Langkah ke arah nanoteknologi
Beribu-ribu tahun yang lalu, orang tertanya-tanya dari apa badan di sekelilingnya. Jawapannya berbeza-beza. Di Yunani kuno, saintis menyatakan pendapat bahawa semua badan terdiri daripada unsur-unsur kecil yang tidak boleh dibahagikan, yang mereka panggil atom. Sedikitnya, mereka tidak dapat menyatakannya. Selama beberapa abad, pandangan orang Yunani hanya tinggal hipotesis. Mereka dikembalikan kepada mereka pada abad ke-XNUMX, apabila eksperimen dijalankan untuk menganggarkan saiz molekul dan atom.
Salah satu eksperimen penting dari segi sejarah, yang memungkinkan untuk mengira saiz zarah, telah dijalankan Saintis Inggeris Lord Rayleigh. Memandangkan ia mudah dilakukan dan pada masa yang sama sangat meyakinkan, mari cuba ulangi di rumah. Kemudian kita beralih kepada dua eksperimen lain yang akan membolehkan kita mempelajari beberapa sifat molekul.
Apakah saiz zarah?
nasi. 1. Kaedah menyediakan picagari untuk meletakkan larutan minyak dalam petrol yang diekstrak ke dalamnya; p - poksilin,
c - picagari
Mari cuba jawab soalan ini dengan menjalankan eksperimen berikut. Dari picagari 2 cm3 keluarkan pelocok dan tutup alur keluarnya dengan Poxiline supaya ia mengisi sepenuhnya tiub alur keluar yang dimaksudkan untuk memasukkan jarum (Gamb. 1). Kami tunggu beberapa minit sehingga Poxilina mengeras. Apabila ini berlaku, tuangkan ke dalam picagari kira-kira 0,2 cm3 minyak yang boleh dimakan dan rekod nilai ini. Ini adalah jumlah minyak yang digunakan.o. Isi isipadu picagari yang tinggal dengan petrol. Campurkan kedua-dua cecair dengan wayar sehingga penyelesaian homogen diperolehi dan pasangkan picagari secara menegak dalam mana-mana pemegang.
Kemudian tuangkan air suam ke dalam besen supaya kedalamannya 0,5-1 cm Gunakan air suam, tetapi tidak panas, supaya wap yang naik tidak dapat dilihat. Kami menyeret jalur kertas di sepanjang permukaan air beberapa kali secara tangen padanya untuk membersihkan permukaan debunga rawak.
Kami mengumpul sedikit campuran minyak dan petrol ke dalam penitis dan memacu penitis melalui tengah kapal dengan air. Dengan perlahan-lahan menekan pemadam, kami menjatuhkan setitik yang mungkin ke permukaan air. Setitik campuran minyak dan petrol akan merebak secara meluas ke semua arah di atas permukaan air dan membentuk lapisan yang sangat nipis dengan ketebalan yang sama dengan satu diameter zarah di bawah keadaan yang paling baik - yang dipanggil lapisan monomolekul. Selepas beberapa lama, biasanya beberapa minit, petrol akan menyejat (dipercepatkan oleh kenaikan suhu air), meninggalkan lapisan minyak monomolekul di permukaan (Rajah 2). Lapisan yang dihasilkan paling kerap mempunyai bentuk bulatan dengan diameter beberapa sentimeter atau lebih.
nasi. 2. Lapisan minyak monomolekul pada permukaan air
m - pelvis, c - air, o - minyak, D - diameter pembentukan, d - ketebalan pembentukan
(saiz zarah minyak)
Kami menerangi permukaan air dengan mengarahkan pancaran cahaya dari lampu suluh secara menyerong ke atasnya. Disebabkan ini, sempadan lapisan lebih kelihatan. Kita boleh menentukan anggaran diameter D dengan mudah daripada pembaris yang dipegang tepat di atas permukaan air. Mengetahui diameter ini, kita boleh mengira luas lapisan S menggunakan formula untuk luas bulatan:
Jika kita tahu berapa isipadu minyak V1 terkandung dalam titisan yang dijatuhkan, maka diameter molekul minyak d boleh dikira dengan mudah, dengan mengandaikan bahawa minyak cair dan membentuk lapisan dengan permukaan S, iaitu:
Selepas membandingkan formula (1) dan (2) dan penjelmaan mudah, kami memperoleh formula yang membolehkan kami mengira saiz zarah minyak:
Cara yang paling mudah, tetapi bukan yang paling tepat untuk menentukan volum V1 adalah untuk memeriksa berapa banyak titisan yang boleh diperoleh daripada jumlah isipadu campuran yang terkandung dalam picagari dan membahagikan isipadu minyak Vo yang digunakan dengan nombor ini. Untuk melakukan ini, kami mengumpul campuran dalam pipet dan mencipta titisan, cuba menjadikannya saiz yang sama seperti ketika ia dijatuhkan ke permukaan air. Kami melakukan ini sehingga keseluruhan campuran habis.
Kaedah yang lebih tepat, tetapi lebih memakan masa adalah dengan berulang kali menjatuhkan titisan minyak pada permukaan air, mendapatkan lapisan minyak monomolekul dan mengukur diameternya. Sudah tentu, sebelum setiap lapisan dibuat, air dan minyak yang digunakan sebelum ini mesti dituangkan keluar dari besen dan dituangkan bersih. Daripada ukuran yang diperoleh, min aritmetik dikira.
Menggantikan nilai yang diperolehi ke dalam formula (3), jangan lupa untuk menukar unit dan menyatakan ungkapan dalam meter (m) dan V1 dalam meter padu (m3). Dapatkan saiz zarah dalam meter. Saiz ini bergantung kepada jenis minyak yang digunakan. Hasilnya mungkin tersilap kerana andaian yang memudahkan andaian yang dibuat, khususnya kerana lapisan itu bukan monomolekul dan saiz titisan tidak selalu sama. Adalah mudah untuk melihat bahawa ketiadaan lapisan monomolekul membawa kepada anggaran yang berlebihan nilai d. Saiz biasa zarah minyak berada dalam julat 10-8-10-9 m. Blok 10-9 m dipanggil nanometer dan sering digunakan dalam bidang yang berkembang pesat dikenali sebagai nanoteknologi.
Isipadu cecair "hilang".
nasi. 3. Reka bentuk kapal ujian pengecutan cecair;
g - lutsinar, tiub plastik, p - poksilin, l - pembaris,
t - pita lutsinar
Dua eksperimen berikut akan membolehkan kita membuat kesimpulan bahawa molekul badan yang berbeza mempunyai bentuk dan saiz yang berbeza. Untuk melakukan yang pertama, potong dua keping tiub plastik lutsinar, kedua-duanya 1-2 cm diameter dalaman dan 30 cm panjang.Setiap kepingan tiub dilekatkan dengan beberapa keping pita pelekat ke tepi pembaris yang berasingan bertentangan dengan skala (Gamb. . 3). Tutup hujung bawah hos dengan palam poksilin. Betulkan kedua-dua pembaris dengan hos terpaku dalam kedudukan menegak. Tuangkan air yang cukup ke dalam salah satu hos untuk membuat lajur kira-kira separuh panjang hos, katakan 14 cm. Tuangkan jumlah etil alkohol yang sama ke dalam tabung uji kedua.
Sekarang kita bertanya, berapakah ketinggian lajur campuran kedua-dua cecair? Mari cuba dapatkan jawapan kepada mereka secara eksperimen. Tuangkan alkohol ke dalam hos air dan segera ukur paras atas cecair. Kami menandakan tahap ini dengan penanda kalis air pada hos. Kemudian campurkan kedua-dua cecair dengan wayar dan periksa tahapnya sekali lagi. Apa yang kita perasan? Ternyata tahap ini telah menurun, i.e. isipadu campuran adalah kurang daripada jumlah isipadu bahan yang digunakan untuk menghasilkannya. Fenomena ini dipanggil penguncupan isipadu cecair. Pengurangan dalam jumlah biasanya beberapa peratus.
Penjelasan model
Untuk menerangkan kesan mampatan, kami akan menjalankan eksperimen model. Molekul alkohol dalam eksperimen ini akan diwakili oleh biji kacang, dan molekul air akan menjadi biji popi. Tuangkan kacang polong berbutir besar kira-kira 0,4 m tinggi ke dalam hidangan pertama, sempit, telus, sebagai contoh, balang tinggi. Tuangkan biji popi ke dalam bekas kedua yang sama dengan ketinggian yang sama (foto 1a). Kemudian kami menuangkan biji popi ke dalam bekas dengan kacang polong dan menggunakan pembaris untuk mengukur ketinggian yang mencapai tahap tertinggi bijirin. Kami menandakan tahap ini dengan penanda atau gelang getah farmaseutikal pada kapal (foto 1b). Tutup bekas dan goncangkannya beberapa kali. Kami meletakkannya secara menegak dan periksa ketinggian tahap atas campuran bijirin sekarang. Ternyata ia lebih rendah daripada sebelum dicampur (foto 1c).
Eksperimen menunjukkan bahawa selepas mencampurkan, biji popi kecil memenuhi ruang kosong antara kacang, akibatnya jumlah isipadu yang diduduki oleh campuran itu berkurangan. Keadaan yang sama berlaku apabila mencampurkan air dengan alkohol dan beberapa cecair lain. Molekul mereka datang dalam pelbagai saiz dan bentuk. Akibatnya, zarah yang lebih kecil mengisi jurang antara zarah yang lebih besar dan isipadu cecair berkurangan.
Foto 1. Peringkat kajian model mampatan berikut:
a) kacang dan biji popia dalam bekas yang berasingan,
b) bijirin selepas penumpahan, c) pengurangan isipadu bijirin selepas dicampur
Implikasi moden
Hari ini diketahui umum bahawa semua badan di sekeliling kita terdiri daripada molekul, dan mereka, pada gilirannya, terdiri daripada atom. Kedua-dua molekul dan atom berada dalam gerakan rawak yang berterusan, yang kelajuannya bergantung pada suhu. Terima kasih kepada mikroskop moden, terutamanya mikroskop terowong pengimbasan (STM), atom individu boleh diperhatikan. Kaedah juga diketahui menggunakan mikroskop daya atom (AFM-), yang membolehkan anda menggerakkan atom individu dengan tepat dan menggabungkannya ke dalam sistem yang dipanggil. struktur nano. Kesan mampatan juga mempunyai implikasi praktikal. Kita mesti mengambil kira ini apabila memilih jumlah cecair tertentu yang diperlukan untuk mendapatkan campuran isipadu yang diperlukan. Anda mesti mengambil kira, termasuk. dalam pengeluaran vodka, yang, seperti yang anda ketahui, adalah campuran terutamanya etil alkohol (alkohol) dan air, kerana jumlah minuman yang dihasilkan akan kurang daripada jumlah isipadu bahan.
