Страница 34 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какое явление называют диффузией?

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В основе этого явления лежит хаотическое тепловое движение частиц вещества (атомов, молекул, ионов).

Этот процесс наблюдается во всех агрегатных состояниях: в газах, жидкостях и твёрдых телах. Однако скорость диффузии существенно зависит от состояния вещества.

• В газах диффузия протекает наиболее быстро, так как молекулы имеют большие скорости и значительные расстояния между ними, что позволяет им свободно перемещаться. Классический пример — распространение запаха духов или дыма в воздухе.
• В жидкостях частицы расположены ближе друг к другу, и их движение более ограничено, поэтому диффузия происходит медленнее, чем в газах. Пример: растворение капли чернил или кристаллика марганцовки в стакане с водой.
• В твёрдых телах диффузия протекает крайне медленно. Частицы (атомы) совершают колебания около положений равновесия в кристаллической решётке и лишь изредка могут перемещаться на соседние вакантные места. Пример: если гладко отполированные пластины свинца и золота плотно прижать друг к другу, то через несколько лет можно обнаружить, что атомы золота проникли в свинец, а атомы свинца — в золото на глубину нескольких микрон.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:

• Температура: С повышением температуры средняя кинетическая энергия частиц увеличивается, они начинают двигаться быстрее, что приводит к ускорению процесса диффузии.
• Агрегатное состояние: Как указано выше, диффузия быстрее всего в газах, медленнее в жидкостях и очень медленно в твёрдых телах.
• Масса частиц: Более лёгкие частицы движутся быстрее и, следовательно, диффундируют быстрее, чем тяжёлые (при одинаковой температуре).
• Градиент концентрации: Чем больше разница в концентрациях между двумя областями, тем выше скорость диффузии.

Математически диффузионный поток в простейшем одномерном случае описывается первым законом Фика:

$J = -D \frac{dc}{dx}$

где $J$ — плотность диффузионного потока (количество вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени), $D$ — коэффициент диффузии (характеризует скорость протекания процесса), а $\frac{dc}{dx}$ — градиент концентрации. Знак минус указывает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Диффузия играет важнейшую роль в природе и технике, например, в процессах дыхания и питания живых организмов, при обмене веществ, а также в различных технологических процессах, таких как сварка, пайка, цементация стали и производство полупроводников.

Ответ: Диффузией называют явление самопроизвольного взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, обусловленное их непрерывным хаотическим тепловым движением, которое приводит к выравниванию концентрации по всему объёму.

2. Опираясь на знания о строении вещества, объясните (см. рис. 27), как происходит диффузия в жидкостях.

Какое явление называют диффузией?

Диффузией называют процесс самопроизвольного взаимного проникновения частиц одного вещества в межмолекулярные (или межатомные) промежутки другого. Этот процесс является прямым следствием непрерывного и хаотического теплового движения частиц (молекул, атомов, ионов), из которых состоят все вещества. В результате диффузии, если два вещества привести в контакт, со временем происходит их перемешивание, приводящее к выравниванию концентрации по всему занимаемому объему. Это явление наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах.

Ответ: Диффузией называют явление взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого, обусловленное их непрерывным и хаотическим тепловым движением.

2. Опираясь на знания о строении вещества, объясните (см. рис. 27), как происходит диффузия в жидкостях.

В соответствии с положениями молекулярно-кинетической теории, жидкости, как и другие вещества, состоят из молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом. В отличие от твердых тел, молекулы в жидкостях не имеют строгой упорядоченной структуры и могут перемещаться по всему объему. Между молекулами существуют промежутки. Когда две жидкости соприкасаются, их молекулы, благодаря своему непрерывному движению, начинают проникать в промежутки между молекулами соседней жидкости. Например, если в стакан с водой капнуть чернила, то молекулы чернил начнут двигаться и проникать в пространство между молекулами воды, а молекулы воды, в свою очередь, будут проникать в объем, занимаемый чернилами. Этот взаимный процесс продолжается до тех пор, пока молекулы обоих веществ не распределятся равномерно по всему объему, и жидкость не окрасится однородно.

Ответ: Диффузия в жидкостях объясняется тем, что подвижные молекулы одной жидкости, находясь в непрерывном тепловом движении, проникают в межмолекулярные промежутки другой жидкости, что приводит к их взаимному перемешиванию.

3. От чего зависит скорость диффузии?

Скорость, с которой протекает процесс диффузии, зависит от нескольких ключевых факторов:

• Температура: С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц, и они начинают двигаться быстрее. Это приводит к значительному ускорению процесса диффузии. Например, сахар в горячем чае растворяется намного быстрее, чем в холодном.
• Агрегатное состояние вещества: Скорость диффузии максимальна в газах, так как их частицы движутся с большими скоростями и находятся на больших расстояниях друг от друга. В жидкостях диффузия происходит медленнее из-за большей плотности и более частых столкновений частиц. В твердых телах этот процесс протекает крайне медленно, так как подвижность атомов или молекул сильно ограничена их положением в кристаллической решетке.
• Род вещества: Размер и масса частиц также играют роль. Как правило, более легкие и мелкие частицы диффундируют быстрее, чем тяжелые и крупные.
• Внешнее воздействие: Перемешивание, вибрация или повышение давления (в газах) также могут влиять на скорость диффузии.

Ответ: Скорость диффузии зависит главным образом от температуры, агрегатного состояния и рода взаимодействующих веществ.

4. Приведите примеры.

Диффузия — это явление, которое мы постоянно наблюдаем вокруг себя:

• В быту: распространение запаха кофе или духов по комнате; заваривание чая в горячей воде; растворение соли или сахара; засолка огурцов или рыбы, когда молекулы соли проникают в продукт.
• В природе: дыхание человека и животных (кислород из легких диффундирует в кровь, а углекислый газ — из крови в легкие); питание растений (минеральные вещества из почвенного раствора проникают в корни); насыщение водоемов кислородом из атмосферы.
• В технике: цементация (науглероживание) стальных деталей для увеличения их поверхностной твердости; диффузионная сварка металлов; изготовление полупроводниковых приборов (например, диодов и транзисторов) путем введения примесей в кристалл кремния.

Ответ: Примерами диффузии являются распространение запахов в воздухе, растворение сахара в воде, засолка овощей, дыхание живых организмов.

3. От чего зависит скорость диффузии?

Скорость диффузии — это процесс взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого, который происходит вследствие хаотического теплового движения частиц. Скорость этого процесса зависит от нескольких ключевых факторов:

Температура

С повышением температуры увеличивается средняя кинетическая энергия частиц (атомов, молекул). В результате они начинают двигаться быстрее, что приводит к ускорению процесса диффузии. Классический пример — сахар или соль растворяются в горячей воде значительно быстрее, чем в холодной. В общем случае, коэффициент диффузии $D$ прямо пропорционален абсолютной температуре $T$.

Агрегатное состояние вещества

Скорость диффузии сильно зависит от того, в каком состоянии находятся вещества — газообразном, жидком или твердом. В газах диффузия протекает наиболее быстро, так как молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, слабо взаимодействуют и обладают высокой подвижностью. В жидкостях частицы расположены плотнее, и их движение более ограничено, поэтому диффузия здесь происходит медленнее, чем в газах. В твердых телах диффузия протекает крайне медленно. Частицы в основном совершают колебания около фиксированных положений в кристаллической решетке, и их перемещение на значительные расстояния затруднено. Этот процесс становится заметным лишь при высоких температурах и в течение длительного времени.

Свойства диффундирующих веществ и среды

Скорость диффузии зависит от массы и размера самих частиц. Частицы с меньшей массой и меньшими размерами при одной и той же температуре движутся быстрее, а значит, и диффундируют быстрее. Например, легкий газ водород будет диффундировать в воздухе быстрее, чем более тяжелый углекислый газ. Также на скорость влияет свойство среды, в которой происходит диффузия, например, ее вязкость. В более вязкой среде (как мед или глицерин) диффузия будет идти медленнее, чем в менее вязкой (как вода).

Градиент концентрации

Диффузия — это самопроизвольный процесс, направленный на выравнивание концентрации вещества во всем занимаемом объеме. Процесс идет из области с высокой концентрацией в область с низкой. Чем больше разница (градиент) концентраций между двумя областями, тем интенсивнее происходит перенос вещества, и, следовательно, тем выше скорость диффузии. По мере выравнивания концентрации скорость процесса снижается.

Внешние воздействия

Любые внешние воздействия, такие как механическое перемешивание, конвекция (перенос вещества потоками жидкости или газа), вибрация, значительно ускоряют процесс смешивания веществ. Хотя это уже не является диффузией в чистом виде, на макроуровне это приводит к быстрому распределению вещества в объеме.

Ответ: Скорость диффузии зависит от: температуры (растет с повышением температуры), агрегатного состояния (максимальна в газах, минимальна в твердых телах), свойств самих частиц (легкие и маленькие частицы диффундируют быстрее), градиента концентрации (чем он выше, тем быстрее идет процесс) и внешних воздействий (перемешивание ускоряет процесс).

4. Приведите примеры диффузии в природе.

Скорость диффузии — это интенсивность процесса взаимного проникновения молекул одного вещества в другое. Она зависит от нескольких основных факторов:

• Температура: С ростом температуры увеличивается средняя кинетическая энергия и скорость движения частиц (атомов, молекул, ионов). Чем быстрее движутся частицы, тем активнее они перемешиваются. Поэтому в горячей воде диффузия происходит значительно быстрее, чем в холодной.
• Агрегатное состояние вещества: Скорость диффузии сильно различается для разных состояний вещества.
  • В газах диффузия протекает быстрее всего, так как молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и слабо взаимодействуют, что позволяет им свободно перемещаться.
  • В жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах. Молекулы расположены плотнее, и их движение затруднено постоянными столкновениями с соседями.
  • В твердых телах диффузия протекает крайне медленно, поскольку атомы и молекулы прочно связаны в кристаллической решетке и могут совершать лишь колебательные движения около своих положений равновесия.
• Масса и размер частиц: Легкие и маленькие частицы при одной и той же температуре движутся быстрее тяжелых и крупных. Следовательно, вещества с меньшей молярной массой диффундируют быстрее.
• Свойства среды и взаимодействующих веществ: Вязкость среды замедляет диффузию. Например, в мёде диффузия будет идти медленнее, чем в воде. Также на скорость влияет характер взаимодействия между частицами диффундирующих веществ.

Ответ: Скорость диффузии зависит от температуры, агрегатного состояния вещества, массы (размера) диффундирующих частиц и свойств среды.

4. Диффузия является одним из важнейших явлений, обеспечивающих жизнедеятельность и различные процессы в природе. Вот несколько примеров:

• Дыхание живых организмов: В легких человека и животных кислород из воздуха путем диффузии проникает через стенки альвеол в кровь, а углекислый газ диффундирует из крови в легкие. Далее кислород из крови таким же образом поступает в клетки организма.
• Питание растений: Растения поглощают воду и растворенные в ней минеральные соли из почвы благодаря диффузии через мембраны клеток корня. Газообмен (поглощение $CO_2$ и выделение $O_2$) в листьях также происходит за счет диффузии через устьица.
• Насыщение водоемов кислородом: Кислород из атмосферы растворяется в воде озер, рек и океанов, обеспечивая возможность дыхания для водных обитателей. Этот процесс также является диффузией.
• Распространение запахов: Ароматы цветов, запахи животных (в том числе феромоны) распространяются в воздухе именно благодаря диффузии — хаотичному движению и перемешиванию молекул пахучих веществ с молекулами воздуха.
• Естественное засоление почв и морей: Минеральные соли из горных пород постепенно растворяются в воде и с помощью диффузии проникают в почву и грунтовые воды, которые затем несут их в реки и моря, определяя их химический состав.

Ответ: Примеры диффузии в природе: дыхание животных и растений, поглощение питательных веществ из почвы корнями, растворение кислорода в воде, распространение запахов в воздухе.

Для предохранения одежды от моли используют мешочки с лавандой. Почему, когда вы вынимаете одежду из шкафа, она пахнет лавандой?

Это явление объясняется физическим процессом, который называется диффузией. Лаванда содержит летучие ароматические вещества (эфирные масла), молекулы которых постоянно испаряются, то есть переходят в газообразное состояние.

Все молекулы, в том числе и молекулы ароматических веществ лаванды, находятся в непрерывном и хаотичном движении. В замкнутом пространстве шкафа они распространяются от мешочка, где их концентрация очень высока, по всему доступному объему. В процессе этого движения молекулы проникают в промежутки между волокнами ткани одежды и задерживаются там.

В результате одежда пропитывается этими молекулами, и когда вы достаете ее из шкафа, она пахнет лавандой.

Ответ: Одежда пахнет лавандой из-за явления диффузии: молекулы пахучих веществ испаряются с поверхности лаванды, хаотично движутся в пространстве шкафа и проникают в волокна ткани одежды.

1. Чтобы огурцы продолжительное время оставались малосольными, рассол с огурцами необходимо хранить в холодном помещении. Почему?

Процесс, благодаря которому огурцы становятся солеными, называется диффузией. Диффузия — это явление взаимного проникновения молекул одного вещества в другое, обусловленное тепловым движением частиц. В данном случае молекулы соли из рассола проникают в ткани огурца.

Скорость диффузии напрямую зависит от температуры среды. Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия молекул, и тем быстрее они движутся. Соответственно, при высокой температуре (в теплом помещении) молекулы соли будут очень быстро проникать в огурцы, и они быстро станут сильносолеными.

В холодном помещении температура низкая. Это означает, что молекулы соли и воды в рассоле имеют меньшую кинетическую энергию и движутся значительно медленнее. В результате процесс диффузии замедляется. Соль проникает в огурцы постепенно, что позволяет им дольше оставаться в состоянии "малосольных".

Ответ: Хранение огурцов в рассоле в холодном помещении необходимо для того, чтобы замедлить физический процесс диффузии. Скорость диффузии напрямую зависит от температуры: при низкой температуре молекулы соли движутся медленнее и медленнее проникают в огурцы, что позволяет им дольше оставаться малосольными.

2. Если поместить на дно стакана крупинку краски, а затем осторожно налить в стакан воду, то через некоторое время вода приобретает окраску, хотя стакан стоял неподвижно. Объясните явление.

Описанное явление объясняется процессом, который называется диффузией. Все вещества, включая воду и краску, состоят из мельчайших частиц — молекул. Эти молекулы находятся в непрерывном и хаотическом (беспорядочном) движении, которое называется тепловым движением.

Когда крупинка краски оказывается в воде, ее частицы, а также молекулы воды, продолжают свое хаотическое движение. В результате этого движения частицы краски начинают проникать в промежутки между молекулами воды, а молекулы воды, в свою очередь, проникают между частицами краски. Этот процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в другое вследствие их теплового движения и есть диффузия.

Со временем частицы краски распространяются по всему объему стакана, смешиваясь с молекулами воды. Именно поэтому вода постепенно и равномерно окрашивается, несмотря на то, что стакан остается неподвижным и никто воду не перемешивает.

Ответ: Явление, при котором вода окрашивается из-за распространения в ней частиц краски, называется диффузией. Оно происходит из-за непрерывного и хаотического движения молекул воды и частиц краски.

3. Почему цветные пятна на столе или полу значительно легче удалить сразу после того, как они туда попали, чем спустя некоторое время?

Это явление объясняется физическим процессом, который называется диффузией. Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

Когда цветная жидкость (например, сок, чай, чернила) попадает на поверхность стола или пола, её молекулы начинают двигаться и проникать вглубь материала поверхности. Даже кажущиеся идеально гладкими поверхности на микроскопическом уровне имеют поры и трещинки.

Сразу после того, как пятно появилось, большинство молекул красящего вещества находится на самой поверхности. Они еще не успели проникнуть в структуру материала, поэтому их можно легко стереть влажной тряпкой.

Однако с течением времени, благодаря непрерывному хаотическому движению, молекулы красящего вещества проникают все глубже в поры материала. Процесс диффузии приводит к тому, что частицы красителя оказываются «запертыми» внутри. Удалить их с поверхности становится значительно труднее, так как для этого нужно воздействовать не только на поверхность, но и на более глубокие слои, что часто требует применения специальных чистящих средств.

Ответ: Цветные пятна легче удалить сразу, потому что красящее вещество еще не успело проникнуть вглубь материала поверхности из-за процесса диффузии. Со временем молекулы красителя проникают в поры и микротрещины материала, что делает удаление пятна значительно более сложным.

Задание 8. На небольшой кусок стекла положите несколько крупинок сухой краски (гуаши или акварели). Зажгите свечу и капните парафином на краску. Пронаблюдайте явление. Опишите свои наблюдения. Объясните явление.

Описание наблюдений

Если на небольшой кусок стекла положить несколько крупинок сухой краски (например, акварели) и капнуть на них расплавленным парафином от горящей свечи, можно будет наблюдать следующее. Горячий жидкий парафин, попадая на краску, обволакивает ее. Практически сразу цвет от твердых крупинок краски начинает распространяться в объеме капли парафина. Изначально полупрозрачный парафин окрашивается. Сначала окраска может быть неоднородной, более концентрированной у центра, где находились крупинки. По мере остывания капля парафина затвердевает, образуя на стекле небольшое цветное твердое тело, в котором частицы краски равномерно распределены.

Ответ: При контакте с горячим жидким парафином сухая краска растворяется, и ее цвет распространяется по всему объему парафина. При остывании парафин застывает, образуя твердое окрашенное тело.

Объяснение явления

Наблюдаемое явление — это диффузия. Согласно молекулярно-кинетической теории, все вещества состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул), которые находятся в непрерывном и хаотическом (беспорядочном) движении. Скорость этого движения зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся частицы.

В данном опыте горячий парафин находится в жидком состоянии, и его молекулы движутся с большой скоростью. Сухая краска состоит из очень мелких твердых частиц пигмента. Когда молекулы жидкого парафина сталкиваются с частицами краски, они передают им часть своей кинетической энергии, заставляя их также двигаться. В результате этого хаотического движения частицы краски начинают проникать в промежутки между молекулами парафина, а молекулы парафина проникают в скопления частиц краски. Этот процесс взаимного проникновения частиц и приводит к их перемешиванию, что мы и наблюдаем как окрашивание парафина. Когда парафин остывает и затвердевает, движение частиц замедляется, и частицы краски оказываются зафиксированными в кристаллической решетке твердого парафина.

Ответ: Наблюдаемое окрашивание парафина — это результат диффузии, то есть процесса взаимного проникновения частиц краски и парафина, обусловленного их непрерывным и хаотическим тепловым движением.