Оценка скорости диффузии, страница 72, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 2. Строение вещества. Параграф 19. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 72.

Условие.

Практические работы-исследования
Простые опыты из мира молекулярных движений

Молекул чрезвычайно много, они очень малы и находятся в состоянии непрерывного движения. Увидеть молекулы непосредственно можно только с помощью специальных приборов — электронных микроскопов или ионных проекторов. Вместе с тем существование мира молекулярных движений можно обнаружить с помощью простых и доступных опытов.

ОЦЕНКА СКОРОСТИ ДИФФУЗИИ МОЛЕКУЛ. При диффузии молекулы одного вещества проникают между молекулами другого вещества. Этот процесс в одних веществах протекает быстрее, в других — медленнее.

Цель работы

Оценить скорость диффузии молекул.

Помощник

• В качестве оборудования можно использовать высокий стакан или мензурку, линейку, часы, воронку с длинным носиком, холодную и тёплую воду, порошок медного купороса, кристаллики перманганата калия.

• На дно мензурки насыпьте порошок медного купороса. Поставьте в сосуд воронку так, чтобы конец воронки касался дна сосуда. Осторожно налейте через воронку воду в сосуд. Зафиксируйте границу раздела сильно окрашенного раствора медного купороса (внизу) и воды (вверху). Отметьте дату и время начала эксперимента.

• Ежедневно измеряйте, на сколько миллиметров размывается и смещается граница раствора медного купороса и воды, т. е. на какое расстояние молекулы медного купороса проникают в воду. Для полного растворения медного купороса потребуется до 14 дней.

• Постройте график зависимости смещения границы раствора и воды от времени.

• Сделайте выводы.

Решение.

Цель работы

Оценить скорость диффузии молекул, наблюдая за взаимным проникновением молекул медного купороса ($CuSO_4$) и воды ($H_2O$).

Ответ: В ходе выполнения работы была оценена скорость диффузии молекул медного купороса в воде на основе измерения смещения границы раздела двух жидкостей за определенный промежуток времени.

Ход работы и результаты

1. В высокий стеклянный сосуд (мензурку) на дно был насыпан порошок медного купороса. С помощью воронки с длинным носиком, конец которой касался дна, была осторожно налита вода, чтобы не перемешать слои. В результате внизу сосуда образовался насыщенный раствор медного купороса синего цвета, а сверху остался слой чистой воды. Была зафиксирована начальная четкая граница раздела между окрашенным раствором и водой, а также отмечены дата и время начала эксперимента.

2. Наблюдение за сосудом велось в течение нескольких дней. Ежедневно с помощью линейки измерялось, на какое расстояние сместилась и размылась граница раздела. Это смещение показывает, как далеко молекулы медного купороса проникли в воду благодаря диффузии. Поскольку эксперимент требует длительного времени (до 14 дней), для оценки скорости воспользуемся гипотетическими данными, полученными за 7 суток.

Предположим, что за 7 суток наблюдений было зафиксировано, что граница размытого слоя поднялась на 10 мм.

Для оценки скорости диффузии проведем расчет.

Дано

Смещение границы, $h = 10$ мм
Время, $t = 7$ суток

Перевод в систему СИ:
$h = 10 \text{ мм} = 10 \cdot 10^{-3} \text{ м} = 0.01 \text{ м}$
$t = 7 \text{ суток} = 7 \cdot 24 \text{ часа} = 168 \text{ часов} = 168 \cdot 3600 \text{ с} = 604800 \text{ с}$

Найти:

Среднюю скорость диффузии $v_{ср}$

Решение

Средняя скорость диффузии — это отношение расстояния, на которое сместилась граница, ко времени, за которое это смещение произошло.

Формула для расчета средней скорости:
$v_{ср} = \frac{h}{t}$

Подставим значения в систему СИ:
$v_{ср} = \frac{0.01 \text{ м}}{604800 \text{ с}} \approx 0.0000000165 \text{ м/с} = 1.65 \cdot 10^{-8} \text{ м/с}$

Для наглядности можно рассчитать скорость в более удобных единицах, например, в миллиметрах в сутки (мм/сутки):
$v_{ср} = \frac{10 \text{ мм}}{7 \text{ суток}} \approx 1.43 \text{ мм/сутки}$

Ответ: Средняя скорость диффузии молекул медного купороса в воде составила примерно $1.43$ мм/сутки или $1.65 \cdot 10^{-8}$ м/с.

Постройте график зависимости смещения границы раствора и воды от времени.

Для построения графика необходимо ежедневно фиксировать смещение границы $\text{h}$. На основе этих данных строится график, где по горизонтальной оси (ось абсцисс) откладывается время $\text{t}$ в сутках, а по вертикальной оси (ось ординат) — смещение $\text{h}$ в миллиметрах. Точки, соответствующие измерениям, соединяются плавной линией. График будет представлять собой возрастающую кривую. Важно отметить, что наклон кривой со временем будет уменьшаться, то есть она будет становиться более пологой. Это связано с тем, что по мере выравнивания концентрации медного купороса в объеме воды процесс диффузии замедляется.

Ответ: График зависимости смещения границы от времени является возрастающей кривой, которая показывает, что смещение увеличивается с течением времени, но скорость этого увеличения (скорость диффузии) постепенно падает.

Сделайте выводы

На основе проведенного опыта и расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Опыт наглядно демонстрирует явление диффузии — самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого, обусловленное их непрерывным и хаотическим тепловым движением.
2. Диффузия в жидкостях является очень медленным процессом. Расчетная скорость составила всего около 1.43 мм в сутки.
3. Скорость диффузии не является постоянной. Она максимальна в начале процесса, когда градиент (перепад) концентраций веществ наибольший, и уменьшается по мере выравнивания концентрации.
4. Скорость диффузии зависит от различных факторов, в частности от температуры. Если бы эксперимент проводился с теплой водой, смешение цветов происходило бы значительно быстрее, так как с ростом температуры увеличивается скорость движения молекул.

Ответ: Проведенный эксперимент подтвердил существование молекулярного движения и позволил оценить скорость диффузии, которая оказалась очень малой. Было установлено, что диффузия является следствием теплового движения молекул и ее скорость со временем уменьшается.