层。怎么办?换副'显微镜',用三个微粒特征去追问。

核心思路
看到宏观现象就追问'微粒发生了什么'——从构成、运动、间隔、作用力四个角度切入
特征①:运动
微粒永不停息地运动,温度升高则运动加剧
特征②:间隔
微粒间存在间隔,受温度和压强影响而改变
特征③:作用力
微粒间存在引力与斥力,决定物质状态与能否发生化学变化
观察交通拥堵对应 →从微观粒子看宏观现象

堵车是宏观现象;盯住每辆车的速度、车距、配合就能解释为什么会堵——微粒视角同理

4第 4 页 · 从微观粒子角度分析宏观现

区分物理变化和化学变化

上页我们学会从微观看宏观:分子没变是物理变化,分子重组是化学变化。可一上手就遇到麻烦——灯泡发光发热算哪种?矿石磨成粉又算哪种?答案仍藏在微观判据里。

本质判据
是否有新物质生成——对应微观即是否有新分子出现
微观视角
物理变化分子不变;化学变化分子拆散,原子重新组合成新分子
宏观线索
颜色变化、气体、沉淀、发热发光可作辅助判断,但仅是表象
常见误区
灯泡发光、矿石粉碎都是物理变化;剧烈程度不是判断依据
拼乐高积木对应 →区分物理/化学变化

同一套装换造型,零件没变=物理变化;拆开重组成另一个作品=化学变化

5第 5 页 · 区分物理变化和化学变化

物质由微观粒子构成

物质由微观粒子构成:定义、要点与典型应用

物质由微观粒子构成
物质由微观粒子构成:定义、要点与典型应用
6第 6 页 · 物质由微观粒子构成

分子

水能结冰、也能电解——这两种变化背后的'最小执行者'是什么?上页说物质由微观粒子构成,这一页就聚焦到其中最重要的一类:分子。

分子的定义
保持物质化学性质的最小粒子
分子的构成
由原子按一定方式结合而成,如 H₂O 由 2个H 和 1个O 结合
分子的基本特征
质量、体积都很小;分子间有间隔;分子在不断运动
化学变化中的行为
分子可分裂成原子,原子重新组合成新的分子
乐高拼装对应 →分子

原子像乐高块,按特定方式拼装得到有特定功能的成品(分子);拆开后原子又可重新拼装

7第 7 页 · 分子

原子

上页我们把水分子拆开,会得到什么?两个氢和一个氧——但这些"氢""氧"还能再拆吗?这就要请出今天的主角:原子。

原子的定义
化学变化中的最小粒子,仍保持元素的化学性质
原子结构
原子核(质子+中子)居中,电子在核外
原子尺度
直径约10⁻¹⁰米,1亿个原子排成一行才1厘米
可分性边界
化学反应中不可再分;核反应中可再分
一块完整的砖对应 →原子

砖是"砖墙"身份的最小单元,敲碎成沙就不再是砖;原子是元素化学性质的最小载体,再拆就不属于该元素

$d_{\text{atom}} \sim 10^{-10}\,\text{m} = 1\,\text{Å}$
8第 8 页 · 原子

微观粒子

水是水分子堆出来的,铁是铁原子排出来的。这些看不见、摸不着却真实存在的小颗粒,化学里给它们起了一个统称——微观粒子。

定义
分子、原子、离子等构成物质的微小粒子的统称
质量和体积小
一个水分子的质量约3×10⁻²⁶千克,普通显微镜也看不见
不断运动
温度越高,微观粒子运动越剧烈,扩散现象就是证据
之间有间隔
气体易压缩、物质三态变化,本质都是粒子间隔在变
解释宏观现象
物理变化是粒子间隔变,化学变化是粒子本身变了
乐高积木对应 →微观粒子

不同形状的积木能拼出万千造型,就像不同微观粒子按不同方式组合成各种物质

9第 9 页 · 微观粒子

分子运动

物质由分子构成——但这些分子是静悄悄地堆在那儿,还是一直在动?做个小实验:把一滴红墨水滴进清水,没人搅拌,过一会儿整杯水都变红了。墨水是怎么跑过去的?

永不停息的无规则运动
一切物质的分子都在持续运动,方向随机、速率各异,没有固定轨迹
温度影响运动剧烈程度
温度越高,分子运动速率越快、动能越大;温度越低,运动减缓
扩散——分子运动的证据
不同物质接触时分子彼此进入对方,如墨水在水中散开、花香飘满房间
布朗运动——间接证据
显微镜下花粉颗粒做无规则跳动,是周围水分子撞击造成的
操场散场时学生四散跑开对应 →分子永不停息的无规则运动

每个学生方向随机、速度各异,温度越高相当于学生越兴奋、活动越剧烈,但整体上没有统一方向

10第 10 页 · 分子运动

分子间的间隔

分子在不断运动,那它们之间是紧紧贴在一起,还是有间隙?一个简单的混合实验就能回答。

分子间存在间隔
分子并非紧密贴合,分子与分子之间存在空隙
间隔随状态变化
固体间隔最小,气体最大,液体居中
间隔受温度和压强影响
受热间隔变大(热胀冷缩),受压间隔变小
实验:酒精与水混合
50 mL 酒精 + 50 mL 水 < 100 mL,说明分子互相进入对方间隔
教室里的学生对应 →分子与分子间隔

肩并肩站=固体(间隔小),散开站=气体(间隔大),可走动=液体

11第 11 页 · 分子间的间隔

气体的可压缩性

上一节说到分子间有间隔,气体的间隔尤其大。打气筒把空气压进车胎,体积能缩到几分之一——这种「能被显著压缩」的性质,就是气体的可压缩性。

定义
气体体积在外力作用下可以大幅减小
微观原因
气体分子间间隔很大,远大于分子本身,压缩的是间隔而非分子
对比固液体
固体液体分子紧挨在一起,间隔小,几乎不可压缩
典型应用
氧气瓶充气、轮胎打气、活塞式发动机都依赖此特性
操场上稀疏站着的人群对应 →气体分子

站得稀时可推拢成密集队形;换成肩并肩的队列(固体)就挤不动了

12第 12 页 · 气体的可压缩性

热胀冷缩与分子间距变化

把金属温度计加热,液柱会上升;再看铁轨接缝,冬天通常比夏天更明显。既然微粒间有间隔又在运动,这些宏观变化就能从“平均间距”入手解释。

升温时
温度升高且压强受控时,微粒热运动加剧,平均间距通常略增,宏观体积因而膨胀
降温时
温度降低时,热运动减弱,平均间距通常略减,宏观体积因而收缩
适用边界
微粒种类、数目和大小不变;气体受压强影响明显,固体小温差才作线性近似
一排用非理想弹簧相连的小球对应 →分子的平均间距

振动加剧后,近距更难压缩,平均间距略增;对应升温时的间距变化

ΔVγV0ΔT(γ 为固体体膨胀系数)\Delta V\approx\gamma V_0\Delta T\quad(\text{γ 为固体体膨胀系数})
13第 13 页 · 热胀冷缩与分子间距变化

本节要点

  • 化学变化的判断标尺:有没有新分子生成
  • 物质可层层拆解:物质→分子→原子
  • 分子四特征:质量小、体积小、永运动、有间隔
  • 热胀冷缩、气体可压缩等现象,本质都是分子间隔变化
延伸主题:原子内部结构分子如何变成新分子分子间作用力
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考三分钟,再对照参考答案。

1物理变化和化学变化的本质区别是什么?从微观粒子角度看有什么不同?

参考答案物理变化中分子本身没变,只是间隔或运动状态改变;化学变化中分子分裂为原子,原子再重新组合成新分子,分子种类发生改变。

2湿衣服晾在通风处比不通风处干得更快,请用分子运动的观点解释。

参考答案通风处液面上方水分子浓度低,衣服表面水分子不断运动扩散到空气并被带走,单位时间内离开衣服的水分子更多,所以干得更快。

3一杯水和一块冰都由水分子构成,但物理性质差异很大,请从分子间隔和运动角度解释。

参考答案水和冰都由相同的水分子构成。固态冰分子间隔小、排列紧密、运动范围窄;液态水分子间隔稍大、运动更自由,所以形态和性质明显不同。

15第 15 页 · 课后思考