Тепловое движение. Броуновское движение. Диффузия

Ключевые слова: броуновская частица, диффузия, хаотическое движение.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь с явлениями, доказывающими тепловое движение молекул.

Это вы знаете. Все тела состоят из молекул, те в свою очередь из атомов. В зависимости от взаимного расположения и движения молекул вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Сегодня нам предстоит выяснить, как движутся молекулы веществ, какими опытами можно это проверить. Ведь сами молекулы настолько малы, что их не увидеть даже под микроскопом. Но можно изучать движение молекул, наблюдая в опытах за более крупными частицами, которые движутся благодаря действию на них молекул.

Броуновское движение. В 1827 году английский ботаник Р. Броун наблюдал под микроскопом за каплей воды, где плавали мельчайшие частицы цветочной пыльцы. Он обнаружил, что частички пыльцы непрерывно и беспорядочно движутся, причем это движение никогда не прекращается.

Опыт легко повторить, используя мелко натертый древесный уголь, который в воде не растворяется. Под микроскопом можно увидеть, что крупинки угля непрерывно и скачкообразно движутся. Причем самые мелкие из них (размером ~1 мкм) беспорядочно перемещаются с одного места в другое, а более крупные беспорядочно колеблются на одном месте. Такие частицы называются броуновскими.

Беспорядочное движение видимых под микроскопом частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости или газе, называется броуновским движением.

Если мысленно «пометить» одну броуновскую частицу и отмечать на бумаге ее местоположение через равные промежутки времени, то можно получить ломаную линию, как показано на рисунке 1.1.

Движение броуновской частицы можно объяснить, если предположить, что молекулы воды движутся также беспорядочно и непрерывно. Броуновская частица окружена со всех сторон молекулами воды, которые благодаря своему беспорядочному движению сталкиваются друг с другом и с броуновской частицей (рис. 1.2). Эти столкновения также непрерывны и беспорядочны. Если броуновская частица небольшая (размером менее 1 мкм), то число одновременных соударений тоже небольшое, и частица движется туда, куда будет направлена равнодействующая сил всех этих молекул. Если же частица большая, то силы воздействия со стороны молекул не смогут сдвинуть ее с места. Таким образом, наблюдая за движением броуновской частицы, можно сделать выводы о характере движения молекул, хотя их увидеть непосредственно мы не можем. Опыты показывают, что интенсивность движения броуновских частиц растет с увеличением температуры.

Рис. 1.1 — траектория броуновской частицы; рис. 1.2 — столкновения молекул воды с частицей

Подумайте и определите, какие из ниже приведенных утверждений верные и какие неверные:

1. В опыте «Броуновское движение» под микроскопом наблюдаем хаотическое движение молекул вещества.
2. Размеры броуновской частицы примерно равны размерам молекул.
3. Размеры броуновской частицы во много раз больше размеров молекул.
4. При очень низких температурах броуновское движение прекращается.

Опыт 1. В высокий стеклянный стакан нальем воды. Бросим туда крупинки перманганата калия (марганцовки) и будем наблюдать. Что мы увидим? Вода вокруг крупинок постепенно будет окрашиваться в фиолетовый цвет. Протекание этого процесса с течением времени показано на рисунке 1.3, а, б, в. Если оставить стакан на достаточно долгое время, вода полностью станет розово-фиолетовой. Проделайте этот опыт дома и понаблюдайте, как происходит окрашивание воды и за какое время она окрасится полностью.

Рис. 1.3. Диффузия в жидкости: а) в начале опыта; б) через 5 минут; в) через 2 часа

Опыт 2. Нажмите на крышку флакона с духами. Вы почувствуете запах духов практически сразу. Молекулы духов проникают в воздух и смешиваются с молекулами воздуха.

Открыв кран газовой плиты, мы также быстро ощущаем запах газа.

Опыт 3. Возьмите два одинаковых стеклянных стакана. В один из них налейте холодную, в другой горячую воду. Бросьте в них крупинки марганцовки и понаблюдайте. Вы увидите, что в горячей воде окрашивание произойдет быстрее, чем в холодной. Значит, чем выше температура, тем быстрее движение молекул.

Из опыта 1 можно сделать вывод, что частицы воды и марганцовки, беспорядочно двигаясь, перемешиваются. Такое самостоятельное смешивание веществ называется диффузией.

Явление диффузии наблюдается как в жидкостях, так и в газах и твердых телах. Интенсивность протекания диффузии зависит от плотности вещества и от температуры (опыт 3). Скорость диффузии в газах больше, чем в жидкостях (опыт 2). В твердых телах она протекает очень медленно.

Известны результаты такого опыта. Два хорошо отшлифованных бруска из меди и бронзы положили друг на друга и оставили на пять лет. Через этот промежуток времени обнаружили, что бруски срослись на 1 мм. Если эти же бруски держать в печи при температуре около (80—100) °C, то они срастаются на 1 мм уже через 10—15 дней.

Из проделанных опытов можно сделать несколько выводов:

1. Диффузия в газах происходит очень быстро, запахи мы можем почувствовать за секунды. В жидкостях диффузия протекает гораздо медленнее, для самостоятельного полного смешивания частиц в жидкости могут понадобиться дни, а то и недели. В этом вы можете убедиться сами, наблюдая за стаканом прохладной воды с кусочками краски. Для диффузии в твердых телах нужны годы, но она все же наблюдается.
2. Интенсивность диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия. Это означает, что с ростом температуры молекулы вещества движутся быстрее.

Диффузия играет важную роль в различных природных процессах. Например, вследствие постоянного перемешивания различных газов, входящих в состав атмосферы, вблизи поверхности Земли состав воздуха, которым мы дышим, поддерживается однородным. Вы знаете, что деревья поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Этот процесс также происходит посредством диффузии. Такие физиологические процессы в организме человека, как дыхание, насыщение клеток организма кислородом и питательными веществами возможны благодаря явлению диффузии.

В быту соление овощей, изготовление компотов, варенья также происходят на основе явления диффузии.

Явление диффузии играет отрицательную роль в процессе загрязнения окружающей среды в результате деятельности человека. Выхлопные газы автомобилей, вредные вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями в атмосферу, вследствие диффузии распространяются на большие расстояния, попадают в воду и пищу, тем самым наносится огромный вред здоровью людей и экологии Земли.

Явление диффузии может служить доказательством того, что молекулы вещества движутся непрерывно и беспорядочно, т. е. хаотически. Хаос (от древнегреческого хаос — раскрываюсь) в данном случае понимают как беспорядок, неразбериху, смешение.

Броуновское движение и явление диффузии доказывают, что молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.

Непрерывное хаотическое движение молекул называется тепловым движением.

Тепловое движение молекул никогда не останавливается, его характер определяется агрегатным состоянием вещества.

В газах расстояние между молекулами гораздо больше размеров самих молекул, поэтому между столкновениями молекулы могут пройти довольно большие расстояния с большими скоростями (сотни м/с).

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Тепловое движение молекул жидкости сводится к колебаниям около положения равновесия. Время от времени молекула может перескакивать из одного положения равновесия в другое.

Молекулы твердого тела способны колебаться только около определенных положений равновесия.

Во всех случаях интенсивность теплового движения возрастает с ростом температуры.

Вопросы

1. Опишите опыт Броуна.
2. Какая частица называется броуновской?
3. Опираясь на рисунок 1.2, объясните характер движения броуновской частицы.
4. Наблюдая за движением броуновской частицы, можно ли судить о характере движения молекул? Аргументируйте свой ответ.
5. Дайте объяснение явлению диффузии.
6. Приведите примеры явления диффузии в газах и в жидкостях.
7. Как зависит интенсивность диффузии от температуры?
8. Возможно ли, чтобы броуновское движение прекратилось? Почему?

Творческая мастерская

1. В солнечный день закройте шторы, оставив узкую щель. Внимательно рассмотрите полоску света. Что вы увидели? Объясните наблюдаемое явление.
2. Возьмите три одинаковых стакана. В один налейте холодной воды, в другой — теплой, в третий — горячей воды. В каждый стакан бросьте по щепотке листового чая. Наблюдайте в течение 15 минут. Опишите наблюдаемое вами явление, сделайте выводы.