В стакан налейте до краёв воду. Поднесите медицинскую пипетку близко к поверхности воды и капните каплю туши. В течение 5 мин наблюдайте за распространением туши в воде. Через 10 − 15 мин тушь распределится равномерно в воде. Объясните наблюдаемое явление.

Для объяснения наблюдаемого явления важно обратиться к таким физическим процессам, как диффузия, тепловое движение частиц и межмолекулярные взаимодействия.

1. Диффузия

Диффузия — это процесс самопроизвольного перемешивания частиц одного вещества с частицами другого вследствие их хаотического движения. В данном случае капля туши, состоящая из мельчайших частиц красящего вещества, находится в контакте с молекулами воды. Эти частицы будут постепенно распространяться в объёме воды, пока не достигнут равномерного распределения.

2. Тепловое движение молекул

Причина диффузии заключается в тепловом движении молекул. Все молекулы вещества (как воды, так и туши) находятся в состоянии непрерывного хаотичного движения из−за наличия у них кинетической энергии. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия молекул, а значит, движение молекул становится более интенсивным. Даже при комнатной температуре молекулы воды и частички туши двигаются достаточно активно, чтобы обеспечить процесс перемешивания.

3. Молекулы воды и туши

Молекулы воды и частички туши находятся в тесном контакте. На границе между водой и тушью молекулы воды сталкиваются с частицами вещества туши. Эти столкновения приводят к передаче энергии, а также к перемещению частиц туши в глубину воды. Постепенно частицы туши начинают распределяться по всему объёму воды, и диффузия продолжается, пока не достигнется состояние равновесия.

4. Скорость процесса и распределения

Скорость, с которой частицы туши распространяются в воде, зависит от нескольких факторов:

• Температура: При повышении температуры тепловое движение молекул усиливается, поэтому диффузия происходит быстрее.
• Размер частиц: Мелкие частицы, из которых состоит тушь, легче проникают между молекулами воды, что ускоряет процесс.
• Вязкость среды: В менее вязкой (текучей) жидкости диффузия происходит быстрее.
• Концентрация: На начальном этапе диффузия проходит быстрее, так как разница концентраций туши в разных частях воды велика. Со временем, по мере достижения равномерного распределения, скорость диффузии уменьшается.

5. Состояние равновесия

Через 10–15 минут тушь равномерно распределяется в воде. Это состояние называется динамическим равновесием, когда частицы туши распределены равномерно по всему объёму воды, и их движение продолжается, но без изменения концентрации в разных областях. Таким образом, процесс диффузии завершается, когда концентрация вещества становится одинаковой во всех частях жидкости.

6. Молекулярная природа вещества

Эксперимент подтверждает молекулярную структуру вещества. Наблюдаемое явление показывает, что вода и тушь состоят из мельчайших частиц, между которыми есть свободное пространство, позволяющее им перемешиваться. Этот опыт является наглядным доказательством существования молекул и их хаотичного движения.

Таким образом, равномерное распределение туши в воде — это результат диффузии, вызванной тепловым движением молекул. Это наглядный пример одного из фундаментальных явлений, доказывающих наличие молекул и их взаимодействий.