Osmoza Wody i Atramentu - Eksperyment i Wyjaśnienie Zjawisk
- Szczegóły
Gdy przechodzimy obok piekarni, już z pewnej odległości czujemy zapach wypieków. Po zapaleniu kadzidełka w krótkim czasie całe pomieszczenie wypełnia się jego wonią. Cukier rozpuszcza się w herbacie nawet bez jej mieszania. Co może być przyczyną tych zjawisk?
Budowa Materii i Dyfuzja
Wszystko, co nas otacza, to materia. Jest ona zbudowana z drobin (ma budowę ziarnistą). W substancji stałej drobiny są ułożone blisko siebie, w sposób regularny. W cieczach odległości między drobinami są większe, a cząstki ułożone są nieregularnie.
Czym jest dyfuzja?
Zapachy kosmetyków, kwiatów czy gotowanego i smażonego jedzenia rozprzestrzeniają się po całym mieszkaniu. Odświeżacz powietrza powoli uwalnia przyjemną woń, którą czujemy w pomieszczeniu. Zapach lakieru do włosów po krótkiej chwili staje się wyczuwalny z dala od miejsca jego rozpylenia. Przytoczone przykłady ilustrują proces samorzutnego rozchodzenia się substancji z miejsca, gdzie jest jej dużo, do miejsc, w których jest jej mniej lub nie ma wcale, co prowadzi do wyrównania stężeń. Jest to zjawisko dyfuzji.
Dyfuzja to zjawisko samorzutnego wnikania cząsteczek jednej substancji pomiędzy cząsteczki drugiej substancji. Dochodzi do niej zarówno w gazach i cieczach, jak i ciałach stałych. Na proces ten istotny wpływ ma również temperatura. Im wyższa, tym szybciej poruszają się drobiny i szybciej zachodzi dyfuzja.
Dyfuzja prowadzi do powstawania mieszanin przez zmianę położenia drobin - wnikania jednych między inne. Ruchliwość drobin, czyli zdolność do przemieszczania się, zależy od stanu skupienia i temperatury. Dyfuzja zachodzi we wszystkich stanach skupienia - najszybciej w gazach, zaś najwolniej - w substancjach stałych. Dyfuzja w cieczach może trwać od kilku godzin do kilku dni.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Jednak nie każde mieszanie się drobin substancji można nazwać dyfuzją. Należy pamiętać, że jest to zjawisko samorzutne.
Dyfuzja w życiu codziennym
Otwieranie pojemnika z „zapachem”, rozchodzenie się „małych kulek” pomiędzy dużymi. Pojawiają się kolejno zdjęcia: perfum, kobiety wąchającej kwiat, smażone kotlety, filiżanka kawy oraz pływających w wodzie ryb.
Proces parzenia herbaty jest przykładem samorzutnego mieszania się esencji z wodą. Dodanie do naparu kilku kropel soku z cytryny nada mu kwaśny smak, nawet jeśli go nie pomieszamy. Drobiny esencji herbacianej i soku z cytryny przemieszczają się między drobinami wody. Zjawisko to jest jednym z licznych przykładów obrazujących ziarnistą budowę materii.
Dyfuzja w różnych stanach materii
Krótka animacja komputerowa przedstawiająca zachowanie cząstek ciała stałego, cieczy i gazu w wycinkach przestrzeni o kształcie sześcianu. Począwszy od lewej, w pierwszym sześcianie reprezentującym ciało stałe mocno skupione cząstki wypełniające szczelnie przestrzeń drgają, okazjonalnie zamieniając się miejscami. W cieczy cząsteczki znajdują się w większej swobodzie, poruszając się pomiędzy innymi powolnymi ruchami. Trzeci, ostatni sześcian reprezentujący gaz zawiera niewiele cząsteczek przemieszczających się swobodnie i szybko w chaotyczny sposób. Materia jest zbudowana jest z drobin, które pozostają w ciągłym ruchu.
Dyfuzja w ciałach stałych
Dyfuzja w ciałach stałych jest procesem praktycznie niemożliwym do zaobserwowania w życiu codziennym. W celu zbadania tego zjawiska wykonano doświadczenie. Położono na sobie dwie dokładnie oszlifowane płyty: jedną z ołowiu, drugą ze złota. Doświadczenie to potwierdza, że przenikanie stykającej się ze sobą materii jest możliwe. To dowodzi, że materia ma ziarnistą budowę.
Przeczytaj także: Analiza dzbanków filtrujących wodę z RO
Adwekcja
Rozchodzenie się zapachu w powietrzu nie zawsze zachodzi samorzutne, może być ono spowodowane zjawiskiem adwekcji (poziomego ruchu cząsteczek transportowanej substancji). Powoduje ona napływanie powietrza o odmiennych właściwościach (np. o innej temperaturze lub wilgotności). Dyfuzja w gazach jest zjawiskiem dość wolnym, np. przesunięcie się par etanolu w powietrzu na odległość 1 m wymaga czasu ok. 100 000 s, czyli trwa ponad 1 dzień! Dzięki zjawisku adwekcji przy prawie niewyczuwalnym przepływie powietrza (10 cm/s) zapach jest przenoszony na odległość 1 m w czasie tylko 10 sekund!
Eksperyment z Atramentem i Wodą
Do przeprowadzenia eksperymentu wykorzystano zlewkę, wodę i atrament. Do zlewki z wodą dodano kilka kropli atramentu.
Instrukcja
- Do zlewki z wodą dodaj niewielką ilość atramentu i obserwuj zachodzące zmiany.
- Po dodaniu atramentu do wody powstają smugi, a po chwili zawartość zlewki zabarwia się na niebiesko.
- Drobiny barwnika (cieczy) i wody samorzutnie się wymieszały. Zaszło zjawisko dyfuzji.
W cieczach można zaobserwować zjawisko dyfuzji, czyli mieszania się stykających się substancji. Efektem dyfuzji jest wyrównanie stężenia w całej objętości fazy. Czynnikami przyspieszającymi dyfuzję w gazach są: temperatura, mieszanie oraz stężenie reagentów. Podczas ogrzewania lub mieszania cząsteczki zyskują dodatkową energię, która pozwala na przyspieszenie dyfuzji.
Rozpuszczanie Substancji
Z mieszaniem oraz zjawiskiem dyfuzji nierozerwalnie związany jest proces rozpuszczania substancji. Rozpuszczanie zatem to proces mieszania się co najmniej dwóch substancji, w wyniku czego powstaje roztwór. Z życia codziennego wiemy, że niektóre substancje chętnie rozpuszczają się w innych, w niektóre praktycznie w ogóle. Z czego to wynika?
Doświadczenie - Rozpuszczalność w wodzie
Przeprowadź doświadczenie chemiczne polegające na sprawdzeniu rozpuszczalności w wodzie następujących substancji: cukru spożywczego, mąki pszennej, oleju rzepakowego, siarki oraz azotanu(V) potasu. Czy w tej samej objętości wody można rozpuścić jednakową masę cukru spożywczego, mąki pszennej, siarki oraz soli kuchennej?
Przeczytaj także: Vontron w Akwarystyce: Opinie Użytkowników
- Do czterech zlewek o jednakowej objętości wlano taką samą objętość wody (około 50 cm3).
- Obserwować proces rozpuszczania poszczególnych substancji.
Ważne! Pamiętaj, aby nie mylić procesu rozpuszczania z procesem roztwarzania. W wyniku rozpuszczania nie powstaje żadna nowa substancja chemiczna - jest to zatem zjawisko fizyczne. Natomiast roztwarzanie to połączenie procesu rozpuszczania z reakcją chemiczną. W jego wyniku powstaje nowa substancja o innych właściwościach fizycznych i chemicznych.
Osmoza - Szczególny Przypadek Dyfuzji
Szczególnym rodzajem dyfuzji jest osmoza, która zachodzi w roztworach wodnych, przenikając przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza przebiega spontanicznie, w kierunku od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym stężeniu, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.
Czym jest Osmoza?
Terminem tym opisujemy przemieszczanie się cząsteczek rozpuszczalnika przez specjalną, półprzepuszczalną membranę z roztworu rozcieńczonego do stężonego. Wspomniany rozpuszczalnik ma za zadanie rozcieńczyć stężony roztwór, co pozwoli na precyzyjne wyrównanie stężenia po obu stronach membrany.
W naszych filtrach stosujemy natomiast nie proces osmozy, co jej odwróconą wersję. Odwrócona osmoza w filtrach wody polega na przepuszczeniu substancji pod ciśnieniem przez specjalną membranę, która zatrzymuje wszelkie zanieczyszczenia i przepuszcza dalej wyłącznie oczyszczoną, smaczną wodę.
Dyfuzja a Osmoza - Różnice
Podstawowa różnica między dyfuzją a osmozą to membrana filtrująca, która w przypadku dyfuzji jest nieobecna, natomiast do realizacji osmozy jest niezbędna. Co więcej, bardzo ważną kwestią jest również to, że proces osmozy dotyczy wyłącznie substancji w stanie płynnym, natomiast dyfuzja może występować niezależnie od stanu skupienia, a więc może to być ciało stałe, gaz lub płyn. Nie bez znaczenia jest również różnica dotycząca szybkości ich przebiegu - w przypadku osmozy widać wyraźnie, że jest to proces powolny, natomiast dyfuzja jest procesem szybkim.
Podobieństwa między Dyfuzją a Osmozą
Po pierwsze - oba procesy są tzw. procesami transportu. Według definicji oznacza to, że nie potrzebują one dodatkowej energii, aby móc zaistnieć. Co więcej, w przypadku obu z nich dochodzi do przejścia cząsteczek z obszaru o ich wyższym stężeniu do przestrzeni, gdzie jest ono mniejsze. Charakterystyczne jest również to, że zarówno osmoza, jak i dyfuzja wyrównują stężenie dwóch roztworów.
Przykłady Zastosowań Dyfuzji i Osmozy
- Oddychanie - wymiana gazów w płucach zachodzi w wyniku dyfuzji.
- Konserwowanie mięsa za pomocą solanki - przykład osmozy.
- Transport wody z korzeni rośliny do jej liści - przykład osmozy zachodzącej w organizmach żywych.
Kontrakcja
Zjawisko zmniejszenia się objętości podczas mieszania cieczy nazywa się kontrakcją. Przyczyną kontrakcji jest możliwość ściślejszego upakowania drobin w mieszaninie dwóch cieczy. Mechanizm kontrakcji można przedstawić w sposób modelowy, używając do tego celu np. grochu i maku.
Obserwacja z bliska ujawnia mechanizm kontrakcji: drobne ziarenka maku lub kaszy wypełniają wolne przestrzenie pomiędzy większymi ziarnami grochu.
Doświadczenie - Kontrakcja
Na początku widać stół, na którym znajduje się słoik z zakrętką, kasza i groch łuskany w przeźroczystych pojemnikach (zlewkach). Do słoika zostaje wsypany groch tak, aby wypełnił jego połowę. Dosypujemy kaszy tak, aby zostało w słoiku jeszcze trochę miejsca. Zakręcamy słoik. Na słoiku zaznaczamy mazakiem poziom, do którego sięga kasza. Następnie mieszamy kaszę i groch poprzez kilkukrotne potrzaśnięcie słoikiem. Później, zbliżenie na słoik.
Następnie widać stół, na którym znajduje się denaturat i woda. Kamera pokazuje podpisy na zlewkach (z wodą i denaturatem). Na stole znajduje się również pusta menzurka(próbówka). Do probówki wlewamy do połowy wodę. Następnie delikatnie po ściankach naczynia wlewamy denaturat, tak, aby nie wymieszał się z wodą. Widać wyraźną granicę między wodą a denaturatem. Zaznaczamy na probówce poziom, do którego sięga denaturat. Następnie mieszamy obie ciecze przez potrząśnięcie probówki.
Podsumowanie: Objętość mieszaniny wynosi ok. 170 cm3.
Ćwiczenia
Ćwiczenie 1: Otwierając butelkę z wodnym roztworem amoniaku do naszych nosów dociera charakterystyczny, ostry zapach. Jakie zjawisko jest za to odpowiedzialne? Wskaż prawidłową odpowiedź.
Ćwiczenie 2: Przeanalizuj ilustrację, przedstawiającą uporządkowanie cząsteczek w danym stanie skupienia, a następnie dopasuj stan skupienia (ciecz, gaz, ciało stałe) do odpowiedniego modelu organizacji cząstek w tym stanie.
Ćwiczenie 3: Dlaczego dyfuzja w cieczach zachodzi wolniej niż w gazach? Wybierz prawidłową odpowiedź.
Ćwiczenie 4: Osmoza jest szczególnym przypadkiem dyfuzji. Zjawisko to zachodzi między innymi w komórkach naszego ciała. W wyniku tego procesu dochodzi do przenikania cząsteczek wody z ośrodka (roztworu) o niższym stężeniu danej substancji chemicznej do ośrodka (roztworu) o jej wyższym stężeniu. Proces zachodzi poprzez błonę półprzepuszczalną.
Ćwiczenie 5: Do dwóch zlewek z wodą dodano po kropli atramentu. Woda w jednej ze zlewek miała wyższą temperaturę niż druga. Wskaż, jak można sformułować pytanie badawcze w tym doświadczeniu.
tags: #osmoza #wody #i #atramentu #eksperyment
