§ 4. Движение молекул. Диффузия

Определения и обозначения

Молекулярное движение — непрерывное движение молекул, из которых состоит вещество. Оно не прекращается, даже если предмет неподвижен и его положение не меняется. Это понятие помогает отличать покой тела целиком от движения его частиц.

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества, связанное с его температурой. Частицы перемещаются или колеблются, сталкиваясь друг с другом. Понятие нужно, чтобы объяснять тепловые явления и то, как вещества смешиваются без видимого перемешивания.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Например, частицы красителя постепенно распространяются в воде. Это понятие объясняет, почему вещества могут смешиваться сами по себе.

Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Его можно наблюдать как движение частиц, хотя сами молекулы окружающей среды не видны. Оно помогает обнаружить действие движущихся молекул на более крупные частицы.

Как это устроено

Молекулы движутся непрерывно, потому что частицы вещества находятся в постоянном тепловом движении. В газе они свободно перемещаются, а в жидкости меняют соседей; в твёрдом теле обычно колеблются около определённых положений. Поэтому покой стола означает лишь, что стол как целое не перемещается, но не означает неподвижности его молекул. Движения множества частиц направлены беспорядочно и не сдвигают тело целиком в одну сторону.

Диффузия начинается, когда рядом оказываются частицы разных веществ. Из-за беспорядочного движения одни частицы проходят между другими, а затем продолжают перемещаться и сталкиваться. В итоге частицы каждого вещества оказываются распределены по большему объёму, и вещества постепенно смешиваются. Процесс идёт и без помешивания: внешнее движение может ускорить смешивание, но для диффузии достаточно теплового движения частиц.

Броуновское движение наблюдают, например, у маленьких частиц, взвешенных в воде. Они движутся неровно и меняют направление, потому что молекулы воды сталкиваются с ними с разных сторон. Удары не всегда одинаковы по числу и силе, поэтому частица получает меняющиеся толчки. Хотя молекулы воды нельзя увидеть, их воздействие на более крупную частицу становится заметным и подтверждает, что молекулы движутся.

Скорость диффузии зависит от того, насколько свободно перемещаются частицы. В газах частицы подвижны, поэтому вещества обычно смешиваются быстрее всего; в жидкостях они движутся менее свободно, а в твёрдых телах преимущественно колеблются около своих мест. Поэтому в жидкостях диффузия медленнее, чем в газах, а в твёрдых телах — обычно медленнее, чем в жидкостях. Она всё же возможна в любом агрегатном состоянии, хотя в твёрдом теле заметный результат может появиться не скоро.

При нагревании средняя скорость теплового движения молекул увеличивается. Частицы чаще и быстрее перемещаются на новые места, поэтому вещества быстрее проникают друг в друга. Так, запах в тёплом воздухе обычно распространяется быстрее, чем в холодном. Нагревание не создаёт диффузию с нуля: оно ускоряет процесс, основанный на движении молекул.

Диффузия в разных агрегатных состояниях

Таблица помогает сопоставить проявления диффузии и скорость перемешивания в разных средах. Сравнивая строки, помни: речь идёт об обычных условиях, а скорость зависит также от температуры и свойств веществ. Общая закономерность связана с подвижностью частиц.

Разбор задач

Краситель в воде

Каплю красителя внесли в стакан с водой. Нужно объяснить, почему со временем окрашивается весь объём, хотя воду не перемешивают. Здесь важно проследить, как частицы красителя и воды движутся на уровне молекул.

1. Частицы красителя распределены сначала неравномерно: их много возле капли и мало вдали от неё.
2. Молекулы воды и частицы красителя непрерывно движутся беспорядочно, поэтому частицы красителя перемещаются между частицами воды.
3. Постепенно краситель распространяется по всему стакану. Это диффузия; перемешивание ложкой может ускорить процесс, но не является его причиной.

Ответ: вода окрашивается из-за теплового движения частиц и диффузии. Частицы красителя постепенно проникают между частицами воды и распределяются по объёму. При этом не требуется, чтобы каждую частицу кто-то направленно перемещал.

Запах в холодном и тёплом сосуде

В двух сосудах смешивают одинаковые количества пахучего газа: один холодный, другой тёплый. Нужно определить, где запах распространится быстрее. Количество газа одинаково, поэтому сравниваем влияние температуры на движение молекул.

1. В тёплом сосуде температура выше, а значит, молекулы в среднем движутся быстрее.
2. Быстрее движущиеся молекулы чаще оказываются в новых местах и быстрее распространяются среди частиц воздуха.
3. В холодном сосуде молекулярное движение медленнее, поэтому диффузия обычно идёт медленнее.

Ответ: быстрее запах распространится в тёплом сосуде. Причина — более интенсивное тепловое движение молекул и ускоренная диффузия. Нагревание не меняет саму причину процесса, а влияет на его скорость.

Смешивание в газе, жидкости и твёрдом теле

Сравните скорость перемешивания веществ при их соприкосновении в газе, жидкости и твёрдом теле. Для ответа нужно учесть, насколько свободно частицы могут перемещаться. Предполагается, что прочие условия, в том числе температура, одинаковы.

1. В газе частицы свободно перемещаются, поэтому диффузия обычно происходит быстрее всего.
2. В жидкости частицы тоже движутся, но их перемещения ограничены сильнее, поэтому смешивание идёт медленнее, чем в газе.
3. В твёрдом теле частицы в основном колеблются около своих положений, поэтому взаимное проникновение веществ обычно самое медленное.

Ответ: порядок скорости такой: газ, затем жидкость, затем твёрдое тело. Он объясняется уменьшением подвижности частиц. Диффузия в твёрдых телах не исчезает, а просто обычно требует гораздо больше времени.

Типичные ошибки

Ошибка: считать молекулы неподвижными, если тело покоится. Так кажется, потому что мы не замечаем движения невидимых частиц и видим неподвижный предмет. Проверь себя: различай движение тела целиком и движение его молекул — первое может отсутствовать, а второе продолжается.

Ошибка: путать диффузию с перемешиванием только из-за внешнего воздействия. Такое представление возникает, когда в примере воду мешают ложкой, и кажется, что без неё частицы не смешаются. Проверь себя: вспомни распространение запаха или красителя без помешивания — там смешивание обеспечивает беспорядочное движение частиц.

Ошибка: считать, что диффузия в твёрдых телах невозможна. Обычно её не замечают быстро, потому что она идёт намного медленнее, чем в газе и жидкости. Проверь себя: медленный процесс не равен отсутствию процесса; частицы твёрдого тела движутся, поэтому взаимное проникновение возможно.

Ошибка: думать, что нагревание само создаёт диффузию. Это впечатление может появиться, если сравнивать только горячий и холодный образцы. Проверь себя: движение молекул есть и без нагревания, а повышение температуры лишь усиливает тепловое движение и обычно ускоряет диффузию.

Связь с другими темами

Чтобы понять эту тему, нужно знать, что все вещества состоят из частиц, а температура характеризует тепловое состояние тела. Связь этих идей позволяет объяснить движение молекул и влияние нагревания на диффузию. Позже представление о строении вещества поможет разбирать другие тепловые явления и объяснять смешивание веществ в природе и технике. Например, диффузия важна при распространении запахов и при взаимодействии веществ.

Что запомнить

• Молекулы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• Тепловое движение происходит во всех агрегатных состояниях вещества.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц разных веществ.
• Диффузия свидетельствует о движении молекул.
• В газах диффузия обычно происходит быстрее, чем в жидкостях и твёрдых телах.
• При повышении температуры диффузия обычно ускоряется.