Номер 5, страница 25 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. §4. Строение веществ. Глава II. Строение и агрегатные состояния вешест - номер 5, страница 25.

5. Что такое броуновское движение? Приведите описания экспериментов, с помощью которых можно наблюдать это явление.

Решение

Что такое броуновское движение?

Броуновское движение — это беспорядочное, хаотическое движение микроскопических видимых частиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит под действием ударов молекул окружающей среды. Это явление является прямым экспериментальным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ), согласно которой все вещества состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом тепловом движении.

Ключевые характеристики броуновского движения:

• Непрерывность и вечность: движение никогда не прекращается, пока существует тепловое движение молекул среды (то есть при температуре выше абсолютного нуля).
• Хаотичность: траектория движения каждой частицы представляет собой сложную ломаную линию без какого-либо предпочтительного направления.
• Зависимость от внешних факторов: интенсивность движения возрастает с повышением температуры среды (так как молекулы среды начинают двигаться быстрее и их удары становятся сильнее) и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера/массы взвешенной частицы.

Явление было открыто в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (в русскоязычной литературе — Браун), который наблюдал в микроскоп за движением цветочной пыльцы в воде. Теоретическое объяснение было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он показал, что движение вызвано тем, что количество молекул жидкости, толкающих частицу с одной стороны, в каждый момент времени не равно количеству молекул, толкающих ее с другой стороны. Эта несбалансированность сил и заставляет частицу двигаться. Эйнштейн вывел формулу, связывающую средний квадрат смещения броуновской частицы $\langle (\Delta x)^2 \rangle$ за время $t$ с коэффициентом диффузии $D$:

$\langle (\Delta x)^2 \rangle = 2Dt$

Коэффициент диффузии, в свою очередь, зависит от температуры $T$, вязкости среды $\eta$ и радиуса частицы $r$ (соотношение Стокса-Эйнштейна):

$D = \frac{k_B T}{6\pi\eta r}$

где $k_B$ — постоянная Больцмана. Эти работы стали решающим доказательством существования атомов и молекул.

Ответ: Броуновское движение — это хаотическое движение микроскопических частиц в жидкости или газе, вызванное постоянными и случайными толчками со стороны молекул окружающей среды. Это движение подтверждает молекулярно-кинетическую теорию строения вещества.

Приведите описания экспериментов, с помощью которых можно наблюдать это явление.

Наблюдать броуновское движение можно с помощью простого оборудования, доступного в школьной или университетской лаборатории.

Эксперимент 1: Наблюдение движения частиц в жидкости

Это классический эксперимент, повторяющий наблюдения Роберта Броуна.

• Оборудование: оптический микроскоп, предметное стекло, покровное стекло, пипетка, вода, взвешенные частицы (например, сильно разбавленное молоко, суспензия гуаши или растертая в порошок цветочная пыльца).
• Ход эксперимента:
  1. С помощью пипетки на предметное стекло наносят небольшую каплю жидкости со взвешенными частицами (например, капля воды с капелькой молока).
  2. Каплю накрывают покровным стеклом, чтобы избежать испарения и воздушных потоков.
  3. Препарат помещают на столик микроскопа.
  4. Настраивают микроскоп на большое увеличение и фокусируются на отдельных частицах (в случае молока это будут жировые шарики).
• Наблюдение: В поле зрения микроскопа будут видны мелкие частички, которые совершают беспорядочные, скачкообразные движения по сложным зигзагообразным траекториям. Они постоянно меняют направление и скорость своего движения без видимой причины. Это и есть броуновское движение, вызванное асимметричными ударами невидимых молекул воды по видимой частице жира.

Эксперимент 2: Наблюдение движения частиц дыма в воздухе

Этот эксперимент позволяет наблюдать броуновское движение в газе.

• Оборудование: микроскоп, дымовая камера (специальная прозрачная ячейка, например, ячейка Перрена), источник света (лампа или лазер), линза для фокусировки света, источник дыма (тлеющая палочка или фитиль).
• Ход эксперимента:
  1. Небольшое количество дыма впускают в дымовую камеру. Дым состоит из мельчайших твердых частиц сажи.
  2. Камеру герметично закрывают.
  3. Сбоку камеру освещают ярким пучком света, сфокусированным линзой. Это делает частицы дыма видимыми в виде ярких точек на темном фоне (эффект Тиндаля).
  4. Наблюдение ведут через микроскоп, установленный сверху или сбоку.
• Наблюдение: В окуляре микроскопа будут видны светящиеся точки (частицы сажи), которые непрерывно и хаотично движутся в разных направлениях. Их движение является результатом столкновений с невидимыми молекулами газов, входящих в состав воздуха (азота, кислорода и др.).

Ответ: Броуновское движение можно наблюдать в микроскоп, рассматривая взвесь мелких частиц в капле воды (например, разбавленного молока или суспензии гуаши) или наблюдая частицы дыма в специальной камере, освещенной сбоку. В обоих случаях будет видно, как видимые частицы беспорядочно и непрерывно движутся под действием ударов невидимых молекул окружающей среды (воды или воздуха).