Stap na nanotegnologie
inhoud
Duisende jare gelede het mense gewonder waaruit die omliggende liggame gemaak is. Die antwoorde het gewissel. In antieke Griekeland het wetenskaplikes die mening uitgespreek dat alle liggame uit klein ondeelbare elemente bestaan, wat hulle atome genoem het. Hoe min, kon hulle nie spesifiseer nie. Vir etlike eeue het die sienings van die Grieke slegs hipoteses gebly. Hulle is in die XNUMXste eeu aan hulle terugbesorg, toe eksperimente uitgevoer is om die grootte van molekules en atome te skat.
Een van die histories betekenisvolle eksperimente, wat dit moontlik gemaak het om deeltjiegroottes te bereken, is uitgevoer Engelse wetenskaplike Lord Rayleigh. Aangesien dit eenvoudig is om uit te voer en terselfdertyd baie oortuigend is, laat ons probeer om dit tuis te herhaal. Dan gaan ons na twee ander eksperimente wat ons sal toelaat om van die eienskappe van molekules te leer.
Wat is die deeltjiegroottes?
Rys. 1. 'n Metode om 'n spuit voor te berei om 'n oplossing van olie in onttrekte petrol daarin te plaas; p - poxilin,
c - spuit
Kom ons probeer om hierdie vraag te beantwoord deur die volgende eksperiment uit te voer. Van 'n 2 cm spuit3 verwyder die suier en verseël sy uitlaat met Poxiline sodat dit die uitlaatbuis wat bedoel is vir die insit van die naald heeltemal vul (Fig. 1). Ons wag 'n paar minute totdat Poxilina hard word. Wanneer dit gebeur, gooi ongeveer 0,2 cm in die spuit3 eetbare olie en teken hierdie waarde aan. Dit is die hoeveelheid olie wat gebruik word.o. Vul die oorblywende volume van die spuit met petrol. Meng albei vloeistowwe met 'n draad totdat 'n homogene oplossing verkry word en maak die spuit vertikaal in enige houer vas.
Gooi dan warm water in die wasbak sodat sy diepte 0,5-1 cm is Gebruik warm water, maar nie warm nie, sodat die stygende stoom nie gesien kan word nie. Ons sleep 'n papierstrook 'n paar keer langs die wateroppervlak langs dit om die oppervlak van ewekansige stuifmeel skoon te maak.
Ons versamel 'n bietjie mengsel van olie en petrol in die drupper en ry die drupper deur die middel van die houer met water. Deur liggies op die uitveër te druk, laat ons so klein druppel as moontlik op die oppervlak van die water val. 'n Druppel van 'n mengsel van olie en petrol sal wyd in alle rigtings oor die oppervlak van die water versprei en 'n baie dun laag vorm met 'n dikte gelykstaande aan een deeltjie deursnee onder die gunstigste toestande - die sg. monomolekulêre laag. Na 'n rukkie, gewoonlik 'n paar minute, sal die petrol verdamp (wat versnel word deur die styging in watertemperatuur), wat 'n monomolekulêre olielaag op die oppervlak laat (Fig. 2). Die resulterende laag het meestal die vorm van 'n sirkel met 'n deursnee van 'n paar sentimeter of meer.
Rys. 2. Monomolekulêre laag olie op die wateroppervlak
m – pelvis, c – water, o – olie, D – formasie deursnee, d – formasie dikte
(oliedeeltjiegrootte)
Ons verlig die wateroppervlak deur 'n ligstraal van 'n flitslig skuins daarop te rig. As gevolg hiervan is die grense van die laag meer sigbaar. Ons kan maklik sy benaderde deursnee D bepaal vanaf 'n liniaal wat net bokant die wateroppervlak gehou word. As ons hierdie deursnee ken, kan ons die oppervlakte van die laag S bereken deur die formule vir die oppervlakte van 'n sirkel te gebruik:
As ons geweet het wat is die volume olie V1 vervat in die vallende druppel, dan kan die deursnee van die oliemolekule d maklik bereken word, met die veronderstelling dat die olie gesmelt het en 'n laag met 'n oppervlak S gevorm het, d.w.s.:
Nadat ons formules (1) en (2) en 'n eenvoudige transformasie vergelyk het, kry ons 'n formule wat ons toelaat om die grootte van 'n oliedeeltjie te bereken:
Die maklikste, maar nie die mees akkurate manier om die volume V te bepaal nie1 is om te kyk hoeveel druppels verkry kan word uit die totale volume van die mengsel in die spuit en verdeel die volume olie Vo wat gebruik word deur hierdie getal. Om dit te doen, versamel ons die mengsel in 'n pipet en skep druppels, probeer om hulle dieselfde grootte te maak as wanneer hulle op die oppervlak van die water laat val word. Ons doen dit totdat die hele mengsel uitgeput is.
’n Meer akkurate, maar meer tydrowende metode is om herhaaldelik ’n druppel olie op die oppervlak van die water te laat val, ’n monomolekulêre laag olie te verkry en die deursnee daarvan te meet. Natuurlik, voordat elke laag gemaak word, moet die voorheen gebruikte water en olie uit die wasbak gegooi en skoon gegooi word. Uit die metings wat verkry is, word die rekenkundige gemiddelde bereken.
Deur die verkrygde waardes in formule (3) te vervang, moenie vergeet om die eenhede om te skakel en die uitdrukking in meter (m) en V uit te druk nie1 in kubieke meter (m3). Kry die deeltjiegrootte in meter. Hierdie grootte sal afhang van die tipe olie wat gebruik word. Die resultaat kan foutief wees as gevolg van die vereenvoudigende aannames wat gemaak is, veral omdat die laag nie monomolekulêr was nie en dat die druppelgroottes nie altyd dieselfde was nie. Dit is maklik om te sien dat die afwesigheid van 'n monomolekulêre laag lei tot 'n oorskatting van die waarde van d. Die gewone groottes van oliedeeltjies is in die reeks van 10-8-10-9 m. Blok 10-9 m genoem word nanometer en word dikwels gebruik in die bloeiende veld bekend as nanotegnologie.
"Verdwynende" volume vloeistof
Rys. 3. Die ontwerp van die vloeistofkrimptoetsvat;
g - deursigtige, plastiekbuis, p - poxylin, l - liniaal,
t - deursigtige band
Die volgende twee eksperimente sal ons toelaat om tot die gevolgtrekking te kom dat die molekules van verskillende liggame verskillende vorms en groottes het. Om die eerste te doen, sny twee stukke deursigtige plastiekbuis, albei 1-2 cm in binnedeursnee en 30 cm lank. Elke stuk buis word met verskeie stukke kleefband aan die rand van 'n aparte liniaal oorkant die skaal vasgeplak (Fig. . 3). Maak die onderpunte van die slange toe met poxylin-proppe. Bevestig albei liniale met vasgeplakte slange in 'n vertikale posisie. Gooi genoeg water in een van die slange om 'n kolom van omtrent die helfte van die lengte van die slang te maak, sê 14 cm Gooi dieselfde hoeveelheid etielalkohol in die tweede proefbuis.
Nou vra ons, wat sal die hoogte van die kolom van die mengsel van beide vloeistowwe wees? Kom ons probeer eksperimenteel 'n antwoord op hulle kry. Gooi alkohol in die waterslang en meet dadelik die boonste vlak van die vloeistof. Ons merk hierdie vlak met 'n waterdigte merker op die slang. Meng dan albei vloeistowwe met 'n draad en kontroleer die vlak weer. Wat let ons op? Dit blyk dat hierdie vlak afgeneem het, m.a.w. die volume van die mengsel is minder as die som van die volumes van die bestanddele wat gebruik is om dit te vervaardig. Hierdie verskynsel word vloeistofvolumesametrekking genoem. Die vermindering in volume is gewoonlik 'n paar persent.
Model verduideliking
Om die kompressie-effek te verduidelik, sal ons 'n modeleksperiment uitvoer. Alkoholmolekules in hierdie eksperiment sal deur ertjiekorrels voorgestel word, en watermolekules sal papawersaad wees. Gooi grootkorrelige ertjies van sowat 0,4 m hoog in die eerste, smal, deursigtige skottel, byvoorbeeld 'n lang fles.Gooi papawersaad in die tweede soortgelyke houer van dieselfde hoogte (foto 1a). Dan gooi ons papawersaad in 'n houer met ertjies en gebruik 'n liniaal om die hoogte te meet waartoe die boonste vlak van korrels bereik. Ons merk hierdie vlak met 'n merker of 'n farmaseutiese rekkie op die vaartuig (foto 1b). Maak die houer toe en skud dit verskeie kere. Ons sit hulle vertikaal en kyk tot watter hoogte die boonste vlak van die graanmengsel nou bereik. Dit blyk dat dit laer is as voor vermenging (foto 1c).
Die eksperiment het getoon dat klein papawersaadjies na vermenging die vrye spasies tussen die ertjies gevul het, waardeur die totale volume wat deur die mengsel beset is, afgeneem het. 'n Soortgelyke situasie vind plaas wanneer water met alkohol en ander vloeistowwe gemeng word. Hul molekules kom in alle groottes en vorms voor. Gevolglik vul kleiner deeltjies die gapings tussen groter deeltjies en die volume van die vloeistof word verminder.
Foto 1. Die volgende stadiums van die studie van die kompressiemodel:
a) bone en papawersaad in aparte houers,
b) korrels na beurtkrag, c) vermindering in die volume van korrels na vermenging
Moderne implikasies
Vandag is dit algemeen bekend dat al die liggame rondom ons uit molekules bestaan, en dié is op hul beurt weer uit atome. Beide molekules en atome is in konstante lukrake beweging, waarvan die spoed van temperatuur afhang. Danksy moderne mikroskope, veral die skandeertonnelmikroskoop (STM), kan individuele atome waargeneem word. Daar is ook bekende metodes wat 'n atoomkragmikroskoop (AFM-) gebruik, wat jou toelaat om individuele atome akkuraat te beweeg en hulle te kombineer in stelsels genaamd nanostrukture. Die kompressie-effek het ook praktiese implikasies. Ons moet dit in ag neem wanneer ons die hoeveelheid sekere vloeistowwe kies wat nodig is om 'n mengsel van die vereiste volume te verkry. Jy moet dit in ag neem, inkl. in die produksie van vodkas, wat, soos u weet, mengsels is van hoofsaaklik etielalkohol (alkohol) en water, aangesien die volume van die resulterende drank minder sal wees as die som van die volumes van die bestanddele.
