Как распространяется запах?

Что происходит в неподвижном стакане, кто толкает броуновскую частицу и почему вещества могут смешиваться без ложки.

Частицы вещества непрерывно движутся

Стакан на столе может быть неподвижен. Но это не значит, что молекулы воды в нём находятся в покое. Вещество состоит из частиц, и эти частицы совершают непрерывное беспорядочное движение. Его называют тепловым движением.

Слово «беспорядочное» означает, что у частиц нет общего заранее заданного направления. В газе они перемещаются между столкновениями, сталкиваются и меняют направление. В жидкости частицы постоянно взаимодействуют с близкими соседями и могут менять своё окружение. В твёрдом теле они главным образом колеблются около определённых положений.

Мы не видим отдельные молекулы обычным глазом. Однако можем наблюдать последствия их движения. В этом уроке разберём два таких явления: броуновское движение и диффузию.

Тело и его частицы — разные уровни описания

«Вода в стакане не течёт» и «молекулы воды движутся» — совместимые утверждения. Первое относится к заметному движению жидкости как целого, второе — к её внутреннему строению.

Что такое броуновское движение

В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал под микроскопом беспорядочное движение мелких частиц в воде. Подобное движение обнаруживается у очень маленьких частиц, взвешенных в жидкости или газе.

Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных микроскопических частиц, вызванное воздействием окружающих молекул. Например, так могут двигаться очень маленькие капельки жира в воде или мелкие частицы дыма в воздухе.

Молекулы среды действуют на частицу со всех сторон. В отдельные моменты эти воздействия не вполне уравновешиваются: с одной стороны общий толчок оказывается сильнее. Затем соотношение меняется. Поэтому частица перемещается по сложному, постоянно меняющемуся пути.

В обычном школьном микроскопе наблюдают броуновскую частицу, состоящую из множества молекул. Это не отдельная молекула воды. О движении молекул судят по тому, как они заставляют двигаться более крупную частицу.

Крупные чаинки в стакане для такого наблюдения не подходят: они слишком велики, и их видимое движение чаще связано с течениями воды. Броуновское движение не объясняется тем, что частица «живая» или сама выбирает направление.

Как движение частицы связано с ударами молекул

Броуновское движение служит одним из экспериментальных свидетельств теплового движения частиц вещества. Его можно наблюдать у частиц неживого вещества, поэтому предположение о «живых крупинках» не объясняет явление.

При повышении температуры броуновское движение обычно становится интенсивнее. На характер движения также влияют размер частицы и свойства среды, например её вязкость. При прочих равных крупная частица обычно смещается менее заметно, чем маленькая.

Схема на лендинге предлагает проследить случайный путь. Каждый показанный шаг — условный результат множества взаимодействий. Схема не воспроизводит реальные размеры, время или отдельные столкновения молекул. Она помогает увидеть, почему нет единственного «правильного» маршрута.

Два опыта могут дать разные траектории, но подтвердить одну закономерность: движения беспорядочны. Различие отдельных путей не означает, что опыт проведён неверно.

Как происходит диффузия

Пусть два вещества находятся рядом и могут проникать друг в друга. Их частицы непрерывно движутся. Часть частиц одного вещества оказывается среди частиц другого, и наоборот. Постепенно резкая граница может размываться.

Диффузия — распространение и взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их беспорядочного теплового движения.

Если в одной части сосуда частиц данного вещества больше, а в другой меньше, их распределение со временем обычно выравнивается. При этом каждая отдельная частица движется случайно, а не целенаправленно «туда, где свободнее». Общий результат большого числа перемещений — уменьшение различий в концентрации.

В интерактивной схеме сначала два вида частиц разделены перегородкой. После её удаления они могут пересекать бывшую границу. Число частиц каждого вида сохраняется, а их расположение меняется.

Смешивание не означает остановку

Даже когда состав смеси стал почти одинаковым во всех частях сосуда, тепловое движение продолжается. Постоянство общего вида не означает неподвижность отдельных частиц.

Диффузия в трёх состояниях вещества

В газах диффузия при обычных сопоставимых условиях обычно идёт быстрее, чем в жидкостях. Например, молекулы ароматных веществ могут распространяться в воздухе. В комнате этот процесс часто сильно ускоряется движением самого воздуха.

В жидкостях диффузия также возможна, но частицы окружены близкими соседями, поэтому смешивание только за счёт диффузии часто идёт медленно. Если аккуратно соприкоснуть два совместимых раствора и исключить заметные потоки, можно наблюдать постепенное размывание границы.

В твёрдых телах диффузия обычно гораздо медленнее. Частицы преимущественно колеблются около своих положений, но возможны отдельные переходы. При плотном контакте некоторых металлов и подходящих условиях частицы одного металла могут проникать в другой. Нагрев обычно заметно ускоряет процесс.

Нельзя назначить одно время диффузии для всех газов, жидкостей или металлов. Оно зависит от веществ, температуры, расстояния и других условий. Изображение двух металлических пластин иллюстрирует контакт, а не позволяет увидеть атомную диффузию напрямую.

Почему нагрев обычно ускоряет диффузию

При повышении температуры тепловое движение становится интенсивнее. Поэтому при прочих равных распространение частиц за счёт диффузии обычно происходит быстрее.

Сравнивать нужно одинаковые вещества и одинаковые условия, изменяя только температуру. Иначе причиной различия может оказаться не нагрев, а разная концентрация, разный объём жидкости, размер сосуда или случайное перемешивание.

Для двух образцов выбирают одинаковые сосуды, одинаковые объёмы и одинаковое количество красителя. Один образец прохладнее, другой теплее. Наблюдения начинают одновременно. При объяснении результата обязательно учитывают возможные потоки воды.

Две полосы на лендинге показывают качественную идею: к одному условному моменту распределение в более тёплой среде становится шире. У схемы нет реальных единиц времени и расстояния. По ней нельзя вычислить, во сколько раз изменилась скорость диффузии.

Температура и скорость диффузии — не одно и то же. Температура описывает состояние вещества, а диффузия — процесс распространения частиц.

Диффузия, потоки и растворение

В повседневных ситуациях несколько процессов часто происходят одновременно. Именно поэтому эффектный рисунок краски в воде ещё не доказывает, что всё видимое движение — только диффузия.

Конвекция — один из видов движения жидкости или газа, связанный, например, с различиями температуры и плотности. Она может значительно ускорять перемешивание. Поэтому сравнение капель краски в тёплой и холодной воде требует осторожного объяснения: наблюдаемые струи могут быть потоками.

Сахар не просто «исчезает»: он растворяется, а затем его частицы распределяются по воде. Перемешивание ложкой ускоряет распределение, но диффузия происходит и без ложки.

С запахом мандарина тоже есть несколько этапов: пахучие вещества выходят в воздух, затем распространяются. В неподвижном воздухе действует диффузия; в обычной комнате важную роль часто играет перенос воздушными потоками.

Зачем диффузия живым организмам

Диффузия помогает обмениваться веществами через небольшие расстояния. В лёгких кислород переходит из воздуха в кровь, а углекислый газ — в обратном направлении. Этот перенос связан с различиями условий по обе стороны тонкого барьера.

Растения обмениваются газами с окружающей средой через устьица листьев. В этом обмене участвует диффузия. Газообмен помогает обеспечивать фотосинтез и дыхание растения.

Кислород может переходить из воздуха в воду. Но снабжение всего водоёма кислородом зависит не только от диффузии: важны перемешивание, течения, температура и деятельность живых организмов.

Не объясняй диффузией абсолютно всё

В живых организмах существуют и другие механизмы переноса. Например, движение крови по сосудам — перенос потоком. Диффузия особенно важна на малых расстояниях, где вещества переходят между соседними областями.

Вопросы для самопроверки

1. Вода неподвижна. Значит ли это, что её молекулы остановились?

Нет. Вода может не двигаться как целое, а её молекулы продолжают тепловое движение.

2. Что видно в школьном опыте по броуновскому движению?

Маленькую взвешенную частицу, например капельку жира. Отдельные молекулы воды таким способом не видны.

3. Почему броуновская частица меняет направление?

Окружающие молекулы воздействуют на неё со всех сторон, и суммарное действие этих воздействий меняется со временем.

4. Может ли происходить диффузия без сквозняка?

Да. Её причина — тепловое движение частиц. Сквозняк создаёт дополнительный перенос воздухом и обычно ускоряет распространение запаха.

5. После смешивания движение закончилось?

Нет. Состав смеси может стать почти одинаковым во всех частях, но частицы продолжают двигаться.

6. Почему в твёрдом теле диффузия обычно медленнее?

Частицы преимущественно колеблются около своих положений, а переходы из одного положения в другое происходят редко.

7. Как справедливо сравнить влияние температуры?

Сохранить одинаковыми вещества, их количество, сосуды и способ начала опыта, изменив температуру. Дополнительно учитывать течения и случайное перемешивание.

8. Всегда ли красивые струи краски показывают чистую диффузию?

Нет. Они могут быть связаны с движением самой воды. Диффузия и перенос потоком способны происходить одновременно.

Учителю: как провести урок

Цель: ученики объясняют броуновское движение и диффузию через тепловое движение частиц, различают молекулу и наблюдаемую взвешенную частицу, отделяют диффузию от переноса потоком.

1. 5 минут — вопрос о запахе. Предложите представить мандарин в совершенно неподвижном воздухе. Соберите гипотезы и вернитесь к ним в конце урока.
2. 8 минут — броуновское движение. Используйте фотографию микроскопа и схему случайного пути. Попросите назвать, что обозначает большая точка и чего на схеме не видно.
3. 10 минут — диффузия. Уберите перегородку в интерактивной модели. Обсудите движение в обоих направлениях, сохранение числа частиц и продолжение движения после смешивания.
4. 8 минут — среды и температура. Сравните газы, жидкости и твёрдые тела. Объясните, почему у модели нет реальной шкалы времени и почему нельзя назначать общую скорость всем веществам.
5. 7 минут — наблюдение и его ограничения. Обсудите, чем диффузия отличается от потока. Если показываете воду с пищевым красителем, не называйте все видимые струи «чистой диффузией».
6. 7 минут — самопроверка. Пройдите три утверждения и попросите каждого сформулировать одно объяснение своими словами.

Если есть микроскоп

Для наблюдения можно использовать очень разбавленную смесь молока с водой. Подготовьте препарат заранее и проверьте, что прибор позволяет различать мелкие капельки. Важно отличать их случайные смещения от общего дрейфа всего поля из-за течения или движения препарата.

Что проверить в ответах

• Ученик не называет броуновскую частицу одной молекулой.
• Не объясняет диффузию только ветром, нагревом или перемешиванием.
• Понимает, что после смешивания тепловое движение продолжается.
• Называет условия корректного сравнения двух опытов.

Два ролика на странице урока показывают оба наблюдения; все основные объяснения и задания доступны и без них. Для четырёх 3D-сцен пока предусмотрены только кнопки и превью.