Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Один опыт я ценю выше тысячи  мнений, рождённых воображением

Михаил Васильевич Ломоносов

В данной теме продолжается ознакомление с первоначальными сведениями о строении вещества.

Молекулы – мельчайшие частицы вещества. Эти частицы настолько малы, что мы не в состоянии увидеть их невооруженным глазом, поэтому, все тела кажутся сплошными. Однако было доказано с помощью опытов, что тела состоят из малых частиц. Как оказалось, молекулы не стоят на месте, а постоянно находятся в беспорядочном движении. Возникает вопрос: как это частички вещества могут находиться в непрерывном движении, если, например, стол сохраняет свою форму, и никакого движения не происходит? Стакан, чайник, карандаш – да любое твердое тело сохраняет свою форму неизменной. Как же может быть, что молекулы внутри этих тел двигаются? Это подтверждается наблюдениями и опытами. Впервые такое предположение было высказано Робертом Броуном в 1827 г.

Как-то раз он разглядывал в капле воды под микроскопом споры растений. Внезапно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, никак не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам. Если проследить за одной частицей, то можно убедиться, что её движение совершенно хаотично и её траекторию невозможно предугадать. Частицы, двигающиеся таким образом, стали называть броуновскими, да и само движение было названо броуновским.

Происходит это вот из-за чего: молекулы, беспорядочно двигаясь, постоянно ударяют по броуновским частицам. Это приводит к тому, что частица постоянно смещается в разные стороны. При увеличении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, соответственно, чаще ударяя броуновскую частицу, в результате чего эта частица тоже начинает двигаться быстрее. Самих молекул не видно при использовании обычного микроскопа, поэтому создается впечатление, будто бы броуновские частицы движутся сами по себе. Понять это можно вот каким способом: если представить, что дети играют в огромный мяч, который толкают друг другу. Стороннему наблюдателю, находящемуся на большом расстоянии будет казаться, что мяч двигается сам по себе, поскольку издалека детей видно не будет. Точно также и молекулы ударяют по броуновским частицам, заставляя их хаотически двигаться.

Именно тем, что молекулы постоянно находятся в движении, объясняется такое явление, как диффузия. Рассмотрим примеры диффузии. Например, это распространение запахов. Если открыть духи, то почти сразу можно почувствовать приятный запах. Также, если распылить какую-то едкую жидкость, немедленно можно почувствовать неприятный запах.

Каким же образом это происходит? Молекулы того или иного газа находятся в беспорядочном движении, как и молекулы воздуха. Постепенно они начинают перемешиваться, то есть, молекулы данного газа проникают в пространство между молекулами воздуха, и наоборот. Таким образом, через некоторое время часть молекул попадает в нос человеку, и он чувствует запах. Опираясь на бытовой опыт можно сделать вывод, что диффузия в газах происходит довольно быстро.

Тогда возникает вопрос: может ли диффузия происходить в жидкостях? Несомненно. В предыдущей теме был проведен опыт по окрашиванию воды. Каким образом вода окрасилась? Когда краска попала в воду, молекулы краски начали проникать в пространство между молекулами воды, и наоборот. В итоге, вода равномерно окрасилась. Можно отметить, что подобные явления окружают нас каждый день. Например, явлением диффузии является заварка чая или кофе.

Когда чай или кофе заливается кипятком, вода постепенно окрашивается. Важно отметить, что если вода недостаточно горячая, то и чай, и кофе будут плохо завариваться, значительно медленнее, чем обычно. Из этого следует вывод: повышение температуры способствует ускорению диффузии. И наоборот, понижение температуры замедляет диффузию.

Вопрос: в твердых телах может происходить диффузия? Припаркованная машина может стоять на асфальте, но при этом не перемешиваются же её шины с дорожным покрытием. Люди ходят в одежде, сидят на стуле и так далее, но никакого перемешивания не происходит. Не надо спешить с выводами. Дело в том, что диффузия в твердых телах проходит очень медленно, поэтому ссылаться на повседневный опыт не стоит. Тем не менее, существует ряд успешных экспериментов, подтверждающих, что диффузия проходит и в твердых телах. Например, если очень хорошо отполировать пластины свинца и золота и приложить их друг к другу, хорошенько придавив, то процесс диффузии будет происходить. Для того, чтобы свинец проник в золото всего на один миллиметр, понадобиться приблизительно 5 лет.

Другим примером является похожий эксперимент, который был проведен Уильямом Робертсом-Остином – английским металлургом XIX века.

Он использовал ту же идею: нанес слой золота на один из концов свинцового цилиндра. После этого он поместил цилиндр в печь, и продержал его там около десяти дней при температуре примерно 200 градусов Цельсия. После этого Робертс-Остин разрезал цилиндр на тонкие диски, чтобы измерить, насколько золото проникло в свинец. Оказалось, что в том конце, где был чистый свинец, появилось вполне измеримое количество золота. И, наоборот, – в золото проник свинец. Этот опыт, в сравнении с предыдущим, отлично демонстрирует, насколько сильно температура влияет на скорость протекания диффузии.

Упражнения.

Упражнение 1. Определите, что из перечисленных примеров является примером диффузии.

Решение:

На рисунках представлено три процесса: переливание жидкости из одного сосуда в другой, нагревание жидкости и растворение кусочка сахара в чае. В каких случаях можно говорить о диффузии? Диффузия – это явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Когда жидкость переливается из одной емкости в другую, то происходит простое разделение вещества, не перемешивая его молекулы с какими-то другими молекулами. Поэтому, первый случай не является примером диффузии. Нагревание жидкости – это тоже не пример диффузии. Несомненно, диффузия ускоряется с повышением температуры. Но здесь речь идет только об одной жидкости, а диффузия, по смыслу, может происходить только при участии двух и более веществ. В третьем примере, конечно, имеет место диффузия, ведь, молекулы сахара проникли в пространство между молекулами воды, таким образом, образовав раствор.

Упражнение 2. Определите, в каком случае диффузия будет происходить быстрее всего.

Решение:

На рисунке изображены три разные ситуации. В каком случае диффузия произойдет быстрее? На рисунках представлен пример диффузии твердых тел и два примера диффузии жидкостей. В твердых телах диффузия происходит гораздо дольше, чем в жидкостях и, тем более, газах. Поэтому, с уверенностью можно говорить, что в первом случае диффузия будет происходить медленнее всего. В двух других случаях представлены примеры диффузии воды и масла. В одном из случаев, речь идет о воде комнатной температуры, а в другом – о кипящей воде. Поскольку более высокая температура способствует ускорению диффузии, можно сказать, что во втором случае диффузия будет происходить быстрее всего.

Основные выводы:

– Броуновское движение – это явление беспорядочного движения молекул.

– Диффузия – это явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества.

– Диффузия довольно быстро протекает в газах и немного медленнее в жидкостях.

– В твердых телах диффузия протекает очень медленно.

– Диффузия происходит быстрее при более высокой температуре.

Домашнее задание.

–