Движение молекул воды: Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах

Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах

Молекулярно-кинетическая теория
даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях:
в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают
четвёртым состоянием вещества.

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю,
связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются
изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.

Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга,
меняется только их расположение, характер теплового движения и
силы межмолекулярного взаимодействия.

Движение молекул в газах

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а
силы притяжения
очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются,
потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством
неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с
очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны.
Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Движение молекул в жидкостях

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают
перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически.
Временной отрезок между такими перескоками получил название
среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации)
и обозначается буквой ?. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного
определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем
10-11 с. Время одного колебания составляет 10-12…10-13 с.

Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами
жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а
межмолекулярное притяжение
велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным
по всему объёму.

Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы.
Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством,
как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется
изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям
внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях
установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).

Движение молекул в твёрдых телах

Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют
кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими.
Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между
ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют
собственную форму.

Пикосекунды: 1. Атомное движение

Масштабы: времена > Пикосекунды

1 пс = 10−12 c

Если при наносекундном масштабе мы следили за свойствами вещества, то в пикосекундном диапазоне коллективное поведение сплошной материи как бы рассыпается на отдельные элементарные «шаги».

На пикосекундах нам открывается новый мир — мир атомного движения.

\[v_T = \sqrt{ \frac{3k_B T}{m}} \]
kB — постоянная Больцмана,

m — масса молекулы

И сразу первая приятная новость: пикосекундный масштаб атомных движений не требуется запоминать, его легко вычислить. Смотрите: типичное расстояние между атомами в жидкости или твердом теле — несколько атомных размеров, т.  е. несколько ангстрем. Типичные скорости движения — это обычные тепловые скорости. Их можно сосчитать по формуле, но для самых простых оценок по порядку величины можно просто взять скорость звука в воздухе — ведь этот звук связан с движением атомов. Эта простая оценка дает опорный масштаб времен атомного движения в твердом теле или в жидкости:

T0   ~    несколько атомных размеров  ~  
скорость звука в воздухе
~  3 Å  =   1 пс
300 м/с

Сюда, в принципе, можно было подставить и скорость звука в твердом теле, хоть это было бы чуть менее корректно. Мы бы тогда получили время в несколько раз меньше, но такое отличие для понимания масштаба несущественно.

Конечно, в каждой конкретной ситуации характерное время атомного движения может отклоняться в ту или иную сторону. Например, атомы водорода очень легкие, и из-за этого они при комнатной температуре движутся намного быстрее. Типичный период колебаний или столкновений атомов водорода на порядок меньше нашей оценки и составляет несколько десятков фемтосекунд. Тяжелые молекулы или части крупных и сложных молекул, наоборот, движутся заметно медленнее. Ну а если вдобавок говорить про температуры, существенно отличающиеся от комнатной, то и скорости, и времена между столкновениями тоже могут измениться.

Однако с точностью до этих оговорок и уточнений наше простое вычисление дает верную оценку для важнейшего опорного временного рубежа. На временах намного больше пикосекунды молекулярное движение выходит из поля зрения, и мы тогда говорим про усредненные свойства вещества. На временах, много меньших пикосекунды, движением атомов можно пренебречь, вещество как таковое нас уже не интересует, и мы погружаемся в мир внутриатомного движения.

Напоследок, для желающих помедитировать под атомное движение, — видеоролик с результатами моделирования движения молекул воды в маленьком объемчике.

Пределы звука

Наносекунды. Информационная емкость радиоволны

Написать комментарий

Итоги работы Большого адронного коллайдера в 2022 году

26.12.2022 • Игорь Иванов

Бело-черная пятница американской науки

25.11.2022 • Алексей Левин

Нобелевская премия по физике — 2022

08.10.2022 • Алексей Левин

В данных LHC проступают новые намеки на отклонения от Стандартной модели

30.09.2022 • Игорь Иванов

Все новости физики

Диффузия и осмос — Биология LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    23851
    • Кэтрин Харрис
    • Колледж Хартнелл

    Водный раствор, содержащий питательные вещества, отходы, газы, соли и другие вещества, окружает клетки. Это внешняя среда клетки. Наружная поверхность плазматической мембраны клетки соприкасается с этой внешней средой, а внутренняя поверхность соприкасается с цитоплазмой. Таким образом, плазматическая мембрана контролирует то, что входит и выходит из клетки.

    Мембрана пропускает некоторые материалы, но не все. Говорят, что клеточная мембрана  избирательно проницаемый . Небольшие молекулы, например, могут проходить через мембрану. Если для прохождения веществ через мембрану не требуется энергии, этот процесс называется пассивным транспортом . В этом руководстве мы обсудим два примера пассивного транспорта: диффузия и осмос .

    Распространение
    Хотя вы можете не знать, что такое распространение, вы испытали этот процесс. Можете ли вы вспомнить, как вы вошли в парадную дверь своего дома и почувствовали приятный аромат, исходящий из кухни? Именно диффузия молекул из кухни к входной двери дома позволила обнаружить запахи.

    Диффузия определяется как суммарное движение молекул из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией .

    Молекулы в газе, жидкости или твердом теле находятся в постоянном движении благодаря своей кинетической энергии . Молекулы находятся в постоянном движении и сталкиваются друг с другом. Эти столкновения заставляют молекулы двигаться в случайном направлении. Однако со временем большее количество молекул будет перемещаться в менее концентрированную область. Таким образом, чистое движение молекул всегда происходит от более плотно упакованных областей к менее плотно упакованным областям. Многие вещи могут рассеиваться. Запахи распространяются по воздуху, соль распространяется по воде, а питательные вещества попадают из крови в ткани организма.

    Это распространение частиц путем случайного движения из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией называется диффузией. Это неравное распределение молекул называется градиентом концентрации . Как только молекулы становятся равномерно распределенными, существует динамическое равновесие . Равновесие называется динамическим, поскольку молекулы продолжают двигаться, но, несмотря на это изменение, концентрация не меняется с течением времени. И живые, и неживые системы испытывают процесс диффузии. В живых системах диффузия отвечает за перемещение большого количества веществ, таких как газы и небольшие незаряженные молекулы, в клетки и из них.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\). (CC BY-NC-SA)

    Осмос

    Осмос – это особый тип диффузии; это прохождение воды из области с высокой концентрацией воды через полупроницаемую мембрану в область с низкой концентрацией воды.

    Полупроницаемые мембраны  представляют собой очень тонкие слои материала, которые пропускают через себя одни вещества, но препятствуют прохождению других. Клеточные мембраны являются примером полупроницаемых мембран. Клеточные мембраны пропускают небольшие молекулы, такие как кислород, углекислый газ и глюкозу, но не позволяют более крупным молекулам, таким как сахароза, белки и крахмал, напрямую проникать в клетку.

    Рисунок \(\PageIndex{2}\). (CC BY-NC-SA)

    Пример : Если бы была полупроницаемая мембрана с большим количеством молекул воды на одной стороне, чем на другой, молекулы воды перетекали бы со стороны с высокой концентрацией воды в сторона с меньшей концентрацией воды. Это будет продолжаться до тех пор, пока концентрации воды по обе стороны мембраны не станут равными (установится динамическое равновесие).

    Рисунок \(\PageIndex{3}\). (CC BY-NC-SA)

    Осмотическое давление
    Добавление сахара в воду приведет к уменьшению концентрации воды, поскольку молекулы сахара вытесняют молекулы воды.

    Рисунок \(\PageIndex{4}\). осмотическое давление (CC BY-NC-SA; LadyOfHats)

    Если два контейнера соединены, но разделены полупроницаемой мембраной, молекулы воды будут вытекать из области высокой концентрации воды (раствор, не содержащий любой сахар) в область меньшей концентрации воды (раствор, содержащий сахар).

    Рисунок \(\PageIndex{5}\). осмотическое давление (CC BY-NC-SA; LadyOfHats)

    Это движение воды будет продолжаться до тех пор, пока концентрация воды на обеих сторонах мембраны не станет одинаковой, что приведет к изменению объема с обеих сторон. Сторона, которая содержит сахар, в конечном итоге будет иметь больший объем.

    Рисунок \(\PageIndex{6}\). осмотическое давление (CC BY-NC-SA; LadyOfHats)

    Водные растворы очень важны в биологии. Когда вода смешивается с другими молекулами, эта смесь называется раствор . Вода — это растворитель , а растворенное вещество — это растворенное вещество . Раствор характеризуется растворенным веществом. Например, вода и сахар будут характеризоваться как раствор сахара.

    Классическим примером, используемым для демонстрации осмоса и осмотического давления, является погружение эритроцитов в растворы сахара различной концентрации. Есть три возможных взаимодействия, с которыми могут столкнуться клетки при помещении их в раствор сахара.

    1. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть  равно концентрации растворенного вещества в клетках. В этой ситуации клетка находится в изотоническом растворе (изо = равно или как обычно). Красные кровяные тельца сохранят свою нормальную форму в этой среде, поскольку количество воды, поступающей в клетку, равно количеству воды, покидающей клетку.

    2. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть больше, чем концентрация растворенного вещества в клетках. Эта клетка описана как находящаяся в гипертоническом растворе  (гипер = больше, чем обычно). В этой ситуации будет казаться, что красная кровь сжимается по мере того, как вода вытекает из клетки в окружающую среду.

    3. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть на меньше, чем концентрация растворенного вещества в клетках. Эта клетка находится в гипотоническом растворе (гипо = меньше нормы). Эритроцит в этой среде станет заметно опухшим и потенциально может разорваться, когда вода устремится в клетку.

    Рисунок \(\PageIndex{4}\). (CC BY-NC-SA)

    Рисунок \(\PageIndex{4}\). (CC BY-NC-SA)

    Эта страница под названием «Диффузия и осмос» используется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA, автором, ремиксом и/или куратором которой является Кэтрин Харрис.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Автор
        Кэтрин Харрис
        Лицензия
        CC BY-NC-SA
        Показать оглавление
        нет
      2. Теги
          На этой странице нет тегов.

      Что такое осмос?

      © 2019-2021 STEM Learning Limited и Кембриджский университет. Все права защищены.

      В течение оставшейся части этой недели мы будем просить вас оценить различные стратегии обучения, помогающие учащимся освоить осмос, начиная с использования анимации в биологии, затем выполняя практическую работу и, наконец, моделируя. Но сначала мы начнем с краткого обзора того, что такое осмос.

      Что такое осмос?

      Вот определение осмоса, которое вы встретите в большинстве учебников:

      В биологии осмос — это движение молекул воды из раствора с высокой концентрацией молекул воды в раствор с более низкой концентрацией молекул воды через частично проницаемую мембрану клетки.

      Частично проницаемая мембрана (иногда называемая избирательно проницаемой мембраной) позволяет проходить через нее только определенным молекулам или ионам

      На приведенной выше диаграмме более высокая концентрация молекул воды слева от частично проницаемой мембраны делает вероятным, что большое количество молекул воды столкнется с мембраной и пройдет через нее.

      Более низкая концентрация молекул воды с правой стороны частично проницаемой мембраны на диаграмме делает вероятным, что меньшее количество молекул воды будет сталкиваться с мембраной и проходить через нее.

      Это означает, что на этой диаграмме слева направо движется больше молекул воды, чем справа налево, поэтому общее движение (чистое движение) происходит вправо. Однако важно подчеркнуть учащимся, что молекулы воды движутся в обоих направлениях.

      Часто это описывается как движение «вниз по градиенту концентрации», означающее, что вода движется от более высокой концентрации воды (в данном случае разбавленного раствора сахарозы) к более низкой концентрации воды (концентрированного раствора сахарозы). ).

      Если растительная клетка окружена раствором, который содержит молекулы воды с более высокой концентрацией, чем раствор внутри клетки, вода будет проникать в клетку путем осмоса, и растительная клетка станет набухшей (твердой). Давление, возникающее внутри растительной клетки, когда она становится набухшей, называется тургорным давлением. Набухшие растительные клетки помогают стеблю оставаться в вертикальном положении.

      Если растительная клетка окружена раствором, который содержит молекулы воды с более низкой концентрацией, чем раствор внутри растительной клетки, вода будет покидать клетку за счет осмоса, и растительная клетка станет дряблой (мягкой). Если клетки стебля растения станут дряблыми, тургорное давление внутри них уменьшится, и стебель увянет.

      Если растительная клетка окружена раствором, который содержит ту же концентрацию молекул воды, что и раствор внутри растительной клетки, общий чистый поток воды отсутствует. Движение молекул воды в клетку и из нее через частично проницаемую мембрану уравновешивается.

      Транспирация поддерживает движение воды

      В растениях вода проникает в клетки корня путем осмоса и перемещается в трубки, называемые сосудами ксилемы, для транспортировки к листьям. Молекулы воды внутри клеток ксилемы сильно притягиваются друг к другу из-за водородных связей (это называется сцеплением).