диффузия

1
Урок № 1
Тема урока: Основы молекулярно-кинетической теории и её опытное
обоснование. Броуновское движение.
Цель: Познакомиться с основными положениями молекулярнокинетической теории и её опытным обоснованием, сформировать молекулярные представления о строении вещества, объяснить явление диффузии, броуновского движения, осмоса.
План изучения нового материала
1. Определение молекулярной физики.
2. Определение макроскопических и микроскопических тел.
3. Определение молекулы и атома.
4. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ).
5. Тепловое движение молекул вещества.
6. Опытное обоснование МКТ:
а) Явление диффузии (определение, причины возникновения, свойства,
примеры проявления).
б) Броуновское движение (определение, объяснение, примеры проявления).
в) Явление осмоса (определение, объяснение, примеры проявления).
г) Современные методы исследования атомов и молекул.
Роль МКТ в природе, технике
1. Питание растений из почвы.
2. В организмах человека и животных всасывание питательных веществ
происходит через стенки пищеварения.
3. Цементация.
Изучение нового материала
Молекулярная физика – раздел физики, изучающий физические свойства
тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Методы молекулярной физики связаны с изучением движения и
взаимодействия атомов, молекул и ионов, составляющих тела.
Макроскопические тела состоят из огромного числа атомов и молекул.
Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов и молекул.
Микроскопические тела состоят из небольшого числа атомов и молекул.
Размеры микроскопических тел соизмеримы с размерами атомов и молекул.
2
Атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы. Самая маленькая
молекула – одноатомная молекула гелия имеет размеры приблизительно
2∙
−10
−10
10 м = 0,2 нм; размеры молекулы воды: 3 ∙ 10 м = 0,3 нм.
Рисунок 1 Молекулы воды
3
Тепловое движение – это беспорядочное (хаотическое) движение атомов, молекул, электронов, ионов, из которых состоят все тела. Понятие теплового движения не применимо к системам состоящих из нескольких молекул.
Хаотическое движение огромного числа молекул отличается от упорядоченного
механического движения макротел. Тепловое движение обуславливает внутренние свойства тел и физические процессы, протекающие в телах.
Опытное обоснование МКТ
Диффузия
Диффузия – (от лат. diffusio — распространение, растекание) явление, при
котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества вследствие теплового движения
частиц вещества.
4
Рисунок 2 Модель явления диффузии (смешивания двух веществ)
Причина диффузии: молекулы движутся непрерывно и хаотично.
Свойства диффузии: диффузия происходит
а) в газах (распространение запахов, ароматов)
Рисунок 3 Распространение ароматов
б) в жидкостях (смешивание красок, растворение сахара, соли в воде)
Рисунок 4 Диффузия в жидкости. Растворение кристалликов перманганата калия в воде.
в) в твёрдых телах. На золотую пластину поставили свинцовый цилиндр с
очищенным от оксидов основанием при t = 20 Co. Через 5 лет свинцовый
5
цилиндр спаялся с золотой пластинкой: небольшое количество золота
проникло в свинец (свинца в золото) на глубину приблизительно 5 мм.
Рисунок 5 Диффузия в твёрдых телах
Диффузия происходит быстрее в газах, медленнее в жидкостях и очень медленно в твёрдых телах (объясняется тепловым движением молекул в разных агрегатных состояниях вещества), зависит от температуры, чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.
Примеры: сварка и пайка металлов, диффузионная сварка в вакууме (можно
соединять детали из разных сплавов, и даже металлические детали с керамическими), склеивание поверхностей, поверхностная термохимическая обработка
металлов и сплавов (озонирование стала – насыщение поверхности стали азотом), цементация – насыщение стальных изделий углеродом для повышения из
прочности, окрашивание тканей, приготовление пищи (добавление сахара, соли
и т. д.). Без диффузии жизнь была бы невозможна: насыщение крови кислородом и выведения вредных веществ из организма.
«Вредная» диффузия
Диффузия бывает вредным и даже опасным явлением. Природный горючий
газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета,
ни запаха, поэтому трудно сразу заметить его утечку. А при утечке за счёт
диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь,
которая может взорваться, например, от зажжённой спички. Газ может вызвать
и отравление людей.
Броуновское движение
Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в жидкости или
газе частиц.
6
Рисунок 6 Модель хаотичного движения броуновской частицы
Броуновское движение – непрерывное движение. Впервые наблюдал английский ботаник Р. Броун (1773-1858) в 1827 г. Причина: удары молекул жидкости или газа о частицу не компенсируют друг друга. При беспорядочном
движении молекул, передаваемые ими броуновской частице импульсы не одинаковы. Скорость такого движения зависит от температуры: чем больше температура, тем быстрее движутся молекулы. Ж. Перрен (1870-1942) провёл эксперименты по изучению броуновского движения (рис. 6). МКТ броуновского
движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном.
Примеры: движение электронов создаёт электро- и радиопомехи, его учитывают при создании высокочастотных измерительных приборов, стрелки которых повержены воздействию молекул воздуха).
Осмос
Осмос – явление взаимного проникновения веществ сквозь пористые перегородки (проявление диффузии).
Рисунок 7 Механизм протекания осмоса
Впервые осмос наблюдал Ж. А. Нолле в 1748, однако исследование этого
явления было начато спустя столетие.
Примеры: явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов, участвует в переносе веществ в стволах высоких деревьев, где капил-
7
лярного давления недостаточно для подъема жидкости на большие высоты. В
лёгких кислород из воздуха поступает в кровь путём диффузии через стенки
альвеол, а затем, растворяясь в крови, разносится по всему организму. Пища
переваривается в желудке и кишечнике в растворимое состояние, и нужные организму вещества диффундируют внутрь клеток. Путём диффузии продукты
жизнедеятельности клетки выводятся в окружающую среду, осуществляется
питание кремом кожи.
Современные методы исследования атомов и молекул
Исследования молекулярного и атомарного строения вещества с помощью электронного (1974 г.) и ионного микроскопа, рентгеноструктурный анализ вещества.
Выводы: молекулярное и атомарное строение вещества подтверждается
явлениями диффузии, осмоса, броуновским движением.
Домашнее задание
Задания для самостоятельной работы
1.
Прочитать § 1, 2 [1]; § 39 [2]; § 18 [3]
2. Ответить на вопросы:
а) Какие явления называются тепловыми? Приведите примеры.
б) В чём сущность МКТ? Сформулируйте её основные положения.
в) Приведите примеры, показывающие делимость вещества.
г) Какие прямые и косвенные доказательства достоверности атомномолекулярного учения о строении вещества вам известны?
д) Какие эксперименты и теоретические расчёты окончательно утвердили победу молекулярной физики? Когда это произошло?
е) Чем объясняется явление диффузии?
ж) Что общего между рисунком с игроками на футбольном поле и явлением диффузии?
з) Почему диффузия в газах происходит намного быстрее, чем в жидкостях?
и) В чём заключена сущность броуновского движения?
к) Почему броуновское движение не наблюдается у больших частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе?
8
л) Какие свойства молекул обусловливают смешивания веществ?
м) Могло бы оно происходить, если бы молекулы были неподвижны, и
между ними не было промежутков?
3.
Решить качественные задачи:
а) Почему водород и гелий способны «испаряться» даже из герметически
закрытых ёмкостей?
б)
Во время диффузионного сваривания детали прижимают одну к другой, нагревают до определённой температуры и выдерживают
некоторое время. Какую (приблизительно) температуру надо поддерживать во время сварки?
в) Чтобы огурцы продолжительное время оставались малосольными,
рассол с огурцами надо хранить в холодильнике?
г) Кальмар при нападении на него выбрасывает темно-синюю защитную
жидкость. Почему через некоторое время пространство, заполненное
этой жидкостью, даже в спокойной воде, становиться прозрачным?
4.
а)



б)
Выполнить экспериментальные задания.
Объяснить явление диффузии с помощью модели:
В прозрачный стакан насыпать не доверху горох.
Досыпать в стакан с горохом пшено.
Слегка встряхнуть стакан.
Растворить в прозрачных кружках в первой в горячей воде, во второй
в холодной воде порошок растворимого кофе. Объяснить происходящие явления.
Рисунок 8 Растворение порошка кофе в воде
в) определение зависимости скорости протекания осмоса, от рода растворяемого вещества.
9
Ход работы:
1. Вырежете три одинаковых кубика картофеля с ребром 2 см.
2. Первый поместите в пресную воду, второй – 1%-ный солевой раствор и третий – 35%-ный солевой раствор при одинаковой температуре.
3. Результаты измерений заносите в таблицу
Размер кубиков картофеля
Измерение
Время
Пресная
измерения, мин
вода, [см]
1
10
2
20
3
30
4
40
Сделать вывод.
Соленый раствор (1%),[см]
Соленый раствор
(35%),[см]