Kurs: Budowa i właściwości materii · Moduł 08

Ruch cząsteczek i dyfuzja — jak zapach dociera do nosa

PPrezentacja dla nauczyciela

Otwierasz perfumy w jednym końcu pokoju, a po chwili zapach czujesz w drugim. Nikt go nie przeniósł łyżeczką. Cząsteczki substancji zapachowej same wędrują w powietrzu, zderzając się z cząsteczkami tlenu i azotu. Podobnie kropla atramentu zabarwia całą szklankę wody. Za te zjawiska odpowiada ciągły, chaotyczny ruch cząsteczek.

Ruch termiczny cząsteczek

Wszystko wokół ciebie składa się z cząsteczek: atomów lub ich grup. Nawet przedmioty, które wyglądają na całkowicie nieruchome, są pełne ruchu. Cząsteczki nie stoją w miejscu — nieustannie drgają, obracają się i zderzają ze sobą.

Sposób tego ruchu zależy od stanu skupienia. W ciele stałym cząsteczki są ciasno ułożone i drgają wokół swoich położeń. W cieczy mają więcej swobody: przesuwają się obok siebie, choć nadal są blisko. W gazie są daleko od siebie i pędzą niemal swobodnie, aż zderzą się z inną cząsteczką lub ścianą naczynia. W powietrzu cząsteczki pędzą z prędkościami rzędu kilkuset metrów na sekundę. Po każdym zderzeniu zmieniają kierunek, więc ich tor jest zygzakowaty.

Ten nieustanny, chaotyczny ruch nazywamy ruchem termicznym albo cieplnym. Nie da się go zobaczyć gołym okiem, bo cząsteczki są niezwykle małe. Możemy jednak obserwować jego skutki — na przykład rozchodzenie się zapachu albo barwnika w wodzie.

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek. Energia kinetyczna to energia związana z ruchem. Mówiąc prościej: im wyższa temperatura, tym średnio szybciej poruszają się cząsteczki. Nie oznacza to, że wszystkie mają identyczną prędkość. Jedne są szybsze, inne wolniejsze — temperatura opisuje ich średnią.

Ważne jest słowo „średnia”. Kropla wody i pełny garnek wody mogą mieć tę samą temperaturę, więc ich cząsteczki mają taką samą średnią energię kinetyczną. Garnek zawiera jednak znacznie więcej cząsteczek, więc w sumie zgromadzona jest w nim większa energia.

Ruch cząsteczek nie ustaje samoistnie. Gdy obniżamy temperaturę, cząsteczki poruszają się coraz wolniej, ale nadal się poruszają. Dopiero w bardzo niskich temperaturach ruch staje się minimalny. To właśnie dlatego temperatura jest tak ważna w opisie materii.

Najlepszymi dowodami na istnienie ruchu cząsteczek są dyfuzja oraz ruchy Browna. Oba zjawiska opisujemy w kolejnych sekcjach.

Dyfuzja w gazach i cieczach

Dyfuzja to samorzutne mieszanie się substancji spowodowane chaotycznym ruchem cząsteczek. Nie potrzebuje mieszania łyżeczką, wiatru ani pompy. Wystarczy, że cząsteczki jednej substancji znajdą się w pobliżu drugiej.

Wyobraź sobie otwartą buteleczkę perfum. W pobliżu jej otworu jest dużo cząsteczek zapachu, a w pozostałej części pokoju — niewiele. Mówimy, że stężenie zapachu, czyli liczba cząsteczek w danej objętości, jest tam większe. Cząsteczki poruszają się we wszystkich kierunkach, ale statystycznie więcej z nich przechodzi z miejsca, gdzie jest ich więcej, do miejsca, gdzie jest ich mniej. Po pewnym czasie rozkładają się równomiernie i zapach czujemy w całym pokoju. Dlatego zapach nie dociera do nas z prędkością pocisku, choć pojedyncze cząsteczki pędzą bardzo szybko.

Podobnie działa kropla atramentu wrzucona do szklanki wody. Barwnik początkowo tworzy wyraźną plamę, potem rozmywa się, aż woda staje się jednolicie zabarwiona. Jeśli zamieszamy łyżeczką, przyspieszymy mieszanie mechanicznie, ale dyfuzja i tak zachodziłaby sama.

Dyfuzja jest najszybsza w gazach, wolniejsza w cieczach, a w ciałach stałych bardzo wolna. W gazie cząsteczki mają dużo wolnego miejsca i między zderzeniami mogą przelatywać znaczne odległości, więc szybko przemieszczają się po całym naczyniu. W cieczy są stłoczone i nieustannie potykają się o sąsiadów. W ciele stałym drgają w miejscu, więc mogą przemieszczać się tylko nieznacznie — choć przy bardzo długim czasie również tam zachodzi powolne mieszanie.

Bardzo przekonującym dowodem ruchu cząsteczek są ruchy Browna. W 1827 roku botanik Robert Brown zauważył pod mikroskopem, że drobne pyłki zawieszone w wodzie poruszają się po przypadkowych, zygzakowatych torach. Pyłki nie mają napędu — są popychane przez cząsteczki wody, które uderzają w nie z różnych stron. Ponieważ uderzenia nie są idealnie równomierne, pyłek drga i przeskakuje.

Nie myl dyfuzji z konwekcją. Konwekcja to ruch całych strumieni cieczy lub gazu wywołany różnicą gęstości, na przykład unoszenie się ciepłego powietrza nad kaloryferem. Konwekcja może przenosić zapach, ale dyfuzja odbywa się na poziomie pojedynczych cząsteczek i zachodzi nawet wtedy, gdy w naczyniu nie ma żadnego przepływu.

Temperatura a szybkość dyfuzji

Skoro wyższa temperatura oznacza szybszy ruch cząsteczek, to powinna przyspieszać także dyfuzję. Tak właśnie jest. W ciepłej wodzie barwnik rozchodzi się szybciej niż w zimnej, a zapach świeżo zaparzonej herbaty czujemy niemal natychmiast. Herbata parzy się szybciej w gorącej wodzie, bo barwniki i substancje aromatyczne szybciej rozchodzą się w cieczy.

W gorącej wodzie cząsteczki poruszają się energiczniej i częściej zderzają się z cząsteczkami barwnika. Dzięki temu szybciej przenoszą je w coraz dalsze rejony naczynia. W zimnej wodzie ruch jest spokojniejszy, więc wyrównywanie stężenia trwa dłużej.

Na szybkość dyfuzji wpływa też masa cząsteczek. W tej samej temperaturze lżejsze cząsteczki poruszają się średnio szybciej niż cięższe. Dobrze widać to na przykładzie balonu wypełnionego helem: cząsteczki helu są znacznie lżejsze od cząsteczek azotu i tlenu, dlatego szybciej przenikają przez ścianki balonu i balon stosunkowo szybko traci objętość.

Z tego samego powodu zapach niektórych substancji rozchodzi się szybciej niż innych. Nie chodzi jednak tylko o masę — znaczenie ma także temperatura, wilgotność i ruch powietrza w pomieszczeniu. W ciepłym, suchym pokoju zapach rozprzestrzenia się zwykle szybciej niż w zimnym.

Dyfuzja odgrywa ogromną rolę w organizmach żywych. W pęcherzykach płucnych tlen przechodzi z powietrza do krwi, a dwutlenek węgla — z krwi do powietrza. Odbywa się to właśnie dzięki różnicy stężeń i ciągłemu ruchowi cząsteczek. Podobnie składniki odżywcze i tlen docierają do komórek przez błony biologiczne.