Не было ни гроша, да вдруг алтын, или

Как из газа получить кристаллы

Цель: пронаблюдать за диффузией аммиака и хлористого водорода.

Что необходимо для эксперимента:

1) стеклянная трубка длиной около 50 см,

2) две пробки,

3) два стеклянных стерженька,

4) кусочки ваты,

5) соляная кислота и аммиак.

    Мы взяли не очень широкую стеклянную трубку длиной в 37,5 см и подобрали к ней две пробки. С внутренней стороны, обращенной к трубке, вставили в обе пробки по небольшому стеклянному стерженьку и намотали на них по кусочку ваты. Один кусочек смочили несколькими каплями концентрированного раствора аммиака (NH₃), а другой - раствором соляной кислоты (HCl). Одновременно вставили пробки с ватками в трубку с обоих концов. Через 2-3 минуты в ней, на расстоянии в 14 см от ватки с соляной кислотой и на расстоянии в 23,5 см от ватки с аммиаком (т.е. ближе к соляной кислоте), появилось белая перегородка хлорида аммония (NH₃ + HCl = NH₄Cl). Вскоре хлорид аммония в виде кристаллов осел на стенки трубки.

    При рассмотрении налёта на стенках трубки через микроскоп мы убедились, что это образовались кристаллы. Вот мы вам и рассказали формулу быстрого «приготовления» кристаллов.

    По таблице Менделеева мы выясняли, что масса молекул соляной кислоты примерно вдвое больше массы молекул аммиака:

m NH3 = m N+3 m H = 14.007 + 3*1.008 = 17.031

m HCl= m H + m Cl = 1.008 + 35.453 = 36.461

 и поэтому скорость движения частиц соляной кислоты во столько же раз меньше.

Откуда же взялся наш алтын (т.е. перегородка из кристаллов хлористого аммония?). Опять помогла всесильная диффузия: невидимые молекулы хлористого водорода и аммиака продиффундировали с ваток и встретились в трубке в нужном месте в назначенный час и благополучно прореагировали с образованием кристаллов хлористого аммония.

Как верблюду в игольное ушко пролезть?

Есть красивая восточная сказка о том, как верблюд пролез в игольное ушко. На первый взгляд это кажется невозможным, выдумкой народа. Но сказка ли это? Давайте проделаем аналогичное – попробуем просунуть яйцо целым в меньшее по размеру горлышко бутылки.

Для этого надо использовать установку для получения углекислого газа.

На штативе устанавливают две соединённые между собой колбы. Верхняя колба с краном, наполнена серной кислотой, а нижняя – наполовину содой. От нижней колбы идёт отвод в бутылку. Открываем кран так, чтобы реакция серной кислоты и соды происходила постепенно. При реакции серной кислоты и соды (H₂SO₄ + K₂CO₃ = CO₂ + K₂SO₄ +H₂O) выделяется углекислый газ, который попадает в бутылку (так как углекислый газ тяжелее воздуха, то он будет опускаться на дно бутылки). Когда бутылка полностью заполнится углекислым газом, надо налить в неё щёлочи и поставить на горлышко бутылки яйцо носиком вниз, так, чтобы оно полностью закрывало горлышко бутылки. Вскоре яйцо пролезет через горлышко в бутылку целым.

Очевидное-невероятное! Но как же это происходит? Когда мы наливаем щёлочь, между молекулами углекислого газа и молекулами щёлочи происходит реакция (CO₂ + NaOH = Na₂CO₃ + H₂O). Но как же все молекулы углекислого газа попадают в щёлочь?

Причиной тому диффузия. Щёлочь в конце концов поглощает все молекулы углекислого газа, поэтому образуется вакуум, который всасывает яйцо.

    Так, благодаря диффузии, сказка стала былью.

    Комментарий Dr. chem. Горбовицкой Т.И. :

   Но каков же механизм реакции углекислого газа со щёлочью?

Дело в том, что одной из стадий этого процесса является диффузия молекул углекислого газа из газовой фазы , т.е. пространства над раствором щёлочи, в раствор. Иначе реакция не пройдёт. Интересно, что диффузия в этом процессе является лимитирующей, т. е. самой медленной стадией. Поэтому в сосуде возникает неравномерное распределение молекул углекислого газа: те молекулы, которые находятся близко к поверхности раствора, довольно быстро им поглотятся, а молекулам, находящимся подальше, нужно до раствора ещё добежать, на что потребуется время. В результате концентрация молекул углекислого газа поблизости от поверхности раствора будет меньше, чем в более удалённых областях сосуда. Это состояние поддерживается до тех пор, пока весь углекислый газ не прореагирует со щёлочью. В определённом смысле, наша система в данном случае является открытой, т.е. вещество – углекислый газ – в ходе реакции выводится из системы. Причём, это происходит так быстро, что концентрация молекул углекислого газа не успевает выравниваться. Таким образом, процесс протекает неравновесно.

Молекулярный футбол

Не замечали ли вы когда нибуть, что крошка в вашей чашке постоянно движется в разных направлениях. Что это за “футболисты” , играющие этой крошкой, как мячом? Такое движение называется броуновским движением. Его автор, также как и Вы по утрам смотрите в чашку, так и он исследовал непонятное движение пыльцы плауна. Ведь пыльца - это неживая природа, значит двигаться она самостоятельно не может.

  Мы решили докопаться до истины. Было проведено моделирование движения броуновской частицы. Для этого использовалась игра-модель Эренфеста-Шредингера .

  Модель состояла из четырёх ящиков, расположенных друг напротив друга крестообразным образом. В каждом ящике – по 50 фишек. Одна пара ящиков отвечала за перемещения частицы по оси Y, а другая – по оси Х. Нужно сразу сказать, что модель упрощена, так как существуют диагональные оси, на которых мы точки не откладываем.

Результаты и их анализ 

Результаты моделирования представлены в виде графиков на рис. На графиках изображены траектории движения «мяча» – броуновской частицы. Эти траектории доказывают, что наш “мяч” движется непрерывно и хаотично, также как и настоящий мяч на футбольном поле.