Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах
Разберёмся, как вещества умеют перемешиваться сами — без ложки, без ветра, без встряхивания — и почему в жару это происходит быстрее, чем в холод.
Открытый флакон освежителя воздуха стоит в углу закрытой комнаты. Окна и двери закрыты, ветра нет, воздух совершенно неподвижен — никто ничего не размешивает. Почему через десять минут запах чувствуется уже у противоположной стены?
Объяснять, что такое диффузия, и приводить примеры для газов, жидкостей и твёрдых тел.
Предсказывать, где диффузия пройдёт быстрее — в холодном или в горячем веществе — и почему.
Объяснять, почему диффузия в твёрдых телах идёт медленнее всего, хотя она там тоже есть.
Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах
Диффузия: как вещества перемешиваются сами
Поставь на стол открытую банку варенья и выйди из комнаты на пять минут. Когда вернёшься, запах будет чувствоваться уже у двери — хотя банку никто не тряс и воздух в комнате никто не гонял. Как аромат «сам» добрался до другого конца комнаты?
Представь тёмный зал, где сидят два класса у одной невидимой границы: слева пятиклассники, справа девятиклассники, каждый на своей половине. Никто не сидит смирно — каждый постоянно немного двигается, толкается локтем, пересаживается на соседнее место. Специально их никто не меняет местами, но через час зал окажется перемешанным по всей ширине. Молекулы ведут себя точно так же: там, где соприкасаются два разных вещества, их молекулы беспорядочно двигаются и постепенно заходят «на территорию» друг друга.
Явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате беспорядочного движения молекул, называют диффузией.
Способ запомнить. Слово «диффузия» — от латинского diffusio, «распространение, растекание». Если два вещества соприкасаются и никто не мешает их молекулам двигаться, они обязательно немного перемешаются на границе — даже без встряхивания и без ложки. Проверка себя: если результат появился без всякого внешнего перемешивания — это диффузия; если кто-то мешал ложкой или дул — это просто механическое перемешивание, а не она.
Похожий процесс можно увидеть и по-настоящему, без всякой модели с шариками — с водой и раствором медного купороса (он ярко-синий).
Берут хорошо отшлифованную золотую пластину и хорошо отшлифованную свинцовую пластину.
Плотно прижимают их друг к другу и оставляют в таком положении, ничего больше не делая.
Диффузия наблюдается также и в твёрдых телах, но протекает она гораздо медленнее, чем в жидкостях: заметная диффузия в этих пластинах произойдёт лишь через три года — атомы золота проникнут в свинец, а атомы свинца проникнут в золото.
В стакан с водой опустили кусочек сахара и не размешивают, не встряхивают. Пройдёт ли диффузия?
показать
В стакан с водой опустили кусочек сахара и не размешивают, не встряхивают. Пройдёт ли диффузия?
Да — молекулы воды и сахара двигаются беспорядочно сами по себе, поэтому со временем раствор станет однородным и без размешивания, просто это происходит медленнее, чем с ложкой.
Открытый флакон духов стоит в углу комнаты, воздух совершенно неподвижен. Через 20 минут запах чувствуется у противоположной стены. Что объясняет это явление?
Скорость диффузии и температура
Насыпь в стакан холодной воды ложку какао и не мешай — оно долго будет лежать комком на дне, окрашивая воду еле-еле. А в стакане горячего молока то же какао расходится по всему стакану за пару минут. Диффузия та же самая, но с разной скоростью. От чего это зависит?
Вернёмся к залу с двумя классами из прошлой части. Если все стоят на месте и лениво переминаются с ноги на ногу — перемешивание идёт медленно. А если все вдруг разбежались пошире (места между людьми стало больше) и стали двигаться быстрее — перемешивание идёт заметно живее. Молекулы горячего вещества ведут себя как раз как эта «разбежавшаяся» толпа: между ними больше пространства, и движутся они быстрее.
Скорость диффузии возрастает при увеличении температуры. Объяснить это можно двумя причинами: при повышении температуры увеличивается расстояние между молекулами и возрастает скорость движения молекул.
Способ запомнить. Держи в голове два слова на «Т»: температура растёт → толчея молекул усиливается (они движутся быстрее) и теснота уменьшается (расстояние между ними увеличивается). Обе причины тянут в одну сторону — на ускорение диффузии, поэтому эффект получается заметным, а не еле уловимым. Проверка себя: если в задаче температуру подняли, а скорость диффузии, по твоему ответу, не изменилась или упала — где-то ошибка.
| Состояние | Как расположены и движутся молекулы | Насколько быстро идёт диффузия |
|---|---|---|
Газ | Далеко друг от друга, движутся быстро и почти свободно | Быстрее всего — секунды-минуты |
Жидкость | Ближе друг к другу, движение более стеснённое | Заметно медленнее газа — часы-дни |
Твёрдое тело | Почти вплотную, в основном колеблются на месте | Очень медленно — может занимать годы |
Что на самом деле происходит с молекулами
На молекулярном уровне «нагреть» вещество — значит заставить его молекулы двигаться быстрее и обычно немного отдалиться друг от друга (вещество слегка расширяется). Быстрая молекула чаще меняет соседей и дальше «убегает» от места, где была изначально, поэтому граница между веществами размывается быстрее. Вот почему один и тот же чай заваривается в кипятке за минуту, а в чуть тёплой воде — за десять.
Одинаковую каплю чернил капнули, не перемешивая, в стакан с ледяной водой и в стакан с горячей водой. В каком стакане чернильное облако растечётся по всему объёму быстрее?
показать
Одинаковую каплю чернил капнули, не перемешивая, в стакан с ледяной водой и в стакан с горячей водой. В каком стакане чернильное облако растечётся по всему объёму быстрее?
В стакане с горячей водой — там молекулы движутся быстрее и находятся дальше друг от друга, поэтому диффузия идёт быстрее.
Одну и ту же чайную ложку сахара положили без размешивания в стакан ледяного чая и в стакан горячего чая. В каком стакане сахар разойдётся по всему объёму быстрее и почему?
Даже в неподвижном воздухе молекулы никогда не останавливаются — они постоянно двигаются хаотично, сталкиваясь друг с другом. Там, где облако молекул освежителя соприкасается с воздухом, отдельные молекулы освежителя беспорядочно «расползаются» между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — между молекулами освежителя. Это и есть диффузия: специально мешать не нужно, перемешивание происходит само за счёт беспорядочного движения молекул. И чем теплее в комнате, тем быстрее запах доберётся до дальней стены — тёплые молекулы двигаются быстрее и находятся чуть дальше друг от друга.
Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга за счёт беспорядочного движения молекул, без размешивания.
Диффузия идёт во всех трёх агрегатных состояниях, но с очень разной скоростью: быстрее всего в газах, медленнее всего в твёрдых телах.
Скорость диффузии растёт при повышении температуры сразу по двум причинам: молекулы двигаются быстрее и расстояние между ними увеличивается.
В твёрдых телах диффузия идёт настолько медленно, что заметный результат может потребовать годы — как в опыте с золотом и свинцом.
Механическое перемешивание ложкой — не то же самое, что диффузия, хотя оба процесса могут идти одновременно.
Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга за счёт беспорядочного движения молекул.
Твёрдое, жидкое или газообразное состояние вещества — состояния отличаются расположением и подвижностью молекул.
- Газ
диффузия быстрее всего
- Жидкость
заметно медленнее, чем в газе
- Твёрдое тело
очень медленно, счёт на годы
- Выше температура
диффузия быстрее
- Причина ускорения
молекулы быстрее двигаются, расстояние между ними растёт
- Диффузия
проникновение веществ друг в друга без перемешивания
- Причина
беспорядочное движение молекул
Слово «диффузия» происходит от латинского diffusio — «распространение, растекание».
Молекулы газа двигаются со скоростями порядка сотен метров в секунду, но диффузия всё равно кажется довольно медленной: каждая молекула на своём пути постоянно сталкивается с соседями и меняет направление, а не летит прямо к цели.
Что такое диффузия?
Явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга в результате беспорядочного движения молекул.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИБудет ли легче сдвигать полированные стёкла, сложенные стопкой, если предварительно между ними положить листы сухой бумаги? Ответ поясните.
На кухне открыли банку свежемолотого кофе, дверь и окна закрыты, вентилятора нет. Через несколько минут запах чувствуется по всей кухне. Как называется это явление?