Dyfuzja i ruchy cząsteczek
W tej lekcji1/19
Ktoś w kuchni wyjmuje z piekarnika ciasto. Ty siedzisz dwa pokoje dalej, przy zamkniętych drzwiach — i po chwili wiesz, że ciasto jest gotowe. Nikt ci nie powiedział, nikt nie przyniósł ci kawałka. Zapach dotarł do ciebie sam. Jak? Przecież powietrze w twoim pokoju stoi nieruchomo. Dziś zobaczysz, że substancje potrafią mieszać się bez niczyjej pomocy — i że robią to bez przerwy, także w szklance wody, która wygląda na zupełnie spokojną.
Dyfuzja — mieszanie, którego nikt nie miesza
Z poprzednich lekcji wiesz najważniejszą rzecz: cząsteczki nigdy nie stoją w miejscu. W gazach i cieczach pędzą we wszystkie strony, zderzają się ze sobą, odbijają i lecą dalej. Ten ruch trwa cały czas, w każdej temperaturze, dzień i noc.
I właśnie z tego ruchu bierze się dyfuzja.
Czym jest dyfuzja
Dyfuzja to samorzutne mieszanie się substancji, które stykają się ze sobą. Samorzutne znaczy: samo z siebie. Nie trzeba mieszać, potrząsać ani dmuchać — wystarczy, że cząsteczki się poruszają.
Kropla atramentu w szklance wody
- 1
Wyobraź sobie kroplę atramentu, która spada na dno szklanki z wodą. Na początku jest ciemną plamką w jednym miejscu.
- 2
Cząsteczki atramentu poruszają się jednak chaotycznie i wpadają między cząsteczki wody, a te wpadają między nie.
- 3
Nikt nikogo nie popycha w konkretną stronę — po prostu w miejscach, gdzie atramentu jest dużo, więcej cząsteczek ma szansę wyruszyć stamtąd niż tam trafić.
- 4
Po godzinie plamka znika, a cała woda jest równomiernie niebieska.
Wszystkie 4 kroków odsłonięte.
Gdzie jeszcze to widać
- 1
Zapach ciasta rozchodzi się po całym domu — cząsteczki z piekarnika wędrują przez powietrze do twojego pokoju.
- 2
Herbata w szklance barwi wodę bez twojej pomocy — wrzuć torebkę i nie ruszaj łyżeczką. Woda i tak zrobi się brązowa, tylko wolniej.
- 3
Kostka cukru leży na dnie nieruchomej szklanki — po pewnym czasie cała woda jest słodka.
- 4
Ogórki w zalewie też są przykładem dyfuzji — sól i przyprawy wchodzą do środka ogórka, choć w słoiku nic się nie porusza.
Wszystkie 4 kroków odsłonięte.
Dyfuzja idzie w obie strony naraz
Ważna jest jeszcze jedna rzecz: dyfuzja działa w obie strony naraz. Cząsteczki atramentu wchodzą między wodę, a cząsteczki wody między atrament. Kończy się dopiero wtedy, gdy mieszanina jest wszędzie jednakowa.
Co decyduje o szybkości dyfuzji
Dyfuzja zachodzi zawsze, ale bardzo różnie szybko. Decydują o tym dwie rzeczy: stan skupienia i temperatura.
Stan skupienia. Im swobodniej poruszają się cząsteczki, tym szybciej się mieszają.
Trzy stany skupienia, trzy tempa dyfuzji
- 1
W gazie cząsteczki pędzą swobodnie — tu dyfuzja idzie najszybciej W gazach — najszybciej. Cząsteczki są daleko od siebie i pędzą z prędkością setek metrów na sekundę. Dlatego zapach perfum rozchodzi się po pokoju w kilkadziesiąt sekund.
- 2
W cieczy jest ciasno — cząsteczka co chwilę na kogoś wpada W cieczach — wolniej. Cząsteczki są ciasno upakowane i wciąż na siebie wpadają, więc droga na drugi koniec szklanki zajmuje im godziny.
- 3
W ciele stałym cząsteczka drga wokół swojego miejsca W ciałach stałych — bardzo powoli, ale zachodzi. Cząsteczki drgają wokół stałych miejsc i tylko czasem uda im się przeskoczyć na sąsiednie. Tu mówimy o miesiącach i latach, nie o minutach.
Wszystkie 3 kroków odsłonięte.
Temperatura
Druga rzecz to temperatura. Mówi ona, jak szybko poruszają się cząsteczki. Wyższa temperatura to szybszy ruch, częstsze zderzenia i szybsze przemieszanie.
Dlatego ciepło przyspiesza mieszanie
- 1
Cukier rozpuszcza się w gorącej herbacie znacznie szybciej niż w zimnej lemoniadzie.
- 2
Zapach obiadu roznosi się po domu szybciej niż zapach zimnej kanapki.
- 3
Torebka herbaty w ciepłej wodzie barwi ją w minutę, a w zimnej potrzebuje kwadransa.
- 4
To jeden z powodów, dla których herbatę zalewa się wrzątkiem, a nie wodą z kranu.
Wszystkie 4 kroków odsłonięte.
Doświadczenie: atrament w zimnej i ciepłej wodzie
- 1
Potrzebujesz dwóch identycznych przezroczystych szklanek, atramentu albo barwnika spożywczego i wody. Jeśli nie masz atramentu, wystarczy kropla soku z buraka albo tuszu z pisaka.
- 2
Do pierwszej szklanki nalej wody z lodówki, do drugiej ciepłej wody z kranu. Napełnij obie do tej samej wysokości — chodzi o to, żeby jedyną różnicą była temperatura.
- 3
Odstaw obie szklanki na blat i odczekaj minutę, aż woda zupełnie się uspokoi. To ważne: chcemy zobaczyć samą dyfuzję, a nie skutki zawirowań po nalewaniu.
- 4
Do każdej szklanki wpuść delikatnie jedną kroplę atramentu. Od tej chwili niczego nie mieszasz i nie ruszasz stolika. Obserwuj obie szklanki i czekaj.
- 5
Po kilku minutach różnica jest już wyraźna. W ciepłej wodzie barwnik rozsnuł się szeroką smugą i woda zaczyna być jednolicie kolorowa. W zimnej plama wciąż trzyma się blisko miejsca, w którym spadła kropla.
- 6
Po godzinie ciepła szklanka jest równomiernie zabarwiona w całej objętości, a zimna dopiero do tego dochodzi. Wniosek: dyfuzja zachodzi w obu, ale w wyższej temperaturze przebiega szybciej, bo cząsteczki poruszają się szybciej.
Wszystkie 6 kroków odsłonięte.
W trzech miejscach zaczyna się dyfuzja. W którym przypadku substancje wymieszają się najszybciej?
Pułapka! Dyfuzja to nie to samo co mieszanie łyżeczką
Najczęstszy błąd na tej lekcji brzmi tak: dyfuzja to po prostu inne słowo na mieszanie. Albo tak: dyfuzja zachodzi wtedy, kiedy coś płynie, wieje albo się kręci.
Dyfuzję niosą pojedyncze cząsteczki
Dyfuzja działa zupełnie inaczej. Nikt nie przenosi porcji cieczy, bo ciecz stoi w miejscu. Wędrują pojedyncze cząsteczki, każda swoją krętą drogą, napędzane wyłącznie własnym ruchem cieplnym.
Dlatego dyfuzja radzi sobie bez łyżeczki
- 1
Dyfuzja zachodzi w cieczy zupełnie nieruchomej — w szklance stojącej całą noc na stole cukier i tak dotrze do powierzchni.
- 2
Dyfuzja zachodzi także tam, gdzie nic nie może płynąć: wewnątrz kawałka metalu, w szkle, w ziarnku soli.
- 3
Dyfuzja nie potrzebuje wiatru ani prądu. Zapach dotrze przez pokój z zamkniętym oknem, tylko wolniej.
Wszystkie 3 kroków odsłonięte.
Łyżeczka nie tworzy dyfuzji, tylko ją przyspiesza
Łyżeczka nie tworzy dyfuzji — ona ją przyspiesza, bo rozdrabnia dużą plamę na wiele małych i skraca drogę, którą cząsteczki muszą przebyć samodzielnie.
Złoto, które weszło w ołów
- 1
Że dyfuzja zachodzi w gazach i cieczach, łatwo uwierzyć. Ale w metalu? W czymś twardym, co można wziąć do ręki i stuknąć o stół? Ponad sto lat temu pewien angielski uczony postanowił to sprawdzić.
- 2
Wziął gładko wypolerowany krążek ołowiu i przyłożył do niego krążek złota, dociskając je do siebie. Żadnego topienia, żadnego ognia — dwa zimne kawałki metalu leżące razem.
- 3
Odstawił je w spokojne miejsce i zostawił na cztery lata. Przez ten czas nikt ich nie ruszał, nie podgrzewał ani nie ściskał mocniej.
- 4
Po czterech latach rozciął ołów na plasterki i zbadał każdy z nich. Okazało się, że atomy złota są także tam, gdzie na początku było czyste ołowiane wnętrze — wywędrowały w głąb ołowiu na kilka milimetrów.
- 5
Nikt ich tam nie wepchnął. Atomy w ciele stałym drgają wokół swoich miejsc i raz na jakiś czas któremuś udaje się przeskoczyć obok. Milion takich przeskoków to milimetr drogi — i cztery lata cierpliwości.
Wszystkie 5 kroków odsłonięte.
Stawiasz obok siebie dwie identyczne szklanki. W obu jest woda i na dno każdej opada kostka cukru. W pierwszej woda ma stopni Celsjusza, w drugiej stopni. Żadnej z nich nie mieszasz. Które zdanie jest poprawne?
Ściąga do zapamiętania
Czym jest dyfuzja, co ją napędza i od czego zależy jej szybkość?
Dyfuzja to samorzutne mieszanie się stykających się substancji, spowodowane chaotycznym ruchem cząsteczek. Nie trzeba nic mieszać ani przelewać — dzieje się samo, także w cieczy zupełnie nieruchomej. Zachodzi w obie strony i kończy się, gdy mieszanina jest wszędzie jednakowa. Szybkość zależy od stanu skupienia: najszybciej w gazach (zapach w pokoju — sekundy), wolniej w cieczach (atrament w szklance — godziny), w ciałach stałych bardzo powoli, ale zachodzi (złoto wnikające w ołów — lata). Druga rzecz to temperatura: im wyższa, tym szybsza dyfuzja, bo cząsteczki poruszają się szybciej. Przykłady: zapach ciasta w całym domu, herbata barwiąca wodę bez łyżeczki, cukier na dnie szklanki, ogórki w zalewie. UWAGA na pułapkę: mieszanie łyżeczką to przenoszenie całych porcji cieczy i nie jest dyfuzją — łyżeczka jedynie ją przyspiesza, skracając drogę cząsteczkom.
Sprawdź się!
Odpowiedziano na 0 z 5 pytańSkróty klawiszowe quizu: klawisze od 1 do 4 wybierają odpowiedź, Enter sprawdza, a po sprawdzeniu przechodzi do następnego pytania. Każdy przycisk możesz też wybrać Tabem i Spacją.
Czym jest dyfuzja?
W której grupie substancji dyfuzja zachodzi najszybciej, a w której najwolniej?
Wrzucasz torebkę herbaty do szklanki i ani razu nie mieszasz. Co się stanie?
Do dwóch szklanek z wodą — jednej gorącej, drugiej z lodówki — wpuszczono po kropli atramentu i nie mieszano. Dlaczego w gorącej woda zabarwi się szybciej?
Które stwierdzenie o dyfuzji w ciałach stałych jest prawdziwe?