§10 Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах

Определения и обозначения

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их беспорядочного теплового движения. Например, молекулы запаха постепенно оказываются среди частиц воздуха. Это понятие помогает объяснить, почему вещества могут смешиваться сами, без ложки или другого внешнего воздействия.

Скорость диффузии — характеристика того, насколько быстро происходит взаимное проникновение веществ. Её сравнивают по наблюдениям: если в одном случае вещества перемешались за меньшее время, диффузия там шла быстрее. Такое сравнение помогает понять, как влияют на процесс состояние вещества и температура.

Диффузия в газах — взаимное проникновение газов, при котором их частицы распространяются по всему доступному объёму. Так частицы запаха духов постепенно смешиваются с воздухом комнаты. Это понятие показывает, что газообразные вещества могут перемешиваться даже тогда, когда их специально не перемещают.

Как это устроено

Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся. На границе соприкасающихся веществ частицы одного из них попадают в промежутки между частицами другого, а частицы второго — в промежутки первого. Поскольку движение происходит во всех направлениях, со временем вещества перемешиваются, хотя никто не перемешивает их извне.

Диффузия возможна во всех агрегатных состояниях, потому что частицы в любом веществе движутся. Но условия их движения различаются: в газах частицы могут перемещаться свободнее, в жидкостях они расположены ближе и мешают друг другу, а в твёрдых телах не могут свободно перемещаться по всему объёму. Поэтому скорость взаимного проникновения веществ неодинакова.

Когда открывают флакон духов, часть их молекул попадает в воздух. Молекулы движутся беспорядочно и сталкиваются с частицами воздуха, постепенно оказываясь всё дальше от источника запаха. В газах между частицами сравнительно большие промежутки, а сами частицы подвижны, поэтому распространение запаха происходит достаточно быстро.

Если осторожно добавить в воду растворённое вещество, его частицы постепенно распространяются среди частиц воды. Одни частицы переходят в соседние области, затем дальше, и окраска становится заметной во всё большем объёме жидкости. В жидкостях частицы расположены плотнее, чем в газах, и их движение ограничено соседями, поэтому диффузия обычно идёт медленнее.

В твёрдых телах частицы тоже движутся, но не перемещаются свободно по всему телу: они колеблются около своих положений. Поэтому взаимное проникновение веществ в твёрдом состоянии возможно, но происходит очень медленно. При повышении температуры частицы движутся интенсивнее, чаще и сильнее смещаются, и диффузия ускоряется в любом агрегатном состоянии.

Диффузия в разных агрегатных состояниях

Таблица помогает сравнить диффузию в разных средах и связать её скорость с движением и расположением частиц. Сравнивая наблюдения, проверяй, одинаковы ли условия, например температура. Повышение температуры ускоряет процесс в каждой среде.

Разбор задач

Запах духов распространяется по комнате. Объясните, почему запах со временем ощущается в разных её частях.

1. Определи, какие вещества соприкасаются: пары духов и воздух.
2. Молекулы духов беспорядочно движутся и сталкиваются с частицами воздуха. Из-за этого они постепенно оказываются в разных местах комнаты.
3. Сделай вывод: происходит диффузия газов, поэтому запах становится заметен всё дальше от источника.

Ответ: молекулы духов перемешиваются с воздухом благодаря беспорядочному тепловому движению и постепенно распространяются по комнате.

В стакан с водой осторожно добавили каплю красителя и не перемешивали. Предскажите, что будет происходить и почему.

1. В стакане соприкасаются вода и краситель, то есть частицы двух веществ могут взаимно проникать друг в друга.
2. Частицы красителя беспорядочно движутся среди частиц воды. Постепенно окраска будет распространяться от места, куда добавили каплю.
3. Сравни этот процесс с газами: в жидкости частицы расположены ближе и ограничивают движение друг друга, поэтому перемешивание идёт медленнее.

Ответ: краситель постепенно распространится по воде из-за диффузии, но медленнее, чем запах обычно распространяется в газе.

Одинаковые количества красителя добавили в два стакана воды — холодной и тёплой. В каком стакане окраска распространится быстрее? Обоснуйте ответ.

1. Сравниваем стаканы, в которых отличается температура воды.
2. В тёплой воде частицы движутся интенсивнее, чем в холодной. Поэтому частицы красителя и воды быстрее взаимно проникают друг в друга.
3. Значит, при прочих одинаковых условиях окраска быстрее распространится там, где вода теплее.

Ответ: в стакане с тёплой водой, потому что при повышении температуры диффузия ускоряется.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что диффузия происходит только в газах. Так можно подумать из-за быстрого распространения запахов, но взаимное проникновение частиц происходит также в жидкостях и твёрдых телах. Проверь себя: если частицы веществ соприкасаются и движутся, диффузия возможна, хотя её скорость будет разной.

Ошибка — представлять, будто частицы намеренно направляются к другому веществу. Частицы движутся беспорядочно, а общее перемешивание возникает из-за множества таких движений. Для проверки вспомни: у частиц нет цели или намерения, и они могут двигаться в разных направлениях.

Ошибка — думать, что при диффузии частицы исчезают или становятся частицами другого вещества. В действительности вещества сохраняются, а их частицы лишь перемешиваются. Проверь себя: после процесса в смеси присутствуют частицы обоих исходных веществ.

Ошибка — считать, что нагревание замедляет диффузию. При повышении температуры тепловое движение становится интенсивнее, поэтому взаимное проникновение частиц ускоряется. Чтобы проверить вывод, сравни окрашивание красителя в холодной и тёплой воде при прочих одинаковых условиях.

Связь с другими темами

Для понимания диффузии нужно знать, что вещества состоят из частиц и эти частицы непрерывно беспорядочно движутся. Это представление помогает объяснять перемешивание веществ в природе и быту, растворение и распространение запахов. Оно также пригодится при изучении температуры, агрегатных состояний и тепловых явлений, потому что движение частиц связано с нагреванием и изменением состояния вещества.

Что запомнить

• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ.
• Причина диффузии — беспорядочное тепловое движение частиц.
• Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• В газах диффузия обычно идёт быстрее, чем в жидкостях.
• В твёрдых телах диффузия протекает особенно медленно.
• При повышении температуры диффузия ускоряется.