Крок до нанотехнологій
Тисячі років тому люди ставили питання, з чого складаються оточуючі тіла. Відповіді були різними. У Стародавню Грецію вчені висловлювали думку, що це тіла складаються з маленьких неподільних елементів, які вони називали атомами. Наскільки мало, вони не змогли вказати. Протягом кількох століть погляди греків залишалися лише гіпотезами. Їх повернули їм у XNUMX столітті, коли проводилися досліди щодо оцінки розмірів молекул та атомів.
Один із історично значущих експериментів, що дозволив розрахувати розміри частинок, був проведений англійський вчений лорд Релей. Так як він простий у виконанні і водночас дуже переконливий, спробуємо повторити його вдома. Потім ми звернемося до двох інших експериментів, які дозволять нам дізнатися про деякі властивості молекул.
Які розміри частинок?
Мал. 1. Спосіб приготування шприца для приміщення розчину олії в екстрагованому бензині; р - поксиліну,
с – шприц
Спробуємо відповісти це питання, провівши наступний експеримент. Зі шприца 2 см3 вийміть поршень і заклейте його вихід Poxiline так, щоб він повністю заповнив вихідну трубку, призначену для введення голки (мал. 1). Чекаємо кілька хвилин, поки Poxilina затвердіє. Коли це станеться, налийте в шприц близько 0,2 см.3 харчової олії та запишіть це значення. Це обсяг використовуваної олії В.o. Заповніть залишок шприца бензином. Перемішайте обидві рідини дротом до отримання однорідного розчину та закріпіть шприц вертикально у будь-якому утримувачі.
Потім налийте в таз теплу воду так, щоб його глибина була 0,5-1 см. Використовуйте теплу воду, але не гарячу, щоб не було видно пари, що піднімається. По поверхні води протягуємо по дотичній до неї кілька разів паперову смужку, щоб очистити поверхню від випадкового пилку.
Набираємо в крапельницю трохи суміші олії та бензину та водимо крапельницею по центру судини з водою. Акуратно натискаючи на гумку, капаємо на поверхню води якомога дрібнішу краплю. Крапля суміші нафти і бензину широко розтікатиметься на всі боки по поверхні води і утворюватиме дуже тонкий шар товщиною, за найсприятливіших умов дорівнює одному діаметру частинки, — так званий мономолекулярний шар. Через деякий час, зазвичай, кілька хвилин, бензин випарується (що прискорюється за рахунок підвищення температури води), а на поверхні залишиться мономолекулярний шар масла (мал. 2). Отримуваний шар найчастіше має форму кола діаметром кілька сантиметрів і більше.
Рис. 2. Мономолекулярний шар нафти на поверхні води
м - балія, в - вода, про - нафта, Д - діаметр пласта, г - товщина пласта
(розмір частинок олії)
Висвітлюємо водну гладь, направивши на неї промінь світла від ліхтарика по діагоналі. Завдяки цьому межі шару помітніші. Ми можемо легко визначити його приблизний діаметр по лінійці, яку тримають прямо над поверхнею води. Знаючи цей діаметр, ми можемо обчислити площу шару S за формулою площі кола:
Якби ми знали, який обсяг олії V1 що міститься в краплі, що випала, то діаметр молекули масла d можна було б легко обчислити, припускаючи, що масло розплавилося і утворило шар з поверхнею S, тобто:
Після порівняння формул (1) і (2) та простого перетворення отримуємо формулу, що дозволяє розрахувати розмір частинки олії:
Найпростіший, але не найточніший спосіб визначення обсягу V1 полягає в тому, щоб перевірити, скільки крапель можна отримати з усього об'єму суміші, що міститься в шприці, і розділити обсяг використаного масла на це число. Для цього набираємо суміш у піпетку та створюємо крапельки, намагаючись, щоб вони були такого ж розміру, як при капанні їх на поверхню води. Робимо це доти, доки вся суміш не буде вичерпана.
Більш точний, але більш трудомісткий метод полягає в багаторазовому падінні краплі олії на поверхню води, отриманні мономолекулярного шару олії та вимірі його діаметра. Зрозуміло, перед тим, як буде зроблений кожен шар, раніше використану воду та масло необхідно вилити з тазу та залити чистими. З отриманих вимірів обчислюють середнє арифметичне значення.
Підставивши отримані значення у формулу (3), не забудьте перевести одиниці та виразити вираз у метрах (м) та В1 в кубічних метрах (м3). Отримуємо розмір частинок у метрах. Цей розмір залежатиме від типу олії. Результат може бути помилковим через зроблені припущення спрощують, зокрема через те, що шар не був мономолекулярним і що розміри крапель не завжди були однаковими. Неважко помітити, що відсутність мономолекулярності шару призводить до завищення значення d. Звичайні розміри частинок олії знаходяться в межах 10-8-10-9 м. Блок 10-9 м називається нанометр і часто використовується в області, що швидко розвивається, відомої як нанотехнології.
«Зникаючий» об'єм рідини
Рис. 3. Конструкція судини для випробування рідини на усадку;
ж – прозора, пластикова трубка, п – поксиліну, л – лінійка,
т – прозорий скотч
Наступні два експерименти дозволять зробити висновок, що молекули різних тіл мають різну форму та розміри. Для виконання першого відріжте два шматки прозорої пластикової трубки, обидва внутрішнім діаметром 1-2 см і довжиною 30 см. Кожен відрізок трубки приклеюється кількома шматочками липкої стрічки до краю окремої лінійки, протилежної шкалі (рис. 3). Закрити нижні кінці шлангів заглушками із поксиліну. Закріпіть обидві лінійки приклеєними шлангами у вертикальному положенні. Налийте в один із шлангів достатню кількість води, щоб вийшов стовп довжиною приблизно половину довжини шланга, наприклад 14 см. У другу пробірку налийте таку ж кількість етилового спирту.
Тепер запитаємо, якою буде висота стовпа суміші обох рідин? Спробуємо отримати відповідь експериментальним шляхом. Налийте спирт у шланг для води та одразу ж виміряйте верхній рівень рідини. Ми відзначаємо цей рівень водостійким маркером на шлангу. Потім змішайте обидві рідини дротом і знову перевірте рівень. Що ми помічаємо? Виходить, що це рівень зменшився, тобто. обсяг суміші менший за суму обсягів інгредієнтів, використаних для її виробництва. Це називається скороченням обсягу рідини. Зменшення обсягу зазвичай становить кілька відсотків.
Пояснення моделі
Для пояснення ефекту стиску проведемо модельний експеримент. Молекули спирту у цьому експерименті будуть представлені зернами гороху, а молекули води – насінням маку. У перший, вузький, прозорий посуд, наприклад високу банку, насипати крупнозернистий горох висотою приблизно 0,4 м. У другій такий самий посуд такої ж висоти насипте мак (фото 1а). Потім насипаємо мак в посудину з горошком і за допомогою лінійки вимірюємо висоту, до якої доходить верхній рівень зерен. Відзначаємо цей рівень маркером або аптекарською гумкою на посудині (фото 1б). Закриваємо посудину і кілька разів струшуємо. Ставимо їх вертикально та перевіряємо, до якої висоти тепер доходить верхній рівень зерносуміші. Виходить, що вона нижча, ніж до змішування (фото 1в).
Експеримент показав, що після перемішування дрібне насіння маку заповнило вільні простори між горошинами, в результаті чого загальний обсяг, який займає суміш, зменшився. Аналогічна ситуація виникає при змішуванні води зі спиртом та деякими іншими рідинами. Їх молекули бувають всіх розмірів та форм. В результаті частинки меншого розміру заповнюють проміжки між більшими частинками та відбувається скорочення обсягу рідини.
Фото 1. Наступні етапи дослідження моделі стиснення:
а) боби та мак в окремих судинах,
б) зерна після осипання; в) зменшення обсягу зерен після перемішування
Сучасні наслідки
Сьогодні добре відомо, що всі тіла довкола нас складаються з молекул, а ті, у свою чергу, складаються з атомів. І молекули, і атоми перебувають у постійному безладному русі, швидкість якого від температури. Завдяки сучасним мікроскопам, особливо скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), можна спостерігати окремі атоми. Відомі також методи, в яких використовується атомно-силовий мікроскоп (АСМ-), що дозволяє точно переміщати окремі атоми та об'єднувати їх у системи, які називають наноструктурами. Ефект стиснення має практичного значення. Ми повинні враховувати це при доборі кількості тих чи інших рідин, необхідних отримання суміші необхідного обсягу. Ви повинні взяти його до уваги, зокрема. при виробництві горілок, які, як відомо, є сумішшю переважно етилового спирту (спирту) і води, так як обсяг одержуваного напою буде менше суми обсягів інгредієнтів.
