Диффузия

Моделью вещества, состоящего из постоянно движущихся молекул, объясняются некоторые физические явления. Например, диффузия.

При этом явлении происходит проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Логично предположить, что в разных веществах это явление будет происходить тоже по-разному. На данном уроке мы рассмотрим диффузию в различных веществах, дадим определение этому процессу и узнаем, от чего он зависит.

Диффузия в газах

Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите за уроками в своей комнате и вдруг почувствовали вкусный запах с кухни. Почему это произошло? Блюдо, которое готовится к обеду, состоит из большого числа молекул, которые все время движутся и сталкиваются: мясо, масло, специи.

При нагревании отдельные молекулы отделились от остальных, смешавшись с молекулами воздуха и стали перемещаться по квартире. Это явление уже упоминавшейся диффузии — взаимное проникновение молекул разных веществ.

Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но только значительно медленнее.

{"questions":[{"content":"Где диффузия происходит быстрее?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В жидкостях","В твёрдых телах","В газах","Везде одинаково"],"explanations":["","","Расстояние между молекулами газа больше, чем у жидкости и твёрдых тел",""],"answer":[2]}},"hints":[]}]}

Другой вопрос: почему же запахи не доносятся до нас мгновенно? Мы уже упоминали о беспрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. таким образом, молекулы постоянно сталкиваются, меняют свое направление, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по помещению.

Диффузия в жидкостях

Как протекает диффузия в жидкости?
Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 1).

Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.

Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.

Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 2), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.

Диффузия в твердых телах

В твердых телах также происходит диффузия, но только значительнее медленнее. Например, при комнатной температуре около $20 \space C \degree$ золото и свинец взаимно проникнут друг в друга на расстояние около 1 мм только через 4-5 лет (рисунок 3).

Определение диффузии

Так что такое диффузия? Дадим определение.

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

Как мы уже говорили, явление диффузии объясняется непрерывным хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.

Процесс диффузии напрямую зависит от температуры, так как с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул.

Примеры диффузии в природе, быту и технике

Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?

Ответ — чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.

{"questions":[{"content":"Выберите верные утверждения:[[choice-1]][[choice-13]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["диффузию нельзя наблюдать только в твердых телах","скорость диффузии не зависит от температуры вещества","диффузия происходит быстрее в газообразных телах","диффузия может происходить в жидкостях и твердых телах, но значительно медленнее газообразных"],"answer":[2,3]},"choice-13":{"type":"choice","options":["",""],"answer":[]}},"hints":[]},{"content":"Что называют диффузией?[[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["процесс соединения молекул одного вещества","явление, при котором происходит обмен молекулами","явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого","процесс, при котором происходит повышение температуры воды"],"answer":[2]}},"hints":[]}]}

Диффузия широко используется в промышленности. Например, в технике при сварке деталей, склеивании.

В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.

Задания

Марганцовка начнет растворяться в обоих стаканах. Вода будет постепенно окрашиваться — будет идти процесс диффузии.

В стакане с теплой водой, кристаллики марганцовки растворятся быстрее, чем в стакане с холодной водой. Это объясняется тем, что скорость протекания диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость молекул — тем быстрее проходит диффузия (рисунок 4).

Сначала мы видим четкую границу между двумя жидкостями (между их молекулами). Постепенно эта граница начинает размываться. Идет процесс диффузии. Молекулы воды постепенно проникают между молекулами медного купороса, а молекулы медного купороса проникают между молекулами воды. В конце концов, обе жидкости смешаются. Процесс диффузии завершится и мы получим однородную жидкость (раствор медного купороса).

Такой тип подкормки (листовая подкормка) способствует более активному росту комнатных растений. Такой способ поддержать рост растения возможен благодаря диффузии. В данном случае диффузия будет происходить между питательными веществами подкормки и поверхностью листьев растения.

Дело в том, что при понижении температуры растворимость веществ уменьшается. То есть, если бы мы попытались растворить такое же количество соли в холодной воде, то у нас просто бы не получилось это сделать.

Почему же при охлаждении такого раствора соль оседает на подвешенном кристаллике соли, а не выпадает на дно в виде осадка? Причина такого поведения вещества в строении самих молекул соли. Они имеют не шарообразную форму, и они не симметричные. Поэтому они не могут состыковаться друг с другом в любом положении, а только в определенном. Подвешенный кристаллик соли называют центром кристаллизации. Вокруг него и выстраиваются ровными рядами другие молекулы соли из раствора — образуется кристалл.

Так на каком явлении основан рост кристаллика соли? Вышеописанные процессы соответствуют процессу, который противоположен диффузии. Это обратная диффузия.