Bài 8 · Cơ bản

Mô hình động học phân tử chất khí

Nêu được các nội dung của thuyết động học phân tử chất khí và mô hình khí lí tưởng, giải thích chuyển động Brown, khuếch tán, áp suất khí bằng chuyển động phân tử; biết khi nào khí thực coi là lí tưởng; đọc bảng phân bố tốc độ; tính số mol, số phân tử, khối lượng một phân tử.

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 8

⚡ Nhớ nhanh

1Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, chuyển động hỗn loạn không ngừng; nhiệt độ càng cao thì chuyển động càng nhanh.
2Giữa hai va chạm, phân tử chuyển động thẳng đều. Phân tử va chạm vào thành bình gây ra áp suất (không phải do trọng lượng khí).
3Khí lí tưởng (mô hình): phân tử coi như chất điểm, chỉ tương tác khi va chạm. Khí thực gần lí tưởng khi áp suất thấp, nhiệt độ không quá thấp.
4Ở cùng nhiệt độ, các phân tử có đủ mọi tốc độ: nhiệt độ cho biết mức trung bình, hạt nhanh nhất có thể gấp 2 – 3 lần trung bình.
5Lượng chất: n = m/M = N/N_A, N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹; khối lượng một phân tử m₀ = M/N_A (đổi M ra kg/mol).
6Chuyển động Brown: hạt nhỏ lơ lửng (phấn hoa, khói) chuyển động hỗn loạn vì bị phân tử va đập không đều — bằng chứng phân tử chuyển động.

👀 Nhìn là hiểu

Đổi nhiệt độ (thanh trượt hoặc kéo ngang trên hình) và số hạt: histogram tốc độ đếm thật từ các hạt đang va chạm; bật vết 1 hạt, thả hạt phấn hoa để thấy chuyển động Brown, nén mạnh để thấy khí thực. Tab Thí nghiệm đo tốc độ khuếch tán ở 3 nhiệt độ; tab Đoán trước có 4 cái bẫy.

Nhiệt độ300 K (27 °C)

Tốc độ trung bình500 m/s

Hạt nhanh nhất0 m/s

Hạt chậm nhất0 m/s

Cột: đếm thật từ các hạt trong hộp · nét đứt: phân bố lí thuyết · vạch xanh: trung bình · vạch đỏ: hạt nhanh nhất.

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Nhiệt độ: 300 K (27 °C) Số hạt: 60

Theo dõi 1 hạt (vàng) Thả hạt phấn hoa Ẩn hạt khí (như dưới kính hiển vi) Nén mạnh (áp suất cao)

300 K (27 °C): tốc độ trung bình ≈ 500 m/s, nhưng hạt nhanh nhất tới 0 m/s, gấp 0,0 lần, có hạt chỉ 0 m/s. Các hạt chuyển động hỗn loạn, mỗi hạt một tốc độ; nóng hơn thì cả histogram dời sang phải.

1 💨 Thuyết động học phân tử chất khí

Nội dung

✦Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng (ở điều kiện thường, khoảng cách cỡ 10 lần đường kính phân tử).
✦Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng. Nhiệt độ càng cao thì chuyển động càng nhanh.
✦Giữa hai lần va chạm, phân tử chuyển động thẳng đều (lực tương tác khi ở xa không đáng kể).
✦Khi chuyển động, phân tử va chạm vào nhau và vào thành bình. Vô số va chạm lên thành bình gây ra áp suất của khí — áp suất tác dụng đều lên mọi thành, kể cả thành trên.

Dạng bài

Đọc số liệu tốc độ phân tử

1 Tốc độ trung bình = tổng các tốc độ chia cho số phân tử.
2 So từng phân tử với trung bình: có phân tử nhanh hơn, có phân tử chậm hơn.
3 Với bảng phân bố: tìm khoảng có nhiều phân tử nhất; tính phần trăm = số phân tử trong khoảng/tổng.
4 Thử lại: tổng số phân tử trong bảng phải đúng bằng số đã cho; trung bình phải nằm giữa giá trị nhỏ nhất và lớn nhất.

⚠️ Bẫy hay gặp: Nói "ở 27 °C mọi phân tử khí đều chạy 500 m/s" là sai: ngay trong 10 phân tử trên đã có phân tử 200 m/s và phân tử 1000 m/s. Nhiệt độ chỉ cho biết mức trung bình.

🌡️

Làm mẫu

Một bình khí ở 27 °C (300 K). Đo tốc độ của 10 phân tử (m/s): 200, 300, 350, 400, 450, 450, 500, 600, 750, 1000. Tính tốc độ trung bình. Có phải mọi phân tử đều chạy với tốc độ đó? Phân tử nhanh nhất gấp mấy lần trung bình?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 🌼 Chuyển động Brown và khuếch tán

Chuyển động Brown

✦Thí nghiệm: soi các hạt rất nhỏ lơ lửng (phấn hoa trong nước, hạt khói trong không khí) qua kính hiển vi, thấy chúng chuyển động hỗn loạn không ngừng. Ghi vị trí sau những khoảng thời gian bằng nhau rồi nối lại được đường gấp khúc lộn xộn.
✦Giải thích: hạt bị các phân tử xung quanh (không nhìn thấy được) va đập từ mọi phía, mỗi lúc số va chạm hai phía không bằng nhau ⇒ hạt bị đẩy hết hướng này sang hướng khác.
✦Chuyển động Brown mạnh hơn khi nhiệt độ cao hơn hoặc hạt nhỏ hơn. Đó là bằng chứng phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng.

✅ Chuyển động Brown

Hỗn loạn, không có hướng, không bao giờ dừng, hạt càng nhỏ càng mạnh. Do phân tử va đập.

❌ Không phải Brown

Bụi bay lượn trong tia nắng, lá trôi theo dòng nước: chủ yếu do luồng không khí, dòng chảy — có hướng, hạt to vẫn bị cuốn theo.

Khuếch tán

✦Mở lọ nước hoa ở một góc phòng, lát sau cả phòng ngửi thấy: phân tử nước hoa chuyển động hỗn loạn, len vào giữa các phân tử không khí — khuếch tán.
✦Nhiệt độ càng cao, phân tử chuyển động càng nhanh ⇒ khuếch tán càng nhanh (nhỏ mực vào nước nóng thì mực lan nhanh hơn nước lạnh).
✦Khuếch tán trong chất khí nhanh hơn trong chất lỏng vì phân tử khí ở xa nhau, đi được quãng dài giữa hai va chạm.

3 🎯 Mô hình khí lí tưởng

Khí lí tưởng và khí thực

Khí lí tưởng (mô hình)	Khí thực
Phân tử coi như chất điểm (bỏ qua kích thước)	Phân tử có kích thước, chiếm một phần thể tích bình
Chỉ tương tác khi va chạm	Có lực hút giữa các phân tử, rõ rệt khi chúng ở gần nhau
Va chạm hoàn toàn đàn hồi	Gần đúng như vậy
Giữa hai va chạm chuyển động thẳng đều	Gần đúng khi khí loãng

Cần nhớ

✦Khí lí tưởng là một mô hình (cách đơn giản hoá), không phải một chất khí có thật.
✦Khí thực coi là lí tưởng khi áp suất thấp (phân tử ở xa nhau) và nhiệt độ không quá thấp (chưa gần hoá lỏng). Không khí ở điều kiện thường dùng mô hình này rất tốt.
✦Ở áp suất rất cao (bình nén hàng trăm atm) hoặc gần nhiệt độ hoá lỏng, kích thước và lực hút phân tử không bỏ qua được ⇒ khí thực lệch khỏi khí lí tưởng.
✦Trạng thái của một lượng khí được xác định bởi ba thông số trạng thái: áp suất p, thể tích V, nhiệt độ tuyệt đối T. Các bài 9–11 sẽ tìm quan hệ giữa chúng.

4 ⚖️ Lượng chất: mol và số Avogadro

Công thức

✦Số mol: n = m/M = N/N_A, với M là khối lượng mol (g/mol), N là số phân tử, N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹.
✦Khối lượng một phân tử: m₀ = M/N_A. Muốn m₀ ra kg thì đổi M ra kg/mol (32 g/mol = 0,032 kg/mol).
✦Khối lượng mol hay gặp: H₂ = 2, He = 4, N₂ = 28, O₂ = 32, CO₂ = 44, H₂O = 18 (g/mol).

Dạng bài

Tính số mol, số phân tử, khối lượng một phân tử

1 Đổi đơn vị: m và M cùng gam (hoặc cùng kg); khi tính m₀ dùng M theo kg/mol.
2 n = m/M.
3 N = n·N_A; m₀ = M/N_A.
4 Thử lại: N·m₀ phải bằng m.

⚠️ Bẫy hay gặp: Dùng M = 32 (g/mol) mà ghi đơn vị kg: m₀ = 326,02·10²³ ≈ 5,3·10⁻²³ — đó là gam, gấp 1000 lần giá trị tính theo kg.

🫧

Làm mẫu

Một bình chứa 8 g khí oxygen (O₂, M = 32 g/mol). Tính số mol, số phân tử và khối lượng một phân tử oxygen.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

5 🌸 Hiện tượng quanh ta

✦🌸 Mùi hoa, mùi thức ăn lan khắp nhà, ngày nóng lan nhanh hơn ngày lạnh: khuếch tán nhanh hơn khi nhiệt độ cao.
✦🚲 Lốp xe phơi nắng căng hơn: phân tử khí trong lốp chạy nhanh hơn, va đập lên vỏ lốp mạnh và dày hơn.
✦🎈 Bóng bay heli để vài ngày thì xẹp: phân tử heli rất nhỏ, chuyển động không ngừng nên len dần qua lớp cao su.
✦☀️ Bụi trong tia nắng bay lượn chủ yếu do luồng không khí đối lưu, không phải chuyển động Brown — hạt bụi đó quá to để bị phân tử va đập làm giật cục rõ rệt.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Câu "áp suất khí do đâu" ⇒ chọn va chạm của phân tử lên thành bình, loại "trọng lượng", "lực hút".
✦Khí thực gần lí tưởng ⇒ chọn cặp áp suất thấp, nhiệt độ cao (không quá thấp). Cặp có "áp suất cao" hoặc "nhiệt độ thấp" là sai.
✦Bài mol: viết ngay n = m/M rồi nhân N_A. Nhẩm: 0,5 mol ≈ 3·10²³ phân tử, 0,25 mol ≈ 1,5·10²³.
✦Thấy "hỗn loạn, không ngừng, không có hướng" ⇒ Brown / chuyển động nhiệt; thấy "có hướng, theo dòng" ⇒ đối lưu.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Nói áp suất khí do trọng lượng khí: áp suất tác dụng cả lên thành trên của bình, trọng lượng không giải thích được.
✦Nói cùng nhiệt độ thì mọi phân tử cùng tốc độ: ở 27 °C có phân tử 200 m/s lẫn phân tử 1000 m/s.
✦Lấy hạt nhanh nhất làm tốc độ trung bình: trong dãy 200 … 1000 m/s, trung bình là 500 chứ không phải 1000.
✦Tính m₀ mà để M = 32 g/mol: ra 5,3·10⁻²³ (gam) rồi ghi kg — lệch 1000 lần.
✦Tưởng khí lí tưởng là khí "tinh khiết": nó là mô hình; khí nén 200 atm thì lệch lí tưởng dù tinh khiết.
✦Tưởng hạt phấn hoa càng to thì chuyển động Brown càng mạnh: ngược lại, hạt càng nhỏ càng mạnh.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Tốc độ phân tử không khí ở nhiệt độ phòng cỡ vài trăm m/s (khoảng 500 m/s). Đáp số vài m/s hay vài chục nghìn m/s là sai.
✦Số phân tử luôn rất lớn: 1 mol có 6,02·10²³. Khối lượng một phân tử rất nhỏ, cỡ 10⁻²⁶ kg.
✦Khoảng cách phân tử khí ở điều kiện thường cỡ vài nm (10⁻⁹ m), đường kính phân tử cỡ 0,3 nm.
✦Đổi: 1 lít = 10⁻³ m³; 1 nm = 10⁻⁹ m; M (g/mol) chia 1000 ra kg/mol.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

💨

Thuyết động học phân tử

1
Nhận biết
Áp suất của chất khí lên thành bình là do
2
Nhận biết
Theo thuyết động học phân tử, giữa hai lần va chạm, phân tử khí chuyển động
3
Thông hiểu Bốn phân tử khí có tốc độ 300 m/s, 400 m/s, 500 m/s, 800 m/s. Tốc độ trung bình của chúng là m/s.
4
Thông hiểu
Phát biểu nào đúng về các phân tử trong một bình khí ở nhiệt độ không đổi?
5
Thông hiểu
Tốc độ của 100 phân tử khí được thống kê như sau: $v (m/s) S o ˆ ˊ ph a ˆ n tử 0 - 200 6 200 - 400 26 400 - 600 34 600 - 800 22 800 - 1000 9 > 1000 3$ Khoảng tốc độ có nhiều phân tử nhất là
6
Vận dụng Theo bảng ở câu trên, số phân tử có tốc độ lớn hơn 800 m/s chiếm %.

🌼

Chuyển động Brown và khuếch tán

1
Nhận biết
Chuyển động Brown là bằng chứng chứng tỏ
2
Thông hiểu
Chuyển động Brown của các hạt lơ lửng diễn ra mạnh hơn khi
3
Thông hiểu
Nhỏ một giọt mực vào cốc nước ở các nhiệt độ khác nhau, đo thời gian mực lan đều cả cốc: $t (^{\circ} C) Thời gian (s) 20300402106015080110$ Kết luận nào đúng?
4
Vận dụng
Ghi vị trí một hạt phấn hoa sau mỗi 30 s rồi nối các điểm lại được một đường gấp khúc. Nhận xét nào đúng?

🎯

Khí lí tưởng và khí thực

1
Nhận biết
Trong mô hình khí lí tưởng, các phân tử khí được coi là
2
Thông hiểu
Khí thực có thể coi là khí lí tưởng khi
3
Thông hiểu
Giả thuyết nào không thuộc mô hình khí lí tưởng?
4
Vận dụng
Khí nitrogen trong bình thép nén ở 200 atm không còn tuân theo tốt mô hình khí lí tưởng, chủ yếu vì

⚖️

Mol, số phân tử, khối lượng phân tử

1
Thông hiểu 8 g khí oxygen (O₂, M = 32 g/mol) có số mol là mol.
2
Thông hiểu 0,5 mol khí có N = ·10²³ phân tử (N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹).
3
Thông hiểu
So sánh số phân tử có trong 1 g khí hydrogen (H₂, M = 2 g/mol) và 1 g khí oxygen (O₂, M = 32 g/mol).
4
Vận dụng Khối lượng một phân tử nitrogen (N₂, M = 28 g/mol) là m₀ = ·10⁻²⁶ kg (N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹, làm tròn đến hàng phần trăm).
5
Vận dụng Ở 0 °C và 1 atm, 1 mol khí chiếm 22,4 lít. Coi mỗi phân tử chiếm một khối lập phương, cạnh khối (khoảng cách trung bình giữa các phân tử) khoảng nm (làm tròn đến hàng phần mười).

🌸

Hiện tượng quanh ta

1
Thông hiểu
Các hạt bụi lấp lánh bay lượn trong một tia nắng chiếu vào phòng tối chủ yếu là do

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn

1
Thông hiểu
Một bình kín đựng khí đặt trên mặt bàn. Áp suất khí lên thành trên của bình
2
Thông hiểu
Số phân tử có trong 11 g khí carbon dioxide (CO₂, M = 44 g/mol) là (N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹)
3
Vận dụng
Cùng một lượng khí được đo phân bố tốc độ phân tử ở 27 °C và ở 327 °C. So với ở 27 °C, đồ thị phân bố ở 327 °C

✅

Phần II · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Quan sát các hạt phấn hoa lơ lửng trong nước qua kính hiển vi và dùng mô hình động học phân tử để giải thích.

a)Các phân tử nước chuyển động hỗn loạn không ngừng.

b)Trong mô hình khí lí tưởng, các phân tử hút nhau ngay cả khi ở xa nhau.

c)Hạt phấn hoa chuyển động hỗn loạn vì bị các phân tử nước va đập không cân bằng từ các phía.

d)Hạt phấn hoa càng to thì chuyển động Brown càng mạnh.
2
Vận dụng
Tốc độ của 8 phân tử khí trong một bình ở nhiệt độ không đổi lần lượt là (m/s): 200, 300, 400, 400, 500, 600, 700, 1100.

a)Tốc độ trung bình của 8 phân tử là 525 m/s.

b)Phân tử nhanh nhất có tốc độ gấp hơn 2 lần tốc độ trung bình.

c)Có 4 phân tử có tốc độ lớn hơn tốc độ trung bình.

d)Nếu tăng nhiệt độ của bình thì không còn phân tử nào có tốc độ dưới 300 m/s.

🔢

Phần III · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu 14 g khí nitrogen (N₂, M = 28 g/mol) có bao nhiêu mol? Đáp số:
2
Thông hiểu Số phân tử nước có trong 9 g nước (H₂O, M = 18 g/mol) là x·10²³ (N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹). Tìm x (làm tròn đến hàng phần trăm). Đáp số:
3
Vận dụng Ở 0 °C và 1 atm, 1 mol khí chiếm 22,4 lít; đường kính một phân tử khoảng 3·10⁻¹⁰ m. Khoảng cách trung bình giữa các phân tử gấp bao nhiêu lần đường kính phân tử (làm tròn đến hàng đơn vị)? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Phần I thường hỏi nội dung thuyết động học phân tử, nguyên nhân gây áp suất khí, các giả thuyết của mô hình khí lí tưởng và điều kiện để khí thực coi là lí tưởng.
•Phần II hay có một tình huống về chuyển động Brown hoặc một dãy tốc độ phân tử; ý dễ mất điểm là "cùng nhiệt độ thì cùng tốc độ" và "hạt to thì chuyển động Brown mạnh".
•Phần III có thể hỏi số mol, số phân tử, khối lượng một phân tử (n = m/M = N/N_A) — nhớ đổi M ra kg/mol khi tính m₀; các bài 9–12 sẽ dùng lại các đại lượng này.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Định luật Boyle