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 дви- жутся, 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 предполо- жить, что молекулы воды движутся также беспорядочно и непрерывно. Броуновская частица окружена со всех сторон молекулами воды, кото- рые 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 двинется туда, куда будет направлена равно действующая 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 не- посредственно мы не можем. Опыты показывают, что интенсивность движения броуновских частиц растет с увеличением температуры.Из опыта 1 можно сделать вывод, что частицы воды и марганцов ки, беспорядочно двигаясь, перемешиваются. Такое смешивание веществ называется диффузией. "Явление диффузии наблюдается как в жидкостях, так и в газах и твердых телах. Интенсивность протекания диффузии зависит от плот- ности 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)°С, 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 жидко- сти 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 тем- пература, 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 воз- духа, которым мы дышим, поддерживается однородным. Вы знаете, что деревья поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Этот процесс также происходит посредством диффузии. Такие физиологиче- ские процессы в организме человека, как дыхание, насыщение клеток организма кислородом и питательными веществами возможны благо- даря явлению диффузии. В быту соление овощей, изготовление компотов, варенья также происходят на основе явления диффузии. Явление диффузии играет отрицательную роль в процессе загряз нения 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 мо- лекулы вещества движутся непрерывно и беспорядочно, т.е. хаотически.Хаос (от древнегреческого χαος раскрываюсь) в данном случае по- нимают как беспорядок, неразбериху, смешение. Броуновское движение и явление диффузии доказывают, что моле кулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении. Непрерывное хаотическое движение молекул называется тепло- вым движением. Тепловое движение молекул никогда не останавливается, его харак- тер определяется агрегатным состоянием вещества. В газах расстояние между молекулами гораздо больше размеров са- мих 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 перескаки- вать из одного положения равновесия в другое. Молекулы твердого тела способны колебаться только около опреде- ленных положений равновесия. Во всех случаях интенсивность теплового движения возрастает с ростом температуры. 1. Опишите опыт Броуна. . Какая частица называется броуновской? 2 ■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?
Опыт Броуна заключался в наблюдении под микроскопом за мельчайшими частицами цветочной пыльцы, которые плавали в капле воды. Р. Броун заметил, что эти частицы движутся непрерывно и беспорядочно, что стало основой для изучения движения молекул. Броуновской частицей называется такая видимая под микроскопом частица, которая перемещается под действием молекул окружающей жидкости или газа, демонстрируя это беспорядочное движение.
Движение броуновской частицы, согласно рисунку 1.2, характеризуется непрерывными и беспорядочными столкновениями с молекулами жидкости (в данном случае — молекулами воды). Когда броуновская частица окружена молекулами, на нее действуют различные силы, и она может двигаться в разные стороны. Это движение напоминает ломаную линию, которая показывает, как частица перемещается за определенное время.
Наблюдая за движением броуновской частицы, можно судить о характере движения молекул. Это связано с тем, что беспорядочное и непрерывное движение броуновской частицы происходит благодаря хаотическим столкновениям с молекулами жидкости. Если бы молекулы вокруг были статичны, броуновская частица не двигалась бы. Таким образом, наблюдение за броуновской частицей позволяет сделать вывод о хаотическом движении молекул, даже если сами молекулы невидимы.
Явление диффузии объясняется тем, что молекулы веществ перемешиваются благодаря их беспорядочному движению. В газах и жидкостях молекулы движутся свободно и могут легко распространяться, что приводит к равномерному смешиванию веществ. Например, при добавлении капли краски в воду, молекулы краски успешно перемешиваются с водой, что демонстрирует явление диффузии.
Примеры явления диффузии в газах включают расползание запаха свежеприготовленного блюда по комнате, что позволяет нам его почувствовать за несколько секунд. В жидкостях, как уже упоминалось, это можно наблюдать при добавлении красителя в воду, где процесс смешивания может занять несколько часов или дней.
Интенсивность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее происходит диффузия. При повышении температуры молекулы вещества начинают двигаться быстрее, что увеличивает вероятность их столкновений и смешивания.
Возможно, чтобы броуновское движение прекратилось при достижении абсолютного нуля, когда молекулы прекращают любое движение. В реальных условиях, однако, при температуре, близкой к абсолютному нулю, молекулы все равно будут колебаться, но их энергия значительно снизится.
Эти концепции помогают понять, что молекулы веществ находятся в непрерывном, хаотическом движении, и это движение играет ключевую роль в различных физических процессах!
