Træd mod nanoteknologi

For tusinder af år siden undrede folk sig over, hvad de omkringliggende kroppe er lavet af. Svarene varierede. I det antikke Grækenland udtrykte videnskabsmænd den opfattelse, at alle kroppe består af små udelelige elementer, som de kaldte atomer. Hvor lidt, kunne de ikke specificere. I flere århundreder forblev grækernes synspunkter kun hypoteser. De blev returneret til dem i det XNUMX. århundrede, da eksperimenter blev udført for at estimere størrelsen af ​​molekyler og atomer.

Et af de historisk betydningsfulde forsøg, som gjorde det muligt at beregne partikelstørrelser, blev udført Engelsk videnskabsmand Lord Rayleigh. Da det er enkelt at udføre og samtidig meget overbevisende, så lad os prøve at gentage det derhjemme. Så vender vi os til to andre eksperimenter, der vil give os mulighed for at lære nogle af molekylernes egenskaber.

Hvad er partikelstørrelserne?

Ris. 1. Fremgangsmåde til fremstilling af en sprøjte til at placere en opløsning af olie i ekstraheret benzin i den; p - poxylin,

c - sprøjte

Lad os prøve at besvare dette spørgsmål ved at udføre følgende eksperiment. Fra en 2 cm sprøjte³ fjern stemplet og forsegl dets udløb med Poxiline, så det fylder helt udløbsrøret, der er beregnet til indføring af nålen (fig. 1). Vi venter et par minutter, indtil Poxilina hærder. Når dette sker, hældes det ca. 0,2 cm i sprøjten³ spiseolie og noter denne værdi. Dette er mængden af ​​brugt olie._o. Fyld den resterende mængde af sprøjten med benzin. Bland begge væsker med en wire, indtil der opnås en homogen opløsning, og fastgør sprøjten lodret i enhver holder.

Hæld derefter varmt vand i bassinet, så dets dybde er 0,5-1 cm Brug varmt vand, men ikke varmt, så den opstigende damp ikke kan ses. Vi trækker en papirstrimmel langs overfladen af ​​vandet flere gange tangentielt til den for at rense overfladen for tilfældig pollen.

Vi opsamler en lille blanding af olie og benzin i dråbeholderen og driver dråbeholderen gennem midten af ​​fartøjet med vand. Ved forsigtigt at trykke på viskelæderet slipper vi så lille en dråbe som muligt på vandoverfladen. En dråbe af en blanding af olie og benzin vil sprede sig vidt i alle retninger ud over vandoverfladen og danne et meget tyndt lag med en tykkelse svarende til én partikeldiameter under de mest gunstige forhold - den såkaldte monomolekylært lag. Efter nogen tid, normalt et par minutter, vil benzinen fordampe (accelereret af stigningen i vandtemperaturen), hvilket efterlader et monomolekylært olielag på overfladen (fig. 2). Det resulterende lag har oftest form som en cirkel med en diameter på flere centimeter eller mere.

Ris. 2. Monomolekylært lag af olie på vandoverfladen

m – bækken, c – vand, o – olie, D – formationens diameter, d – formationens tykkelse

(oliepartikelstørrelse)

Vi oplyser vandoverfladen ved at rette en lysstråle fra en lommelygte diagonalt ind på den. På grund af dette er lagets grænser mere synlige. Vi kan nemt bestemme dens omtrentlige diameter D ud fra en lineal, der holdes lige over vandoverfladen. Ved at kende denne diameter kan vi beregne arealet af laget S ved hjælp af formlen for arealet af en cirkel:

Hvis vi vidste, hvad er volumen af ​​olie V₁ indeholdt i den dråbede dråbe, så kunne diameteren af ​​oliemolekylet d let beregnes, idet det antages, at olien smeltede og dannede et lag med en overflade S, dvs.:

Efter at have sammenlignet formlerne (1) og (2) og en simpel transformation, får vi en formel, der giver os mulighed for at beregne størrelsen af ​​en oliepartikel:

Den nemmeste, men ikke den mest nøjagtige måde at bestemme volumen V₁ er at kontrollere, hvor mange dråber der kan opnås fra det samlede volumen af ​​blandingen indeholdt i sprøjten og dividere mængden af ​​olie Vo, der bruges, med dette tal. For at gøre dette samler vi blandingen i en pipette og laver dråber og prøver at få dem til at være i samme størrelse, som når de falder på overfladen af ​​vandet. Vi gør dette, indtil hele blandingen er opbrugt.

En mere præcis, men mere tidskrævende metode er gentagne gange at tabe en oliedråbe på vandoverfladen, opnå et monomolekylært olielag og måle dets diameter. Inden hvert lag laves, skal det tidligere brugte vand og olie selvfølgelig hældes ud af bassinet og hældes rent. Ud fra de opnåede målinger beregnes det aritmetiske gennemsnit.

Ved at erstatte de opnåede værdier i formel (3), glem ikke at konvertere enhederne og udtrykke udtrykket i meter (m) og V₁ i kubikmeter (m³). Få partikelstørrelsen i meter. Denne størrelse afhænger af den anvendte olietype. Resultatet kan være forkert på grund af de forenklede antagelser, der er gjort, især fordi laget ikke var monomolekylært, og at dråbestørrelserne ikke altid var de samme. Det er let at se, at fraværet af et monomolekylært lag fører til en overvurdering af værdien af ​​d. De sædvanlige størrelser af oliepartikler er i intervallet 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 m kaldes nanometer og bruges ofte i det blomstrende felt kendt som nanoteknologi.

"Forsvindende" volumen af ​​væske

Ris. 3. Udformningen af ​​prøvebeholderen til væskekrympning;

g - gennemsigtigt plastrør, p - poxylin, l - lineal,

t - gennemsigtig tape

De følgende to eksperimenter vil give os mulighed for at konkludere, at molekylerne i forskellige legemer har forskellige former og størrelser. Til det første skæres to stykker gennemsigtigt plastikrør, begge 1-2 cm i indvendig diameter og 30 cm lange. Hvert stykke rør limes med flere stykker klæbende tape til kanten af ​​en separat lineal modsat skalaen (fig. 3). Luk de nederste ender af slangerne med poxylinpropper. Fastgør begge linealer med limede slanger i lodret position. Hæld nok vand i en af ​​slangerne til at lave en søjle omkring halvdelen af ​​slangens længde, f.eks. 14 cm. Hæld den samme mængde ethylalkohol i det andet reagensglas.

Nu spørger vi, hvad vil være højden af ​​kolonnen af ​​blandingen af ​​begge væsker? Lad os prøve at få et svar på dem eksperimentelt. Hæld alkohol i vandslangen og mål straks det øverste niveau af væsken. Vi markerer dette niveau med en vandtæt markør på slangen. Bland derefter begge væsker med en wire og kontroller niveauet igen. Hvad lægger vi mærke til? Det viser sig, at dette niveau er faldet, dvs. volumenet af blandingen er mindre end summen af ​​mængderne af de ingredienser, der er brugt til at fremstille den. Dette fænomen kaldes væskevolumenkontraktion. Reduktionen i volumen er normalt et par procent.

Model forklaring

For at forklare kompressionseffekten vil vi udføre et modeleksperiment. Alkoholmolekyler i dette eksperiment vil være repræsenteret af ærtekorn, og vandmolekyler vil være valmuefrø. Hæld storkornede ærter omkring 0,4 m høje i det første, smalle, gennemsigtige fad, for eksempel en høj krukke. Hæld valmuefrø i den anden samme beholder af samme højde (foto 1a). Derefter hælder vi valmuefrø i et kar med ærter og bruger en lineal til at måle højden, som det øverste niveau af korn når. Vi markerer dette niveau med en markør eller et farmaceutisk gummibånd på karret (foto 1b). Luk beholderen og ryst den flere gange. Vi sætter dem lodret og kontrollerer, til hvilken højde det øverste niveau af kornblandingen nu når. Det viser sig, at det er lavere end før blanding (foto 1c).

Forsøget viste, at små valmuefrø efter blanding fyldte de frie mellemrum mellem ærterne, hvilket resulterede i, at det samlede volumen optaget af blandingen faldt. En lignende situation opstår, når man blander vand med alkohol og nogle andre væsker. Deres molekyler kommer i alle størrelser og former. Som et resultat udfylder mindre partikler hullerne mellem større partikler, og væskens volumen reduceres.

Foto 1. Følgende stadier af undersøgelsen af ​​kompressionsmodellen:

a) bønner og valmuefrø i separate beholdere

b) korn efter udgydning, c) reduktion i mængden af ​​korn efter blanding

Moderne implikationer

I dag er det velkendt, at alle kroppe omkring os er opbygget af molekyler, og de er til gengæld opbygget af atomer. Både molekyler og atomer er i konstant tilfældig bevægelse, hvis hastighed afhænger af temperaturen. Takket være moderne mikroskoper, især scanning tunneling microscope (STM), kan individuelle atomer observeres. Der kendes også metoder, som bruger et atomkraftmikroskop (AFM-), som giver dig mulighed for præcist at flytte individuelle atomer og kombinere dem i systemer kaldet nanostrukturer. Kompressionseffekten har også praktiske konsekvenser. Vi skal tage højde for dette, når vi vælger mængden af ​​visse væsker, der er nødvendige for at opnå en blanding af det nødvendige volumen. Det skal du tage højde for, inkl. i produktionen af ​​vodka, der som bekendt er blandinger af hovedsageligt ethylalkohol (alkohol) og vand, da volumenet af den resulterende drik vil være mindre end summen af ​​ingrediensernes volumener.