Номер 43, страница 11 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Первоначальные сведения о строении вещества. Строение вещества. Агрегатные состояния вещества - номер 43, страница 11.

Условие.

► 43. Поместите на поверхность воды каплю маслянистой жидкости. Пронаблюдайте, что происходит с каплей. Может ли капля беспредельно растекаться по поверхности воды? Может ли толщина такой плёнки стать как угодно малой? Позволяет ли опыт оценить размеры отдельной молекулы? Какие данные для этого необходимы?

Решение.

Поместите на поверхность воды каплю маслянистой жидкости. Пронаблюдайте, что происходит с каплей.
Если поместить каплю маслянистой жидкости (например, оливкового масла) на поверхность воды, она не останется в форме капли. Вместо этого она начнет быстро растекаться, образуя на поверхности воды очень тонкую пленку. Эта пленка может иметь радужную окраску из-за интерференции света в тонких пленках. Растекание происходит потому, что силы притяжения между молекулами масла и воды (силы адгезии) в данном случае способствуют растеканию, а также из-за того, что система стремится к минимуму поверхностной энергии, что достигается при покрытии поверхности воды маслом, имеющим меньший коэффициент поверхностного натяжения.

Ответ: Капля маслянистой жидкости растекается по поверхности воды, образуя тонкую пленку.

Может ли капля беспредельно растекаться по поверхности воды?
Нет, капля не может растекаться беспредельно. Процесс растекания прекратится, когда толщина масляной пленки достигнет минимально возможного значения. Этот предел связан с дискретным строением вещества, то есть с тем, что масло состоит из отдельных молекул. Растекание остановится, когда пленка станет настолько тонкой, что ее толщина будет равна размеру одной молекулы масла (так называемый мономолекулярный слой). Дальнейшее уменьшение толщины невозможно без разрыва пленки, так как для этого потребовалось бы "разорвать" сами молекулы.

Ответ: Нет, растекание ограничено размерами молекул жидкости.

Может ли толщина такой плёнки стать как угодно малой?
Нет, толщина пленки не может стать как угодно малой. Существует минимальная толщина, которая определяется размером одной молекулы маслянистой жидкости. Когда масло растекается до слоя толщиной в одну молекулу, дальнейшее растекание (и, следовательно, уменьшение толщины) прекращается. Это является одним из фундаментальных доказательств молекулярного строения вещества.

Ответ: Нет, минимальная толщина пленки равна размеру одной молекулы.

Позволяет ли опыт оценить размеры отдельной молекулы?
Да, этот опыт является классическим методом для оценки линейных размеров молекул (их диаметра или длины). Если предположить, что в момент прекращения растекания масляная пленка представляет собой мономолекулярный слой (слой толщиной в одну молекулу), то толщина этой пленки и будет примерной оценкой размера молекулы.

Ответ: Да, позволяет.

Какие данные для этого необходимы?
Для оценки размеров молекулы с помощью данного опыта необходимо провести измерения и использовать следующие данные.

Дано:

$\text{V}$ - объем капли маслянистой жидкости, м³
$\text{S}$ - площадь масляной пленки на поверхности воды, м²

Найти:

$\text{d}$ - диаметр (размер) молекулы, м

Решение:

Будем считать, что после растекания капля образует на поверхности воды тонкую пленку в форме цилиндра, высота которого $\text{d}$ равна диаметру одной молекулы, а площадь основания равна $\text{S}$. Объем такого цилиндра равен произведению площади его основания на высоту: $V = S \cdot d$ Из этой формулы мы можем выразить высоту цилиндра $\text{d}$, которая и будет являться оценкой размера молекулы: $d = \frac{V}{S}$ Чтобы провести расчет, необходимо экспериментально определить объем капли $\text{V}$ и площадь пленки $\text{S}$. Объем капли можно найти, зная объем, который занимает большое количество капель (например, измерив объем 100 капель с помощью пипетки и разделив на 100), или рассчитав по диаметру капли, приняв ее за шар. Площадь пленки можно измерить, насыпав на поверхность воды тонкий порошок (например, тальк), который будет отодвинут растекающимся маслом, очертив границы пятна. Затем, измерив диаметр пятна, можно рассчитать его площадь, считая его кругом.

Ответ: Для оценки размера молекулы необходимы данные об объеме капли маслянистой жидкости ($\text{V}$) и площади пятна ($\text{S}$), которое она образует на поверхности воды.