Налейте в один стакан холодной воды, в другой − тёплой. Опустите в каждый из них несколько кристалликов марганцовки. Объясните наблюдаемое явление.

Чтобы понять наблюдаемое явление в описанном эксперименте, важно рассмотреть несколько физических процессов, которые происходят в воде и влияют на растворение и распространение марганцовки. Давайте разберем их подробно.

1. Диффузия Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или частиц одного вещества между молекулами или частицами другого вещества вследствие их хаотичного теплового движения. Температура вещества играет ключевую роль в этом процессе. При повышении температуры интенсивность теплового движения молекул увеличивается. Это приводит к более быстрому и активному смешиванию веществ.

Когда марганцовка попадает в воду, её кристаллики начинают растворяться. Частицы марганцовки (молекулы или ионы) начинают двигаться под воздействием теплового движения молекул воды, постепенно распространяясь по всему объёму. Скорость диффузии в тёплой воде выше, чем в холодной, так как в тёплой воде молекулы движутся быстрее благодаря большему запасу кинетической энергии.

1. Температура и кинетическая энергия молекул Температура вещества связана с его внутренней энергией, которая включает кинетическую энергию молекул. Чем выше температура воды, тем быстрее движутся её молекулы. Быстро движущиеся молекулы воды в тёплом стакане "атакуют" кристаллики марганцовки более интенсивно, способствуя их быстрому растворению и распространению.

В холодной воде кинетическая энергия молекул ниже, движение молекул менее интенсивное, поэтому процесс растворения и распространения марганцовки идёт медленнее.

1. Конвекция в жидкости Когда марганцовка растворяется в воде, её частицы начинают распространяться благодаря диффузии, но в случае тёплой воды может возникнуть ещё один процесс — конвекция. Конвекция — это перемещение слоёв жидкости, вызванное различиями в температуре. Тёплая вода, нагретая снизу или находящаяся рядом с источником тепла, начинает подниматься вверх, а более холодная — опускаться вниз, создавая круговые потоки. Эти потоки ускоряют процесс смешивания марганцовки в жидкости.

В холодной воде конвекция практически отсутствует, так как температура воды однородная, и плотность остаётся неизменной.

1. Растворимость вещества
   Растворимость вещества в воде зависит от температуры. В тёплой воде кристаллики марганцовки растворяются быстрее, так как молекулы воды при высокой температуре обладают большей энергией, способной разрушить межмолекулярные связи в твёрдом веществе.

2. Наблюдаемое явление
   Когда вы опускаете кристаллики марганцовки в тёплую воду, они начинают растворяться быстрее, и окраска воды распространяется по объёму более активно благодаря высокой скорости диффузии, конвекции и лучшей растворимости. Тёплая вода в стакане быстро окрашивается в характерный пурпурный цвет.

В холодной воде те же кристаллики растворяются медленнее. Цвет распространяется значительно медленнее и может оставаться локализованным вблизи кристалликов на некоторое время из−за более слабой диффузии и отсутствия конвекции.

Таким образом, различие в поведении марганцовки в холодной и тёплой воде связано с различиями в скорости диффузии, конвекции, растворимости и энергообеспеченности молекул воды.