粤教版 (2019)选择性必修 第三册第一节 物质是由大量分子组成的导学案

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[学习目标] 1.认识物体是由大量分子组成的.2.知道分子模型，体会建立模型在研究物理问题中的作用.3.知道阿伏伽德罗常数及其意义，会用阿伏伽德罗常数进行计算或估算．
1．分子：组成物质的微粒是多种多样的，或是原子(如金属)，或是离子(如盐类)，或是分子(如有机物)．把构成物质的微粒统称为分子．
2．物质是由大量分子组成的．
3．分子的大小：不同物质分子直径大小不同，通常是10－10 m的数量级．
4．阿伏伽德罗常数
(1)定义：1 ml的任何物质所含的分子(或原子)数目都相同，这个数目被称为阿伏伽德罗常数．
(2)大小：NA＝6.02×1023 ml－1.
1．判断下列说法的正误．
(1)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．( × )
(2)阿伏伽德罗常数所表示的是1 g物质内所含的分子数．( × )
(3)1 ml任何物质都含有NA个粒子．( √ )
(4)知道氧气的摩尔质量和一个氧气分子的质量可以算出阿伏伽德罗常数．( √ )
2．已知水的摩尔质量是18 g/ml，则一个水分子的质量约为________ kg.(结果保留两位有效数字)
答案 3.0×10－26
解析 m0＝eq \f(18×10－3,6.02×1023) kg≈3.0×10－26 kg.
一、分子的大小与阿伏伽德罗常数
导学探究
1．这里的“分子”与化学中的“分子”相同吗？
答案 不相同．这里的“分子”是构成物质的微粒，是原子、离子、分子的统称．
2．分子直径的数量级通常是多少？1 ml的物质含有多少个分子？用什么表示？
答案 10－10 m 6.02×1023个 NA
3．若某种物质的摩尔质量为M，摩尔体积为Vml，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？(已知阿伏伽德罗常数为NA)
答案 eq \f(M,NA) eq \f(Vml,NA)
4．Vml＝NAV0(V0为一个分子的体积，Vml为摩尔体积)，对于任何固体、液体、气体都成立吗？
答案 Vml＝NAV0仅适用于固体和液体，不适用于气体，V0＝eq \f(Vml,NA)在气体中，V0指的是一个气体分子所占空间的体积，远大于一个气体分子的实际体积．
知识深化
1．与阿伏伽德罗常数相关的物理量
宏观量：摩尔质量M、摩尔体积Vml、物质的质量m、物质的体积V、物质的密度ρ；
微观量：单个分子的质量m0、单个分子的体积V0
其中密度ρ＝eq \f(m,V)＝eq \f(M,Vml)，但是切记ρ＝eq \f(m0,V0)是没有物理意义的．
2．微观量与宏观量的关系
(1)分子质量：m0＝eq \f(M,NA)＝eq \f(ρVml,NA).
(2)分子体积：V0＝eq \f(Vml,NA)＝eq \f(M,ρNA)(适用于固体和液体)．
对于气体，V0表示每个气体分子所占空间的体积．
(3)物质所含的分子数：N＝nNA＝eq \f(m,M)NA＝eq \f(V,Vml)NA.
(多选)物体是由大量分子组成的，下列相关说法正确的是( )
A．1 ml任何物质都含有相同的微粒数
B．阿伏伽德罗常数用符号NA表示，在通常的计算中取NA＝6.02×1023 ml－1
C．分子很小，我们无论通过什么方式方法都无法看到它
D．分子很小，虽肉眼看不到，但在高倍光学显微镜下可以观测到
答案 AB
解析 1 ml任何物质都含有相同的微粒数，阿伏伽德罗常数用符号NA表示，在通常的计算中取NA＝6.02×1023 ml－1，故A、B正确．分子很小，即使用高倍光学显微镜也无法观测到，使用扫描隧道显微镜才能观测到，C、D错误．
(多选)阿伏伽德罗常数为NA(单位为ml－1)，铜的摩尔质量为M(单位为kg/ml)，铜的密度为ρ(单位为kg/m3)，则下列说法正确的是( )
A．1 m3铜所含的原子数目是eq \f(ρNA,M)
B．1个铜原子的质量是eq \f(M,NA)
C．1个铜原子占有的体积是eq \f(M,ρNA)
D．1 kg铜所含有的原子数目是ρNA
答案 ABC
解析 1 m3铜含有的原子数为eq \f(NA,Vml)，根据ρ＝eq \f(M,Vml)，得eq \f(NA,Vml)＝eq \f(ρNA,M)，选项A正确；1个铜原子的质量为m＝eq \f(M,NA)，选项B正确；1个铜原子所占的体积为eq \f(Vml,NA)，因为ρ＝eq \f(M,Vml)，所以eq \f(Vml,NA)＝eq \f(M,ρNA)，选项C正确；1 kg铜所含有的原子数目为eq \f(NA,M)≠ρNA，选项D错误．
(2020·海口市第四中学高二开学考试)某气体的摩尔质量为M，标准状况下的摩尔体积为V，阿伏伽德罗常数为NA，下列叙述正确的是( )
A．该气体在标准状况下的密度为eq \f(MNA,V)
B．该气体每个分子的质量为eq \f(M,NA)
C．每个气体分子在标准状况下的体积为eq \f(V,NA)
D．该气体单位体积内的分子数为eq \f(V,NA)
答案 B
解析 摩尔质量除以摩尔体积等于密度，故A错误；该气体每个分子的质量为eq \f(M,NA)，故B正确；由于气体分子间距的存在，每个气体分子在标准状况下的体积远小于eq \f(V,NA)，故C错误；该气体单位体积内的分子数为eq \f(NA,V)，故D错误．
二、两种分子模型
1．球体模型
固体和液体可看作一个一个紧挨着的球形分子排列而成，忽略分子间空隙，如图1甲所示．
图1
由V0＝eq \f(Vml,NA)和V0＝eq \f(4,3)π(eq \f(d,2))3得
d＝eq \r(3,\f(6V0,π))＝eq \r(3,\f(6Vml,πNA))(V0为分子体积)．
2．立方体模型
气体分子间的空隙很大，把气体分成若干个小立方体，气体分子位于每个小立方体的中心，每个小立方体是每个气体分子平均占有的活动空间，忽略气体分子的大小，如图乙所示．d＝eq \r(3,V0)＝eq \r(3,\f(Vml,NA))(V0为每个气体分子所占空间的体积)．
空调在制冷过程中，室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管)液化成水，经排水管排走，空气中水分越来越少，人会感觉干燥．某空调工作一段时间后，排出液化水的体积V＝1.0×103 cm3.已知水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3、摩尔质量M＝1.8×10－2 kg/ml，阿伏伽德罗常数NA＝6.0×1023 ml－1.求：(结果均保留一位有效数字)
(1)该液化水中含有水分子的总数N；
(2)一个水分子的直径d.
答案 (1)3×1025个 (2)4×10－10 m
解析 (1)V＝1.0×103 cm3，该液化水的物质的量n＝eq \f(ρV,M)
该液化水中含有水分子的总数：N＝nNA
则得N＝eq \f(ρV,M)NA＝eq \f(1.0×103×1.0×103×10－6,1.8×10－2)×6.0×1023个≈3×1025个．
(2)建立水分子的球模型
每个水分子的体积为V0＝eq \f(V,N)＝eq \f(V,\f(ρV,M)NA)＝eq \f(M,ρNA)
又V0＝eq \f(1,6)πd3
故得一个水分子的直径d＝eq \r(3,\f(6M,πρNA))
解得d≈4×10－10 m.
已知氧气分子的质量m＝5.3×10－26 kg，标准状况下氧气的密度ρ＝1.43 kg/m3，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 ml－1，求：(计算结果均保留两位有效数字)
(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1 cm3的氧气中含有的氧气分子数．
答案 (1)3.2×10－2 kg/ml (2)3.3×10－9 m
(3)2.7×1019个
解析 (1)氧气的摩尔质量为M＝NAm＝6.02×1023×5.3×10－26 kg/ml≈3.2×10－2 kg/ml.
(2)标准状况下氧气的摩尔体积V＝eq \f(M,ρ)，所以每个氧气分子所占空间体积V0＝eq \f(V,NA)＝eq \f(M,ρNA)，而每个氧气分子所占的体积可以看成是棱长为a的立方体，即V0＝a3，则a3＝eq \f(M,ρNA)，故
a＝eq \r(3,\f(M,ρNA))＝eq \r(3,\f(3.2×10－2,1.43×6.02×1023)) m≈3.3×10－9 m.
(3)标准状况下1 cm3氧气的质量为
m′＝ρV′＝1.43×1×10－6 kg＝1.43×10－6 kg
则标准状况下1 cm3氧气中含有的氧气分子数为
N＝eq \f(m′,m)＝eq \f(1.43×10－6,5.3×10－26) 个≈2.7×1019个.
考点一 分子的大小与阿伏伽德罗常数
1．(2020·上海高一期中)分子直径的大小约为( )
A．10－1 m B．10－6 m
C．10－10 m D．10－15 m
答案 C
2．(2020·枣庄市第三中学高二月考)仅利用下列某一组数据，可以计算出阿伏伽德罗常数的是( )
A．水的密度和水的摩尔质量
B．水分子的体积和水分子的质量
C．水的摩尔质量和水分子的体积
D．水的摩尔质量和水分子的质量
答案 D
解析 知道水的密度和水的摩尔质量可以求出其摩尔体积，不能计算出阿伏伽德罗常数，故A错误；知道水分子的体积和水分子的质量，不能求出水的摩尔质量或摩尔体积，所以不能求出阿伏伽德罗常数，故B错误；知道水的摩尔质量和水分子的体积，不知道水的密度，故不能求出阿伏伽德罗常数，选项C错误；用水的摩尔质量除以水分子的质量可以求得阿伏伽德罗常数，故D正确．
3．某气体的摩尔质量为M，摩尔体积为V，密度为ρ，每个气体分子的质量和体积分别为m和V0，则阿伏伽德罗常数NA可表示为( )
A．NA＝eq \f(V,V0) B．NA＝eq \f(ρV0,m)
C．NA＝eq \f(M,m) D．NA＝eq \f(M,ρV0)
答案 C
解析 因气体分子间有间距，所以气体分子的体积并不等于所占空间的体积，故A错误．ρV0不是气体的摩尔质量M，再除以每个气体分子的质量m，不等于NA，故B错误．气体的摩尔质量M除以每个气体分子的质量m等于NA，故C正确．ρV0不是每个气体分子的质量，故D错误．
4．(2020·上海格致中学期中)标准状况下1 cm3气体中的分子数比地球上的人口总数还要多上许多亿倍．估算标准状况下1 cm3气体中的分子数值最接近于(已知标准状况下气体的摩尔体积为22.4 L/ml，阿伏伽德罗常数NA＝6.02×1023 ml－1)( )
A．2.7×1019个 B．2.7×1020个
C．2.7×1021个 D．2.7×1022个
答案 A
解析 在标准状况下，气体的摩尔体积为22.4 L/ml，故1 cm3气体的物质的量为n＝eq \f(0.001,22.4) ml≈4.5×10－5 ml，分子数为N＝nNA≈2.7×1019个，A正确．
考点二 两种分子模型
5．(2020·辽宁大连第二十四中学期中)关于分子，下列说法中不正确的是( )
A．把分子看作球形是对分子的简化模型，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．不同分子的质量一般不同，但数量级基本一致
答案 B
解析 把分子看作球形是将实际问题理想化，A正确．不同分子直径大小不同，但除有机物的大分子外，数量级一般都是10－10 m，B错误，C正确．同理知D正确．
6．已知在标准状况下，1 ml氢气的体积为22.4 L，氢气分子间距约为( )
A．10－9 m B．10－10 m C．10－11 m D．10－8 m
答案 A
解析 在标准状况下，1 ml氢气的体积为22.4 L，则每个氢气分子占据的体积V0＝eq \f(V,NA)＝eq \f(22.4×10－3,6.02×1023) m3≈3.72×10－26 m3.按立方体估算，氢气分子间距L＝eq \r(3,V0)＝eq \r(3,3.72×10－26) m≈3.3×10－9 m，故A正确．
7．已知水银的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏伽德罗常数为NA，则水银分子的直径是( )
A． B． C.eq \f(6M,πρNA) D.eq \f(M,ρNA)
答案 A
解析 1 ml水银的体积V＝eq \f(M,ρ)，1个水银分子的体积V0＝eq \f(V,NA)＝eq \f(M,ρNA)，把水银分子看成球体，则V0＝eq \f(1,6)πd3，所以d＝，把水银分子看成立方体，则V0＝d3，所以d＝eq \r(3,\f(M,ρNA))＝，故选项A正确．
8．已知水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3，水的摩尔质量M＝1.8×10－2 kg/ml，在标准状况下，水蒸气的摩尔体积Vml＝22.4×10－3 m3/ml，水蒸气分子的间距约是水分子直径的(阿伏伽德罗常数为6.02×1023 ml－1)( )
A．1倍 B．10倍
C．100倍 D．1 000倍
答案 B
解析 水蒸气是气体，在标准状况下的摩尔体积Vml＝22.4×10－3 m3/ml，每个水蒸气分子所占空间的体积V＝eq \f(Vml,NA)，把每个分子和它所占空间看成一个小立方体，分子间距等于每个立方体的边长，即d＝eq \r(3,V)≈3.34×10－9 m．液体时水分子的摩尔体积Vml′＝eq \f(M,ρ)，若建立液态水分子的球模型，有eq \f(1,6)πD3＝eq \f(Vml′,NA)，水分子的直径D≈3.85×10－10 m，所以eq \f(d,D)≈8.7，故选B.
9．(多选)已知阿伏伽德罗常数为NA，空气的摩尔质量为M，室温下空气的密度为ρ(均为国际单位)，则( )
A．1 kg空气含分子的数目为eq \f(NA,M)
B．1个空气分子的质量是eq \f(NA,M)
C．1个空气分子的体积是eq \f(M,NAρ)
D．室温下相邻空气分子之间的平均距离为eq \r(3,\f(M,NAρ))
答案 AD
解析 1 kg空气所含的分子数目为N＝eq \f(1,M)·NA，故1个空气分子的质量为eq \f(M,NA)，故A正确，B错误；由于空气分子之间的距离非常大，所以不能估算1个空气分子的体积.1 m3空气的分子数为eq \f(ρNA,M)，故1个空气分子所占空间的体积V＝eq \f(M,ρNA)，室温下相邻空气分子间的平均距离为eq \r(3,\f(M,NAρ))，故C错误，D正确．
10．铁的密度ρ＝7.8×103 kg/m3、摩尔质量M＝5.6×10－2 kg/ml，阿伏伽德罗常数NA＝6.0×1023 ml－1.可将铁原子视为球体，试估算：(结果保留一位有效数字)
(1)1克铁含有的原子数；
(2)铁原子的直径大小．
答案 (1)1×1022个 (2)3×10－10 m
解析 (1)一个铁原子的平均质量m0＝eq \f(M,NA)，1克铁含有的原子数：
N＝eq \f(mNA,M)＝eq \f(1×10－3×6.0×1023,5.6×10－2)≈1×1022个；
(2)一个铁原子的体积
V0＝eq \f(M,ρNA)＝eq \f(5.6×10－2,7.8×103×6.0×1023) m3≈1.2×10－29 m3，
根据V0＝eq \f(1,6)πd3得，
d＝eq \r(3,\f(6V0,π))＝eq \r(3,\f(6×1.2×10－29,3.14)) m≈3×10－10 m.
11．很多轿车为了改善夜间行驶时的照明问题，在车灯的设计上选择了氙气灯，因为氙气灯灯光的亮度是普通灯灯光亮度的3倍，但是耗电量仅是普通灯的一半，使用寿命则是普通灯的5倍，很多车主会选择含有氙气灯的汽车．若将氙气充入容积为V＝1.6 L的车灯，氙气密度ρ＝6.0 kg/m3，氙气摩尔质量M＝0.131 kg/ml，阿伏伽德罗常数NA＝6×1023 ml－1.试估算：(结果保留一位有效数字)
(1)该车灯中氙气分子的总个数N；
(2)该车灯中氙气分子间的平均距离．
答案 (1)4×1022个 (2)3×10－9 m
解析 (1)设该车灯中氙气分子的物质的量为n，则n＝eq \f(ρV,M)
氙气分子的总个数N＝eq \f(ρV,M)NA≈4×1022个
(2)该车灯中每个氙气分子所占空间的体积为V0＝eq \f(V,N)
设氙气分子间的平均距离为a，则有V0＝a3
即a＝eq \r(3,\f(V,N))≈3×10－9 m.