Фізика. 7 клас. Максимович

§ 7. Агрегатні стани речовини. Броунівський рух. Дифузія. Осмос

Український поет Степан Пушик у вірші «Грудка України» висловив своє сприйняття рідної землі такими словами:

І хлібом пахне, вишнями, соломою,

І піснею, яку співав козак,

Та грудочка землі стає солоною,

Як сіль чумацька на важких возах.

Чому запахи поширюються на великі відстані, «грудочка землі стає солоною», а «ложка дьогтю псує бочку меду»?

Дізнаймося про...

агрегатні стани речовини;
броунівський рух;
дифузію;
осмос.

1. Три стани речовини

Якщо взимку мандруватимете Карпатами, то обов’язково відвідайте водоспад Кам’янка (мал. 7.1). Там зможете побачити одразу три агрегатні стани води: твердий — лід, рідкий — воду, газоподібний — водяну пару. У всіх станах вода складається з однакових молекул, проте властивості льоду, води та водяної пари різні. Це пов’язано із взаємним розміщенням та рухом молекул.

Мал. 7.1. Водоспад Кам’янка, Карпати

Водяна пара — газоподібний стан води. Молекули розміщені на великих відстанях (у десятки разів більших за розміри молекул) (мал. 7.2, а), тому притягання між ними слабке. Унаслідок цього гази не мають власної форми та сталого об’єму, заповнюють весь наданий їм об’єм.

Наприклад, туристи часто використовують газові балони для приготування їжі. Кількість газу в балоні з часом зменшується, проте весь об’єм балона завжди заповнений ним (збільшуються відстані між молекулами).

Вода — рідкий стан. Молекули розміщені на відстанях, сумірних з їхніми розмірами (мал. 7.2, б), тому рідини важко стиснути. Молекули здійснюють коливальний рух на одному місці, а інколи можуть перестрибнути на інше місце. Тому рідини зберігають об’єм, легко змінюють свою форму, їм властива плинність (текучість).

Мал. 7.2. Розміщення молекул води в різних агрегатних станах: а — газоподібному (водяна пара); б — рідкому (вода); в — твердому (лід)

Лід — твердий стан води. Молекули розташовані в певному порядку близько одна до одної на відстанях, сумірних з розмірами молекул (мал. 7.2, в). Вони коливаються навколо певних положень рівноваги та не переміщуються в тілі. Тверді тіла зберігають не лише об’єм, а й форму. У багатьох твердих тілах молекули зберігають порядок у розміщенні — утворюють кристали.

Не лише вода, а й інші речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах. Проте тільки вода має різні назви у цих станах. Наприклад, золото не змінює назви у різних агрегатних станах: золото тверде, золото рідке, пара золота.

Поміркуйте і дайте відповідь

Установіть відповідність між прикладом речовини в певному агрегатному стані та її властивостями:

1) розплавлене залізо

2) пара заліза

3) залізо у твердому стані

А має власну форму, зберігає об’єм
Б зберігає об’єм, легко змінює форму
В не має власної форми та сталого об’єму, заповнює весь наданий об’єм

2. Дослідні підтвердження основних положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини

Ще в 1827 році англійський ботанік Роберт Броун, досліджуючи пилок рослин, побачив в окулярі мікроскопа (мал. 7.3) безладний рух частинок пилку у краплі води. Однак пояснити, чому частинки рухаються, не зміг ні сам Броун, ні його колеги. У 1863 році Людвіг Вінер припустив, що рух спричинений постійними ударами молекул води об частинку. Ідею сприйняли в науковому середовищі, проте кількісно рух був описаний лише на початку XX ст. Маріан Смолуховський, що працював тоді у Львівському університеті, та Альберт Ейнштейн у Берні незалежно один від одного вивели математичну формулу, яка пояснює цей рух.

Мал. 7.3. Мікроскоп

Рух завислих у рідині або газі частинок називають броунівським рухом. Броунівська частинка складається з великої кількості молекул. Вона з усіх боків оточена молекулами рідини або газу, які перебувають у безперервному хаотичному русі. Вони штовхають броунівську частинку, що зумовлює її рух (мал. 7.4).

Мал. 7.4. Броунівський рух

Явище дифузії є також дослідним підтвердженням молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Дифузія — процес взаємного проникнення молекул однієї речовини в проміжки між молекулами іншої речовини, зумовлений безперервним хаотичним рухом частинок.

Запах свіжоскошеної трави, квітучої липи, акації, бузку, свіжої випічки, кави чи парфумів — це все приклади дифузії в газах. Заварювання чаю, підсолоджування різних напоїв, набування смаку та кольору рідкими стравами — це приклади дифузії в рідинах.

Навіть у твердих тілах відбувається дифузія. Якщо взяти дві добре відшліфовані пластини, виготовлені зі свинцю та золота, міцно та щільно притиснути їх одну до одної, то через п’ять років відбудеться взаємне проникнення молекул золота і свинцю на глибину 1 мм.

Сучасна промисловість використовує дифузію у твердих тілах для виготовлення деталей складної форми не із суцільного шматка металу, а з металевого порошку. Його насипають у форму, ущільнюють за допомогою преса та нагрівають. Окремі частинки порошку перетворюються на готову деталь. Така технологія дає змогу економити метал без перетворення його на стружку.

Швидкість перебігу дифузії залежить від температури та агрегатного стану речовини. Чим вища температура, тим швидкість перебігу дифузії більша. Крім того, дифузія найшвидше відбувається в газах, повільніше — в рідинах, і дуже повільно — у твердих тілах.

Поміркуйте і дайте відповідь

У якій посудині (мал. 7.5) температура води вища?

Мал. 7.5. Дифузія в рідині за різних температур

Осмос, як різновид дифузії, відіграє головну роль у дифузних процесах, що відбуваються в живих організмах. Речовина проникає через мембрани, які вкривають клітини.

Осмос — це процес однобічної дифузії крізь напівпроникну мембрану частинок розчинника в бік вищої концентрації розчиненої речовини з об’єму нижчої концентрації розчиненої речовини (мал. 7.6).

Мал. 7.6. Осмос

Першу і єдину в світі електростанцію, яка працює на принципі осмосу (процесі переходу молекул прісної води через напівпроникну перегородку в ємність із солоною), побудовано компанією Stat-kraft в норвезькому містечку Тофте (мал. 7.7).

Мал. 7.7. Перша у світі осмотична електростанція

Проте дифузія асоціюється не тільки з приємними враженнями. Вона спричиняє забруднення повітря вихлопними газами транспортних засобів, викиди в атмосферу вуглекислого газу, оксиду азоту та сірки промисловими підприємствами, забруднення водойм виробничими і побутовими стоками.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Чому ложка дьогтю псує бочку меду?

2. Відчувши небезпеку, кальмар виділяє зі свого організму чорнильний пігмент. Як це йому допомагає дезорієнтувати нападника-хижака?

Запам’ятайте

Гази не мають власної форми та сталого об’єму, заповнюють весь наданий їм об’єм.

Рідини зберігають об’єм, легко змінюють свою форму, їм властива плинність (текучість).

Тверді тіла зберігають не лише об’єм, а й форму.

Рух завислих у рідині або газі частинок називають броунівським рухом.

Дифузія — процес взаємного проникнення молекул однієї речовини в проміжки між молекулами іншої речовини, зумовлений безперервним хаотичним рухом частинок.

Чим вища температура, тим швидкість перебігу дифузії більша. Найшвидше дифузія відбувається в газах, повільніше — в рідинах, і дуже повільно — у твердих тілах.

Перевірте себе

1. Чому броунівський рух відбувається в газоподібному і рідкому середовищах, але не спостерігається у вакуумі?

2. Чи відбуватиметься броунівський рух частинок квіткового пилку в краплі води, що замерзла? Чому?

3. Чому рибку, яку купили у зоомагазині, не можна довго перевозити у зав’язаному поліетиленовому пакеті з невеликою кількістю води?

4. Чому в салаті, де є картопля і буряк, картопля набуває червоного кольору?

Обдумайте, змоделюйте, зробіть...

Створіть модель осмосу, використовуючи картонну коробку, картонний прямокутник з отворами (модель напівпроникної мембрани), ножиці, скріпки, наявні вдома крупи, зерна яких мають різні діаметри.

Дотримуйтеся правил безпеки під час роботи!

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Агрегатні стани	States of matter (Aggregate states)
Газ	Gas (fluid)
Рідина	Liquid
Тверде тіло	Solid
Броунівський рух	Brownian motion
Дифузія	Diffusion

Зміст