Атомы и молекулы. Тепловое движение частиц вещества. Осмос. Осмос в жизни животных и растений
Как Вы уже, наверное, слышали, большинство окружающих нас предметов состоит из очень мелких, невидимых простым глазом частиц - молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц - атомов. На рис. 1а -- молекулы воды, кислорода и еще нескольких веществ. На рис. 1б показано расположение молекул воды в жидкой воде, кристаллике льда и водяном паре.
Любые молекулы непрерывно двигаются (это движение называется тепловым
движением). В жидкостях и газах молекулы летают по всей толще жидкости (по
всему объему сосуда с газом), сталкиваясь и отскакивая друг от друга, как
бильярдные шары. При повышении температуры жидкости (газа) они двигаются все
быстрее и быстрее. Если понижать температуру, то скорость движения молекул
будет уменьшаться, и наступит момент (при температуре -273°С), когда молекулы
остановятся.
Любая группа молекул в пустоте (вакууме) самопроизвольно рассеивается (см. рис. 2: молекулам на периферии скопления ничто не может помешать улететь от него сколь угодно далеко). Если рядом оказывается несколько скоплений различных молекул, они, рассеиваясь, проникают друг в друга, и разные молекулы перемешиваются (пример растворение куска сахара в стакане с водой. Даже если воду не перемешивать, молекулы сахара за 23 дня рассеются по всему объему стакана, и раствор станет одинаково сладким в любой точке.) Любой подобный процесс называют диффузией.
Для описания диффузии удобно пользоваться словом "концентрация". Оно имеет несколько похожих, но все-таки разных значений. Вот самое простое из них. Концентрация - это количество частиц данного вещества в единичном объеме (то есть в одном кубическом миллиметре, сантиметре или метре). Тогда диффузия - это процесс рассеивания вещества из области пространства с его высокой концентрацией в области пространства с его низкой концентрацией.
Давайте проделаем такой опыт. Возьмем кусочек целлофановой пленки и привяжем его ниткой к стеклянной трубочке (рис. 3). Через эту трубочку наполним получившийся целлофановый мешочек сладкой водой (раствором обычного сахара). Теперь опустим трубочку с мешочком на конце в чистую воду так, чтобы уровни воды в трубке и в стакане сравнялись, и подождем некоторое время. Вода в трубке начнет подниматься все выше и выше над уровнем воды в стакане и, наконец, остановится.
Что произошло? Как Вы уже догадались, в целлофановой пленке имеются маленькие дырочки такого размера, что молекулы воды свободно через них проходят, а молекулы сахара "не пролезают" (рис. 4). Молекулы воды могут пролетать сквозь каждую дырочку как внутрь мешочка, так и наружу. Однако внутри мешочка часть объема занята молекулами сахара. Поэтому в непосредственной близости от дырочки внутри мешочка молекул воды всегда меньше, чем снаружи. Это значит, что число молекул, влетающих внутрь мешочка, всегда больше числа вылетающих из него, и постепенно в мешочке молекул воды становится все больше и больше. Вода заполняет мешочек и начинает вытесняться из него в стеклянную трубочку. Подобные явления называют осмосом.
Можно вспомнить о концентрации и сказать, что суть осмоса в том, что вода проникает сквозь целлофановую пленку из области своей высокой концентрации в область своей низкой концентрации, т.е. диффундирует. Иначе говоря, осмос - это диффузия воды сквозь полупроницаемую перегородку (перегородку называют полупроницаемой, если сквозь нее не проходит хотя бы одно из разделенных ею веществ).