Антон Курочкин,
многопрофильный технический лицей № 1501, г.
Москва
Наблюдение и изучение явления диффузии
Учебно-исследовательская работа. 8-й класс
I. Введение
Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение Демокрита существует давно, однако и нынешнее учение основано на предположениях того времени.
В основе современного положения молекулярно-кинетической лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.
Из учения Демокрита следует, что все тела состоят из атомов, однако атомы могут образовывать молекулы. Молекулами называют мельчайшие частицы, из которых состоят различные вещества [и которые обладают свойствами этого вещества. – Ред.] Все частицы находятся в непрерывном движении. Одним из проявлений теплового движения является процесс диффузии. Диффузия – проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
II. Цель работы
Целью экспериментальной работы является наблюдение и изучение явления диффузии. Для проведения эксперимента использовались леденцы четырёх различных цветов, вода и промокательная бумага.
Эксперимент I – наблюдение растворения леденцов в воде при неизменной температуре (t = 21 °C).
Эксперимент II – изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры.
III. Оборудование
4 блюдца, леденцы разного цвета, стакан с водой.
IV. Проведение эксперимента I
1. Положим в каждое блюдце по 3 леденца одинакового цвета (фото [здесь опущено. – Ред.]). Нальём в каждое блюдце одинаковое количество воды при температуре t = 13 °C (фото).
2. Вода в блюдцах начинала окрашиваться в цвет леденцов через несколько минут, т.е. началось растворение леденцов (фото). Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами веществ твёрдых леденцов. В результате молекулы воды начинают проникать в промежутки между молекулами твёрдых веществ, нарушая силы притяжения. Одновременно начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решётки твёрдого вещества. Однако размеры молекул воды и окрашенных леденцов настолько малы (масса молекулы воды приблизительно равна m0 = 0,000 000 000 000 000 000 000 029 88 г). и их так много, что проследить за движением одной молекулы невозможно. Например, число частиц в объёме 0,0005 м3 равно 1,806•1022. Наблюдаемое явление называется диффузией. Процесс растворения леденцов закончился, вода полностью окрасилась в цвет леденцов, находящихся в блюдцах (фото).
3. Возьмём лист промокательной бумаги, проведём на нём карандашную линию на расстоянии 3 см от края. Капнем получившимся раствором краски на карандашную линию. Будем делать это до тех пор, пока пятна не станут яркими.
Затем свернём бумагу в цилиндр (фото). В тарелку нальём воду (высотой примерно 2,5 см). Опустим нижнюю часть цилиндра с пятнами краски в тарелку с водой. Бумага начала впитывать воду, и вода поднимается вверх по бумаге (фото). Подъём воды происходит за счёт сил притяжения молекул воды и бумаги. Эти силы больше, чем силы притяжения между частицами воды. Поэтому пятна краски постепенно размываются, их площадь увеличивается, они одновременно становятся светлее, продолжается подъём краски вместе с водой (фото). Это явление называется капиллярностью, оно сопровождает диффузию.
V. Проведение эксперимента II
1. Возьмём 2 стакана, в один из них нальём холодную воду, в другой – горячую равного объёма. Электронным термометром ТЭН-5 измерим начальную температуру холодной и горячей воды: tx = 6,4 °C, tг = 65,8 °C.
2. Леденцы красного и жёлтого цветов разложим в два тонкостенных стакана с водой. Объём воды в обоих стаканах равный. В этом эксперименте мы исключили объём. Изменяются три параметра: время, температура и высота столба окрашенной жидкости. Все эти величины можно измерить с учётом погрешности, но построить строгую математическую зависимость сложно, т.к. не хватает математического аппарата. Поэтому построим гистограммы, на которых покажем, как через равные интервалы времени изменяется температура и при этом увеличивается высота окрашенной жидкости.
На гистограмме 1 показано, как в течение 55 мин температура увеличивалась с tн = 6,4 °C до tк = 17,1 °C.
Специально стакан не нагревали, вода нагревалась за счёт теплообмена с окружающей средой:
1–2 – происходил нагрев самого стакана; 2–3 – при незначительном увеличении температуры резко увеличивалась высота окрашенной жидкости, т.к. стакан, вероятно, уже нагрелся до температуры окружающей среды и отбираемое из окружающей среды тепло шло на нагревание воды; 3–8 – процесс диффузии шёл почти равномерно.
За 55 мин вода окрасилась не полностью. Это говорит о том, что диффузия зависит от температуры. Интенсивный теплообмен с окружающей средой почти закончился. Количества энергии, поступающей из окружающей среды, недостаточно для ускорения процесса диффузии.
На гистограмме 2 показано остывание воды через равные интервалы времени в течение 55 мин и изменение высоты окрашенной воды:
1–2 – резкое увеличение столба окрашенной жидкости. Это, вероятно, можно объяснить тем, что сначала растворяются леденцы; 2–3 – нагреваются стакан и окружающая среда, поэтому происходит понижение температуры; 3–8 – процесс диффузии происходит относительно равномерно, и за 55 мин вода в стакане окрашивается полностью.
VI. Выводы. Мы наблюдали процесс диффузии. Диффузия – временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и рода вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии. В твёрдых веществах диффузия протекает медленнее, чем в жидкостях. Явление диффузии сопровождалось капиллярными явлениями.
VII. Заключение. Явление диффузии широко применяется на производстве, в медицине, в полупроводниковом производстве (для создания микросхем). Гемодиализ спас жизнь многим больным.