Bewegend Durchschnittlich Brownian Motion

GASES, FLÜSSIGKEITEN UND SOLIDEN Anwendung des Partikelmodells für die drei Zustände der Materie-Partikelmodelle, die die Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen beschreiben und erklären Doc Browns Chemie KS4 Wissenschaft GCSEIGCSE Revision Notes Vergleich der Eigenschaften von GASES, FLÜSSIGKEITEN UND SOLIDS Staaten Von Materie gasliquidsolid Revisionshinweise Teil 1 Das kinetische Partikelmodell und Beschreibung und Erklärung der Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen, Zustandsänderungen und Lösungen (Abschnitte 1a bis 3d) Sie sollten wissen, dass die drei Zustände der Materie fest, flüssig und gas sind. Schmelzen und Einfrieren findet am Schmelzpunkt statt, Kochen und Verdichten findet am Siedepunkt statt. Die drei Zustände der Materie können durch ein einfaches Modell dargestellt werden, in dem die Teilchen durch kleine feste Kugeln dargestellt werden. Partikeltheorie kann helfen, das Schmelzen, Kochen, Einfrieren und Kondensieren zu erklären. Die Menge an Energie, die benötigt wird, um den Zustand von Festkörper zu Flüssigkeit und von Flüssigkeit zu Gas zu ändern, hängt von der Stärke der Kräfte zwischen den Teilchen der Substanz und der Natur der beteiligten Teilchen ab, hängt von der Art der Bindung und der Struktur der Substanz ab. Je stärker die Kräfte zwischen den Partikeln sind, desto höher der Schmelzpunkt und der Siedepunkt der Substanz. Für Details siehe Struktur und Bonding Notes. Der physikalische Zustand, den ein Material annimmt, hängt von seiner Struktur, Temperatur und Druck ab. Staatssymbole, die in Gleichungen verwendet werden: (g) Gas (l) flüssige (wässrige Lösung) wässrige Lösung (n) feste wässrige Lösung bedeutet etwas, das in Wasser aufgelöst ist. Die meisten Diagramme der Teilchen auf dieser Seite sind 2D-Darstellungen ihrer Struktur und ihres Zustands BEISPIELE DER DREI PHYSIKALISCHEN STAATEN VON MATTERGASEN zB Die Luftmischung um uns herum (einschließlich des für die Verbrennung benötigten Sauerstoffs) und des Hochdruckdampfes im Kessel und der Zylinder der Dampflokomotive. Alle Gase in der Luft sind unsichtbar, farblos und transparent. Beachten Sie, dass der Dampf, den Sie außerhalb eines Kessels oder einer Dampflokomotive sehen, tatsächlich feine Flüssigkeitströpfchen von Wasser ist, die aus dem ausgestoßenen Dampfgas gebildet wird, das sich kondensiert, wenn es auf die kalte Luft trifft, die Zustandsänderung von Gas zu Flüssigkeit (gleiche Wirkung bei Nebel und Nebelbildung) . FLÜSSIGKEITEN z. B. Wasser ist das häufigste Beispiel, aber so sind, Milch, heiße Butter, Benzin, Öl, Quecksilber oder Alkohol in einem Thermometer. SOLIDS z. B. Stein, alle Metalle bei Raumtemperatur (außer Quecksilber), Gummi von Stiefel und die Mehrheit der physischen Gegenstände um dich herum. Tatsächlich sind die meisten Gegenstände nutzlos, es sei denn, sie haben eine feste Struktur Auf dieser Seite werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen in Form von Struktur, Partikelbewegung (kinetische Partikeltheorie), Auswirkungen von Temperatur - und Druckänderungen und Partikelmodellen beschrieben Verwendet, um diese Eigenschaften und Eigenschaften zu erklären. Hoffentlich werden Theorie und Tatsache zusammenpassen, um den Schülern ein klares Verständnis der materiellen Welt um sie in Bezug auf Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe zu geben, die als die drei physischen Zustände der Materie bezeichnet werden. Die Zustandsänderungen, die als Schmelzen, Fixieren, Kochen, Verdampfen, Kondensieren, Verflüssigen, Einfrieren, Verfestigen, Kristallisieren bekannt sind, werden mit Partikelmodell-Bildern beschrieben und erklärt, um das Verständnis zu verstehen. Es gibt auch eine Erwähnung von mischbaren und nicht mischbaren Flüssigkeiten und erklärt die Begriffe flüchtig und Volatilität bei der Anwendung auf eine Flüssigkeit. Diese Revisionshinweise zu den Zuständen der Materie sollten sich für die neuen AQA, Edexcel und OCR GCSE (91) Chemiewissenschaftlichen Kurse als nützlich erweisen. Subindex für Teil I Abschnitte (diese Seite): 1.1. Die drei Zustände der Materie sind fest, flüssig und gas. Entweder können Schmelzen und Gefrieren am Schmelzpunkt stattfinden, während Kochen und Kondensieren am Siedepunkt stattfinden. Verdampfen kann bei jeder Temperatur von einer flüssigen Oberfläche stattfinden. Sie können die drei Zustände der Materie mit einem einfachen Partikelmodell darstellen. In diesen Modilen werden die Partikel durch kleine feste Sphären dargestellt (Elektronenstruktur wird ignoriert). Kinetische Partikeltheorie kann helfen, Zustandsänderungen wie Schmelzen, Kochen, Einfrieren und Kondensieren zu erklären. Die Energiemenge, die benötigt wird, um den Zustand von Festkörper zu Flüssigkeit oder von Flüssigkeit zu Gas zu ändern, hängt von der Stärke der Kräfte zwischen den Teilchen der Substanz ab. Diese Kräfte können relativ schwache intermolekulare Kräfte (intermolekulare Bindung) oder starke chemische Bindungen (ionisch, kovalent oder metallisch) sein. Die Art der beteiligten Teilchen hängt von der Art der chemischen Bindung und der Struktur der Substanz ab. Je stärker die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln sind, desto höher der Schmelzpunkt und der Siedepunkt der Substanz WAS SIND DIE DREI STAATEN DER MATERIAL Die meisten Materialien können einfach als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff beschrieben werden. WARUM SIND SIE WIE SIE WAS SIE SIND Nur zu wissen, ist nicht genug, wir brauchen eine umfassende Theorie der Gase, die ihr Verhalten erklären und Vorhersagen darüber machen können, was passiert, z. B. Wenn wir Temperatur oder Druck ändern. WIE KÖNNEN WIR ERKLÄREN, WIE SIE HABEN Wir brauchen ein theoretisches Modell, z. B. Partikel-Theorie, die durch experimentelle Beweise unterstützt wird. KANN PARTIKEL MODELLE HELFEN UNS VERSTEHEN IHRE EIGENSCHAFTEN UND EIGENSCHAFTEN WARUM IST WICHTIG, DIE EIGENSCHAFTEN VON GASEN, FLÜSSIGKEITEN UND SOLIDEN ZU KENNEN Es ist wichtig, in der chemischen Industrie über das Verhalten von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen in chemischen Prozessen, z. B. Was passiert mit den verschiedenen Zuständen mit Temperatur - und Druckänderungen. Was ist die KINETISCHE PARTIKEL-THEORIE von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern Die kinetische Teilchentheorie der Zustände der Materie beruht auf der Idee aller Materialien, die als sehr sehr winzige Teilchen existieren, die einzelne Atome oder Moleküle sein können und deren Wechselwirkung auch Durch Kollision in Gasen oder Flüssigkeiten oder durch Vibration und chemische Bindung in Festkörpern. KÖNNEN WIR MACHEN, DIE AUF IHRE EIGENSCHAFTEN AUFGEFÜHRT WERDEN Diese Seite führt allgemeine physikalische Beschreibungen von Substanzen in das einfachste physikalische (nichtchemische) Klassifizierungsniveau ein, d. h. es ist ein Gas, ein flüssiger oder ein Feststoff. ABER, diese Webseite stellt auch Teilchenmodelle vor, in denen ein kleiner Kreis ein Atom oder ein Molekül darstellt, d. h. ein bestimmtes Teilchen oder eine einfachste Einheit einer Substanz. Dieser Abschnitt ist ziemlich abstrakt in einer Weise, weil Sie über Partikel reden, die Sie nicht einzeln sehen können, Sie nur das Schüttgut und seinen physischen Charakter und Eigenschaften. Gibt es BESCHRÄNKUNGEN zum Partikelmodell Die Partikel werden als einfache unelastische Sphären behandelt und verhalten sich einfach wie kleine Snooker-Kugeln, die herumfliegen, nicht ganz richtig, aber sie fliegen herum zufällig non-stop Obwohl die Partikel als harte Sphären und unelastisch angenommen werden , In Wirklichkeit sind sie alle Arten von Formen und verdrehen und beugen auf Kollision mit anderen Partikeln und wenn sie reagieren, teilen sie sich in Fragmente, wenn Bindungen brechen. Das einfache Modell nimmt keine Kräfte zwischen den Partikeln an, unwahr, das Modell berücksichtigt wenig die Kräfte zwischen den Partikeln, auch bei Gasen bekommt man sehr schwache intermolekulare Kräfte. Das Teilchenmodell berücksichtigt nicht die tatsächliche Größe der Teilchen, z. B. Ionenmoleküle können in der Grße z. B. Vergleiche ein Ethenmolekül mit einem Poly (ethen) - Molekül Die Räume zwischen den Partikeln WAS IST DER GASEOUS-STAAT DER MATERIE WAS SIND DIE EIGENSCHAFTEN EINES GASES WIE SIND GASEOUS PARTICLES BEHAVE Wie erklärt die kinetische Partikel-Theorie der Gase die Eigenschaften von Gasen Hat keine feste Form oder Volumen, sondern breitet sich immer aus, um jeden Behälter zu füllen - die Gasmoleküle werden in jeden verfügbaren Raum diffundieren. Es gibt fast keine Anziehungskräfte zwischen den Partikeln, so dass sie völlig frei von einander sind. Die Teilchen sind weit beabstandet und verstreut, wenn sie sich schnell zufällig im gesamten Behälter bewegen, so dass es keine Ordnung im System gibt. Die Teilchen bewegen sich linear und schnell in alle Richtungen. Und häufig zusammenstoßen und die Seite des Behälters. Die Kollision von Gaspartikeln mit der Oberfläche eines Behälters bewirkt einen Gasdruck. Wenn wir von einer Oberfläche abprallen, üben sie eine Kraft aus. Mit zunehmender temperatur Die Teilchen bewegen sich schneller, wenn sie kinetische Energie gewinnen. Erhöht sich die Kollisionsrate zwischen den Partikeln selbst und der Behälteroberfläche und dies erhöht den Gasdruck zB in einer Dampflokomotive oder das Volumen des Behälters, wenn er zB wie ein Ballon expandieren kann. Gase haben eine sehr geringe Dichte (Licht), da die Partikel im Container (Dichtemassenvolumen) so weit voneinander entfernt sind. Dichte Ordnung: feste gt Flüssigkeit gtgtgt Gase Gase fließen frei, weil es keine wirksamen Anziehungskräfte zwischen den Molekülen der gasförmigen Teilchen gibt. Einfache Strömungsreihenfolge Gase gt Flüssigkeiten gtgtgt Feststoffe (keine wirkliche Strömung in festem, wenn Sie es nicht pulverisieren) Wegen dieser Gase und Flüssigkeiten werden als Flüssigkeiten beschrieben. Gase haben keine Oberfläche. Und keine feste Form oder Volumen. Und wegen des Mangels an Partikel-Anziehung, sie immer ausbreiten und füllen jeden Container (so Gas Volumen Container Volumen). Gase werden aufgrund des leeren Raumes zwischen den Partikeln leicht komprimiert. Einfache Kompressionsordnung. Gase gtgtgt Flüssigkeiten gt Feststoffe (fast unmöglich, einen Feststoff zu komprimieren) Gasdruck Wenn ein Gas in einem Behälter eingeschlossen wird, werden die Partikel einen Gasdruck verursachen und ausüben, der in Atmosphären (atm) oder Pascal (1,0 Pa 1,0 Nm 2) gemessen wird, Druck ist Kraft, dh die Wirkung aller Kollisionen auf der Oberfläche des Behälters. Der Gasdruck wird durch die Kraft verursacht, die durch Millionen von Stößen der winzigen einzelnen Gaspartikel an den Seiten eines Behälters erzeugt wird. Wenn beispielsweise die Anzahl der gasförmigen Partikel in einem Behälter verdoppelt wird, wird der Gasdruck verdoppelt, da die Verdoppelung der Anzahl der Moleküle die Anzahl der Stöße auf der Seite des Behälters verdoppelt, so dass auch die Gesamtschlagkraft pro Flächeneinheit verdoppelt wird. Diese Verdoppelung der Partikel wirkt auf die Verdoppelung des Druckes ist in den beiden folgenden Diagrammen dargestellt. Wenn das Volumen eines versiegelten Behälters konstant gehalten wird und das Gas im Inneren auf eine höhere Temperatur erhitzt wird, erhöht sich der Gasdruck. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Partikel erhitzt werden, sie kinetische Energie gewinnen und sich im Durchschnitt schneller bewegen. Deshalb kollidieren sie mit den Seiten des Behälters mit einer größeren Kraft des Aufpralls. So dass der Druck erhöht. Es gibt auch eine größere Häufigkeit der Kollision mit den Seiten des Behälters, aber dies ist ein kleiner Faktor im Vergleich zu der Wirkung der erhöhten kinetischen Energie und der Zunahme der durchschnittlichen Kraft des Aufpralls. Daher ist eine feste Menge an Gas in einem versiegelten Behälter mit konstantem Volumen, je höher die Temperatur, desto größer der Druck und je niedriger die Temperatur, desto geringer der Druck. Für Gasdrucktemperaturberechnungen siehe Teil 2 CharlessGayLussacs Gesetz Wenn sich das Behältervolumen ändern kann, erweitern sich die Gase aufgrund der fehlenden Partikelanziehung leicht auf die Erwärmung und ziehen sich beim Abkühlen leicht ab. Beim Erhitzen gewinnen Gasteilchen kinetische Energie. Schneller bewegen und die Seiten des Containers häufiger treffen. Und deutlich, sie treffen mit einer größeren Kraft. Je nach Behältersituation erhöht sich entweder der Druck oder das Volumen oder umgekehrt beim Abkühlen. Anmerkung: Es ist das Gasvolumen, das NICHT die Moleküle ausdehnt, sie bleiben gleich groß Wenn es keine Volumenbegrenzung gibt, ist die Expansion beim Erwärmen für Gase viel größer als Flüssigkeiten oder Feststoffe, da es keine signifikanten Anziehungskraft zwischen gasförmigen Partikeln gibt. Die erhöhte durchschnittliche kinetische Energie wird den Gasdruck steigen lassen, und so wird das Gas versuchen, sich im Volumen zu erweitern, wenn es z. B. Ballons in einem warmen Raum sind deutlich größer als der gleiche Ballon in einem kalten Raum Für Gasvolumentemperaturberechnungen siehe Teil 2 CharlessGayLussacs Gesetz DIFFUSION in Gases: Die natürliche schnelle und zufällige Bewegung der Partikel in alle Richtungen bedeutet, dass sich Gase leicht ausbreiten oder diffundieren. Die Nettobewegung eines bestimmten Gases wird in der Richtung von niedrigerer Konzentration zu einer höheren Konzentration, dem sogenannten Diffusionsgradienten, liegen. Die Di-Fusion fährt fort, bis die Konzentrationen im gesamten Gülle-Behälter gleichmäßig sind, aber alle Teilchen bewegen sich mit ihrer immer vorhandenen kinetischen Energie. Diffusion ist in Gasen schneller als Flüssigkeiten, wo es mehr Platz für sie gibt (nachstehend illustriert) und die Diffusion ist Vernachlässigbar in Feststoffen durch die enge Packung der Partikel. Diffusion ist verantwortlich für die Ausbreitung von Gerüchen auch ohne Luftstörung z. B. Verwendung von Parfüm, Eröffnung eines Glas Kaffee oder der Geruch von Benzin um eine Garage. Die Geschwindigkeit der Diffusion nimmt mit zunehmender Temperatur zu, da die Teilchen kinetische Energie gewinnen und sich schneller bewegen. Andere Beweise für zufällige Partikelbewegungen einschließlich Diffusion. Wenn Rauchpartikel unter einem Mikroskop betrachtet werden, scheinen sie herum zu tanzen, wenn sie mit einem Lichtstrahl bei 90 o zur Betrachtungsrichtung beleuchtet werden. Dies liegt daran, dass die Rauchpartikel durch reflektiertes Licht und Tanz aufgrund der Millionen von zufälligen Hits aus den schnell bewegten Luftmolekülen auftauchen. Dies wird als Brownsche Bewegung bezeichnet (siehe unten in Flüssigkeiten). Zu jedem gegebenen Zeitpunkt werden die Hits nicht gleich sein, so dass die Rauchpartikel ein größeres Bashing in einer zufälligen Richtung bekommen. Ein zwei gasförmiges Molekül-Diffusionsexperiment ist oben dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Ein langes Glasrohr (24 cm Durchmesser) wird an einem Ende mit einem in konz. Salzsäure, die mit einem Gummi-Spund (für Gesundheit und Sicherheit) versiegelt ist, und der Schlauch wird perfekt gehalten, in einer horizontalen Position festgeklemmt. Ein ähnlicher Stecker von conc. Ammoniak-Lösung wird am anderen Ende platziert. Die getränkten Baumwollwollstopfen geben Dämpfe von HCl bzw. NH 3 ab, und wenn das Röhrchen trotz des Mangels an Röhrenbewegung ungestört und horizontal bleibt, z. B. KEIN Schütteln, um zu mischen und die Abwesenheit der Konvektion, eine weiße Wolke bildet ungefähr 1 3 rd entlang von der conc. Salzsäure. Erläuterung: Was passiert, sind die farblosen Gase, Ammoniak und Chlorwasserstoff, diffundieren das Röhrchen und reagieren auf feine weiße Kristalle des Salzes Ammoniumchlorid. Ammoniak Chlorwasserstoff gt Ammoniumchlorid NH 3 (g) HCl (g) gt NH 4 Cl (s) Beachten Sie die Regel: Je kleiner die Molekülmasse ist, desto größer ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der Moleküle (aber alle Gase haben die gleiche mittlere kinetische Energie Bei gleicher Temperatur). Je kleiner die molekulare Masse, desto schneller diffundiert das Gas. z. B. M r (NH 3) 14 1x3 17 Bewegt sich schneller als M r (HCl) 1 35,5 36,5 UND das ist der Grund, warum sie sich dem HCl-Ende des Röhrchens näherten. Das Experiment ist nicht nur ein Beweis für die Molekülbewegung. Es ist auch ein Beweis dafür, dass sich Moleküle unterschiedlicher Molekülmassen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Für eine mathematische Behandlung siehe Grahams Gesetz der Diffusion Ein farbiges Gas, schwerer als Luft (größere Dichte), wird in das untere Gasglas gelegt und ein zweites Gasgefäß mit geringerer Dichte farbloser Luft wird über eine mit einer Glasabdeckung getrennte Luft gelegt. Diffusionsexperimente sollten bei konstanter Temperatur eingeschlossen werden, um Störungen durch Konvektion zu minimieren. Wenn die Glasabdeckung entfernt wird, dann diffundieren die farblosen Luftgase in das gefärbte braune Gas und (ii) Brom diffundiert in die Luft. Die zufällige Partikelbewegung, die zum Mischen führt, kann nicht auf Konvektion zurückzuführen sein, weil das dichtere Gas am Boden beginnt. Es ist kein Schütteln oder andere Mischmittel erforderlich. Die zufällige Bewegung beider Lose Partikel reicht aus, um sicherzustellen, dass beide Gase schließlich durch Diffusion vollständig miteinander vermischt werden (ineinander verteilt). Dies ist ein deutlicher Beweis für die Diffusion aufgrund der zufälligen kontinuierlichen Bewegung aller Gasteilchen und anfangs die Nettobewegung eines Partikeltyps von einer höheren zu einer niedrigeren Konzentration (nach einem Diffusionsgradienten). Wenn es vollständig gemischt ist, wird keine weitere Farbänderungsverteilung beobachtet, aber die zufällige Partikelbewegung wird fortgesetzt Siehe auch andere Hinweise im Flüssigkeitsabschnitt nach dem Partikelmodell für das Diffusionsdiagramm unten. Ein Partikelmodell der Diffusion in Gasen. Stellen Sie sich den Diffusionsgradienten von links nach rechts vor, denn die grünen Partikel, die den blauen Partikeln auf der linken Seite hinzugefügt wurden, Für die grünen Teilchen ist die Netzmigration von links nach rechts und wird in einem versiegelten Behälter fortgesetzt, bis alle Teilchen gleichmäßig im Gasbehälter verteilt sind (wie abgebildet). Die Diffusion ist bei Gasen im Vergleich zu Liquidisierungslösungen schneller, da zwischen den Partikeln mehr Platz für andere Partikel besteht, um sich zufällig zu bewegen. Wenn ein Feststoff erhitzt wird, schwingen die Partikel stärker, da sie kinetische Energie gewinnen und die Partikel-Anziehungskräfte geschwächt werden. Irgendwann am Schmelzpunkt. Die anziehenden Kräfte sind zu schwach, um die Teilchen in der Struktur zusammen in einer geordneten Weise zu halten, und so schmilzt der Feststoff. Beachten Sie, dass die intermolekularen Kräfte noch da sind, um die Massenflüssigkeit zusammen zu halten, aber die Wirkung ist nicht stark genug, um ein geordnetes Kristallgitter eines Festkörpers zu bilden. Die Partikel werden frei, sich zu bewegen und ihre geordnete Anordnung zu verlieren. Energie wird benötigt, um die anziehenden Kräfte zu überwinden und den Partikeln eine erhöhte kinetische Energie der Vibration zu geben. So wird Wärme aus der Umgebung aufgenommen und das Schmelzen ist ein endothermer Prozess (916H ve). Energieveränderungen für diese physikalischen Zustandsänderungen für eine Reihe von Stoffen werden in einem Abschnitt der Energetics Notes behandelt. Erläuterung unter Verwendung der kinetischen Partikeltheorie von Flüssigkeiten und Feststoffen Beim Abkühlen verlieren flüssige Partikel kinetische Energie und können sich dadurch stärker anziehen. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, ist die kinetische Energie der Teilchen unzureichend, um zu verhindern, daß die Teilchen-Anziehungskräfte einen Feststoff bilden. Irgendwann am Gefrierpunkt reichen die Anziehungskräfte aus, um jegliche verbleibende Bewegungsfreiheit (in Bezug auf einen Ort zum anderen) zu entfernen, und die Teilchen kommen zusammen, um die geordnete feste Anordnung zu bilden (obwohl die Teilchen noch eine kinetische Energie aufweisen Muss in die Umgebung entfernt werden, so seltsam wie es scheinen mag, das Einfrieren ist ein exothermer Prozeß (916H ve) Vergleichende Energieveränderungen der Zustandsänderungen Gas ltgt Flüssigkeit ltgt fest 2f (i) Kühlkurve Was passiert mit der Temperatur eines Stoffes Wenn es vom gasförmigen Zustand in den festen Zustand abgekühlt wird. Die Temperatur bleibt während der Zustandsänderungen der Kondensation bei der Temperatur Tc konstant und fällen sich bei der Temperatur Tf fest. Dies liegt daran, dass die gesamte Wärmeenergie beim Abkühlen bei diesen Temperaturen entfernt wird (die latente Hitze Oder Enthalpien der Zustandsänderung), ermöglicht die Verstärkung der Interpartikelkräfte (intermolekulare Bindung) ohne Temperaturabfall. Der Wärmeverlust wird durch die exotherme erhöhte intermolekulare Kraftanziehung kompensiert. Zwischen den horizontalen Zustandsänderungsabschnitten des Graphen sehen Sie, dass die Energieentfernung die kinetische Energie der Teilchen verringert und die Temperatur der Substanz verringert. Siehe Abschnitt 2. für eine detaillierte Beschreibung der Zustandsänderungen. Eine Abkühlkurve fasst die Änderungen zusammen: Für jede Zustandsänderung muss Energie entfernt werden. Bekannt als die latente Hitze. Die tatsächlichen Energiewerte für diese physikalischen Zustandsänderungen für eine Reihe von Stoffen werden in den Energetics Notes näher erläutert. 2f (ii) Heizkurve. Was geschieht mit der Temperatur eines Stoffes, wenn es vom festen Zustand in den gasförmigen Zustand erwärmt wird, so ist die Temperatur während der Zustandsänderungen des Schmelzens bei der Temperatur Tm konstant und bei der Temperatur Tb siedet. Dies ist der Fall, weil die gesamte Energie, die bei diesen Temperaturen (die latenten Hitze oder Enthalpien der Zustandsänderung) absorbiert wird, in die Schwächung der Interpartikelkräfte (intermolekulare Bindung) ohne Temperaturanstieg eindringt. Die Wärmegewinnung ist gleichbedeutend mit der endothermischen, absorbierten Energie, die erforderlich ist, um die intermolekularen Kräfte zu reduzieren . Zwischen den horizontalen Zustandsänderungsabschnitten des Graphen sehen Sie, dass der Energieeintrag die kinetische Energie der Partikel erhöht und die Temperatur der Substanz erhöht. Siehe Abschnitt 2. für eine detaillierte Beschreibung der Zustandsänderungen. Eine Heizkurve fasst die Änderungen zusammen: Für jede Zustandsänderung muss Energie addiert werden. Bekannt als die latente Hitze. Die tatsächlichen Energiewerte für diese physikalischen Zustandsänderungen für eine Reihe von Stoffen werden in den Energetics Notes näher erläutert. SPEZIFISCHE LATENTWÄRME Die latente Hitze für den Zustand ändert feste ltgt Flüssigkeit heißt die spezifische latente Schmelzwärme (zum Schmelzen oder Einfrieren). Die latente Hitze für den Zustand ändert sich flüssiges ltgt Gas wird die spezifische latente Verdampfungswärme genannt (zum Verdichten, Verdampfen oder Kochen) Für mehr auf latente Hitze siehe meine Physik Hinweise auf spezifische Latentwärme Erläuterung mit der kinetischen Partikeltheorie von Gasen und Feststoffen Ist, wenn ein Festkörper, beim Erwärmen, direkt in ein Gas ohne Schmelzen übergeht, UND das Gas beim Abkühlen reformiert einen Feststoff direkt, ohne zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Sublimation in der Regel nur eine physische Veränderung, aber es ist nicht immer so einfach (siehe Ammoniumchlorid). Theorie in Form von Partikeln. Wenn der Feststoff erwärmt wird, schwingen die Teilchen mit zunehmender Kraft aus der zugegebenen Wärmeenergie. Wenn die Partikel genügend kinetische Energie der Vibration haben, um die Partikelpartikel-Anziehungskräfte teilweise zu überwinden, würden Sie erwarten, dass der Feststoff schmelzt. Jedenfalls, wenn die Partikel an dieser Stelle genug Energie an dieser Stelle haben, die zum Kochen geführt hätte, wird sich die Flüssigkeit nicht bilden und der Feststoff wird direkt in ein Gas umgewandelt. Gesamt endotherme Veränderung. Energie absorbiert und in das System aufgenommen. Beim Abkühlen bewegen sich die Teilchen langsamer und haben weniger kinetische Energie. Schließlich, wenn die kinetische Energie der Teilchen niedrig genug ist, wird es den Partikelpartikel-Anziehungskräften ermöglichen, eine Flüssigkeit zu erzeugen. ABER die Energie kann niedrig genug sein, um eine direkte Bildung des Festkörpers zu ermöglichen, d. h. die Teilchen haben NICHT genug kinetische Energie, um einen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten. Insgesamt exotherme Veränderung. Energie freigesetzt und in die Umgebung gegeben. Sogar bei Raumtemperatur-Flaschen feste Iod-Show-Kristalle bilden sich am oberen Ende der Flasche über dem Feststoff. Je wärmer das Laboratorium ist, desto mehr Kristalle bilden sich, wenn es nachts abkühlt Wenn man sanft Jod in einem Reagenzglas hitze, sieht man das Jod leicht erhaben und rekristallisiert auf der kühleren Oberfläche in der Nähe der Oberseite des Reagenzglases. Die Bildung einer bestimmten Form von Frost beinhaltet das direkte Einfrieren von Wasserdampf (Gas). Frost kann auch direkt zurück zu Wasserdampf (Gas) verdampfen und dies geschieht in den trockenen und extrem kalten Wintern der Gobi-Wüste an einem sonnigen Tag. H 2 O (s) H 2 O (g) (nur physikalische Veränderung) Es wird ein solides Kohlendioxid (Trockeneis) beim Abkühlen des Gases auf weniger als 78 ° C gebildet. Beim Erwärmen ändert es sich direkt zu einem sehr kalten Gas. Kondensation von Wasserdampf in der Luft zu einem Nebel, daher seine Verwendung in Bühneneffekte. CO 2 (s) CO 2 (g) (nur physikalische Veränderung) Beim Erhitzen stark in einem Reagenzglas, weißes festes Ammoniumchlorid. Zersetzt sich in ein Gemisch aus zwei farblosen Gasen Ammoniak und Chlorwasserstoff. Beim Abkühlen wird die Reaktion umgekehrt und feste Ammoniumchloridreformen an der kühleren Oberseite des Reagenzglases. Ammoniumchlorid-Wärmeenergie Ammoniak-Chlorwasserstoff T er involviert sowohl chemische als auch physikalische Veränderungen und ist so komplizierter als die Beispiele 1. bis 3. Tatsächlich verwandeln sich die ionischen Ammoniumchloridkristalle in kovalente Ammoniak - und Chlorwasserstoffgase, die natürlich weitaus flüchtiger sind ( Kovalente Substanzen haben im allgemeinen viel niedrigere Schmelz - und Siedepunkte als ionische Substanzen). Das flüssige Teilchenbild steht hier nicht, aber die anderen Modelle gelten abgesehen von Zustandsveränderungen, die eine flüssige Bildung betreffen. GAS Partikelmodell und SOLID Partikelmodell Links. BITTE BEACHTEN, Auf einer höheren Stufe des Studiums. Sie müssen das Gls-Phasendiagramm für Wasser und die Dampfdruckkurve von Eis bei bestimmten Temperaturen untersuchen. Wenn zum Beispiel der Umgebungsdampfdruck kleiner als der Gleichgewichtsdampfdruck bei der Temperatur des Eises ist, kann die Sublimation leicht stattfinden. Der Schnee und das Eis in den kälteren Gebieten der Gobi-Wüste schmelzen nicht in der Sonne, sie verschwinden nur langsam 2 h. Mehr über die Wärmeänderungen bei physikalischen Zustandsänderungen Änderungen des physikalischen Zustands, d. h. Gas ltgt liquid ltgt solid, sind auch von Energieveränderungen begleitet. Um einen Feststoff zu schmelzen oder eine Flüssigkeit zu verdampfen, muss Wärme aus der Umgebung absorbiert oder aufgenommen werden, so dass es sich um endotherme Energieveränderungen handelt. Das System wird erwärmt, um diese Änderungen zu bewirken. Um ein Gas zu kondensieren oder einen Feststoff einzufrieren, muss Wärmeenergie entfernt oder an die Umgebung abgegeben werden, so dass es sich um exotherme Energieveränderungen handelt. Das System wird abgekühlt, um diese Änderungen zu bewirken. Im Allgemeinen, je größer die Kräfte zwischen den Partikeln sind, desto größer ist die Energie, die benötigt wird, um die Zustandsänderung zu bewirken, und je höher der Schmelzpunkt und der Siedepunkt ist. Ein Vergleich der Energie, die benötigt wird, um verschiedene Arten von Substanzen zu schmelzen oder zu kochen (Dies ist mehr für Fortgeschrittene). Die Wärmeenergieveränderung, die in einer Zustandsänderung involviert ist, kann in kJmol der Substanz für einen fairen Vergleich ausgedrückt werden. In der nachstehenden Tabelle 916H ist die Schmelze die benötigte Energie, um 1 Mol der Substanz zu schmelzen (Formelmasse in g). 916H vap ist die Energie, die benötigt wird, um durch Verdampfen zu verdampfen oder 1 Mol der Substanz zu kochen (Formelmasse in g). Für einfache kleine kovalente Moleküle ist die vom Material absorbierte Energie relativ klein, um die Substanz zu schmelzen oder zu verdampfen, und je größer das Molekül ist, desto größer sind die intermolekularen Kräfte. Diese Kräfte sind schwach im Vergleich zu den chemischen Bindungen, die Atome zusammen in einem Molekül selbst halten. Relativ niedrige Energien sind erforderlich, um sie zu schmelzen oder zu verdampfen. Diese Substanzen haben relativ niedrige Schmelzpunkte und Siedepunkte. Für stark gebundene 3D-Netzwerke, z. B. (Iii) und einem Metallgitter von Ionen und freien äußeren Elektronen (m etallische Bindung) sind die Strukturen aufgrund der kontinuierlichen chemischen Bindung in der gesamten Struktur viel stärker. Folglich sind viel größere Energien erforderlich, um das Material zu schmelzen oder zu verdampfen. Aus diesem Grund haben sie so viel höhere Schmelzpunkte und Siedepunkte. Art der Verklebung, Struktur und Anziehungskräfte Betrieb Schmelzpunkt K (Kelvin) o C 273 Energie zum Schmelzen der Substanz Siedepunkt K (Kelvin) o C 273 Energie zum Kochen der Substanz 3a. WAS PASSIERT ZU DEN PARTIKELN, WENN EIN SOLID IN EINEM FLÜSSIGEN LÖSUNG ZU ENTSTANDEN WERDEN Was bedeutet das Wort SOLVENT, SOLUTE UND LÖSUNG, wenn ein Feststoff (der gelöste Stoff) in einer Flüssigkeit (dem Lösungsmittel) auflöst, wird die resultierende Mischung als Lösung bezeichnet. Im allgemeinen: Lösungslösungsmittel gt Lösung So läßt sich der gelöste Stoff in einem Lösungsmittel auflösen, ein Lösungsmittel ist eine Flüssigkeit, die die Dinge auflöst und die Lösung ist das Ergebnis der Auflösung von etwas in einem Lösungsmittel. Der Festkörper verliert alle seine reguläre Struktur und die einzelnen festen Teilchen (Moleküle oder Ionen) sind nun völlig frei von einander und zufällig mit den ursprünglichen flüssigen Teilchen zu mischen, und alle Teilchen können sich zufällig bewegen. Dies beschreibt Salz, das in Wasser auflöst, Zucker, der sich in Tee oder Wachs auflöst, das in einem Kohlenwasserstofflösungsmittel wie Weißgeist auflöst. Es handelt sich in der Regel nicht um eine chemische Reaktion, so ist es in der Regel ein Beispiel für eine physische Veränderung. Unabhängig von den Volumenveränderungen der festen Flüssigkeit, verglichen mit der endgültigen Lösung, gilt auch noch das Gesetz der Erhaltung der Masse. Dies bedeutet: Masse der festen gelösten Masse der flüssigen Lösungsmittelmasse der Lösung nach dem Mischen und Auflösen. Du kannst keine Masse erschaffen oder Geld verlieren. Sondern nur die Masse der Stoffe in eine andere Form umwandeln. Wenn das Lösungsmittel verdampft wird. Dann wird der Feststoff z. B. Wenn eine Salzlösung für eine lange Zeit ausgelassen wird oder sanft erhitzt wird, um die Dinge zu beschleunigen, schließlich Salzkristalle bilden, wird der Prozess Kristallisation genannt. 3b WAS PASSIERT ZU DEN PARTIKERN, WENN ZWEI FLÜSSIGKEITEN VÖLLIG MIT EINEM ANDEREN MISCHEN MISCHEN, WAS DAS WORT MISCIBLE BEDEUTET Mit dem Partikelmodell, um mischbare Flüssigkeiten zu erklären. Wenn sich zwei Flüssigkeiten in ihrer Partikel vollständig mischen, werden sie als mischbare Flüssigkeiten bezeichnet, weil sie sich vollständig ineinander auflösen. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt, wo sich die Partikel vollständig zuführen und sich zufällig bewegen. Das Verfahren kann durch fraktionierte Destillation umgekehrt werden. 3c WAS PASSIERT ZU DEN PARTIKELN, WENN ZWEI FLÜSSIGKEITEN NICHT MIT EINEM ANDEREN WERDEN, WAS IST DAS WORT IMMISCIBLE WERDEN, WENN DIE FLÜSSIGKEITEN NICHT MISCHEN. Verwenden Sie das Partikelmodell, um nicht mischbare Flüssigkeiten zu erklären. Wenn sich die beiden Flüssigkeiten nicht mischen. Sie bilden zwei getrennte Schichten und sind als nicht mischbare Flüssigkeiten bekannt, die in dem nachstehenden Diagramm dargestellt sind, wo die untere lila Flüssigkeit dichter ist als die obere Schicht der grünen Flüssigkeit. Sie können diese beiden Flüssigkeiten mit einem Trenntrichter trennen. Der Grund dafür ist, dass die Wechselwirkung zwischen den Molekülen einer der Flüssigkeiten allein stärker ist als die Wechselwirkung zwischen den beiden verschiedenen Molekülen der verschiedenen Flüssigkeiten. Zum Beispiel ist die Anziehungskraft zwischen Wassermolekülen viel größer als entweder Ölölmoleküle oder Ölwassermoleküle, so dass sich zwei getrennte Schichten bilden, weil die Wassermoleküle im Hinblick auf die Energieveränderung durch Zusammenkleben begünstigt werden. 3d Wie ein Trenntrichter verwendet wird 1. Die Mischung wird in den Trenntrichter mit dem Stopper auf und der Hahn geschlossen und die Schichten verlassen, um sich auszusetzen. 2. Der Stopper wird entfernt, und der Hahn wird geöffnet, so dass man die untere graue Schicht vorsichtig in einen Becher hineinführen kann. 3. Der Hahn wird dann wieder geschlossen, so dass die obere gelbe Schicht flüssig bleibt, so dass die beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten getrennt werden. Anhang 1 einige SIMPLE Partikelbilder von ELEMENTS, COMPOUNDS und MIXTURES GCSEIGCSE Multiple Choice QUIZ auf Zustände von Materiegasen, Flüssigkeiten Ampere Feststoffe Einige einfache Grundübungen von KS3 Wissenschaft QCA 7G quotParticle Modell von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasesquot Multiple Choice Fragen für die Wissenschaft Revision auf Gase , Flüssigkeiten und Feststoffe Partikelmodelle, Eigenschaften, die Unterschiede zwischen ihnen zu erklären. Siehe auch für Gas Berechnungen gcse Chemie Revision kostenlose detaillierte Notizen auf Zustände der Materie zu helfen, zu revidieren igcse Chemie igcse Chemie Revision Notizen auf Zustände der Materie O Ebene Chemie Revision kostenlose detaillierte Notizen über Zustände der Materie zu helfen, überarbeiten gcse Chemie kostenlose detaillierte Notizen zu Staaten von Materie zu helfen, zu revidieren O-Level-Chemie kostenlose Online-Website zu helfen, zu revidieren Staaten der Materie für gcse Chemie kostenlose Online-Website zu helfen, revidieren Zustände der Materie für igcse Chemie kostenlose Online-Website zu helfen, zu revidieren O Ebene Staaten der Materie Chemie, wie man in Fragen auf Staaten zu folgen Der Angelegenheit für die gcse-Chemie Wie gelingt es bei der igcse-Chemie, wie man auf O-Niveau-Chemie eine gute Website für freie Fragen auf Zustände der Materie zu helfen, gcse Chemie Fragen auf Staaten der Materie eine gute Website für freie Hilfe, um igcse Chemie mit pass passieren erfolgreich zu sein revision notes on states of matter a good website for free help to pass O level chemistry what are the three states of matter draw a diagram of the particle model diagram of a gas, particle theory of a gas, draw a particle model diagram of a liquid , particle theory of a liquid, draw a particle model diagram of a solid, particle theory of a solid, what is diffusion why can you have diffusion in gases and liquids but not in solids what are the limitations of the particle model of a gas liquid or solid how to use the particle model to explain the properties of a gas, what causes gas pressure how to use the particle model to explain the properties of a solid, how to use the particle model to explain the properties of a solid, why is a gas easily compressed but difficult to compress a liquid or solid how do we use the particle model to explain changes of state explaining melting with the particle model, explaining boiling with the particle model, explaining evaporation using the particle model, explaining condensing using the particle model, explaining freezing with the particle model, how do you read a thermometer working out the state of a substance at a particular temperature given its melting point and boiling point, how to draw a cooling curve, how to draw a heating curve, how to explain heatingcooling curves in terms of state changes and latent heat, what is sublimation what substances sublime explaining endothermic and exothermic energy changes of state, using the particle model to explain miscible and immiscible liquids GASES, LIQUIDS, SOLIDS, States of Matter, particle models, theory of state changes, melting, boiling, evaporation, condensing, freezing, solidifying, cooling curves, 1.1 Three states of matter: 1.1a gases, 1.1b liquids, 1.1c solids 2. State changes: 2a evaporation and boiling, 2b condensation, 2c distillation, 2d melting, 2e freezing, 2f cooling and heating curves and relative energy changes, 2g sublimation 3. Dissolving, solutions. miscibleimmiscible liquids Boiling Boiling point Brownian motion Changes of state Condensing Cooling curve Diffusion Dissolving Evaporation Freezing Freezing point Gas particle picture Heating curve Liquid particle picture Melting Melting point miscibleimmiscible liquids Properties of gases Properties of liquids Properties of solids solutions sublimation Solid particle picture GCSEIGCSE multiple choice QUIZ on states of matter gases liquids solids practice revision questions Revision notes on particle models and properties of gases, liquids and solids KS4 Science GCSEIGCSEO level Chemistry Information on particle models and properties of gases, liquids and solids for revising for AQA GCSE Science, Edexcel Science chemistry IGCSE Chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids OCR 21st Century Science, OCR Gateway Science notes on particle models and properties of gases, liquids and solids WJEC gcse science chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids CIE O Level chemistry CIE IGCSE chemistry notes on particle models and properties of gases, liquids and solids CCEACEA gcse science chemistry (revise courses equal to US grade 8, grade 9 grade 10) science chemistry courses revision guides explanation chemical equations for particle models and properties of gases, liquids and solids educational videos on particle models and properties of gases, liquids and solids guidebooks for revising particle models and properties of gases, liquids and solids textbooks on particle models and properties of gases, liquids and solids state changes amp particle model for AQA AS chemistry, state changes amp particle model for Edexcel A level AS chemistry, state changes amp particle model for A level OCR AS chemistry A, state changes amp particle model for OCR Salters AS chemistry B, state changes amp particle model for AQA A level chemistry, state changes amp particle model for A level Edexcel A level chemistry, state changes amp particle model for OCR A level chemistry A, state changes amp particle model for A level OCR Salters A level chemistry B state changes amp particle model for US Honours grade 11 grade 12 state changes amp particle model for pre-university chemistry courses pre-university A level revision notes for state changes amp particle model A level guide notes on state changes amp particle model for schools colleges academies science course tutors images pictures diagrams for state changes amp particle model A level chemistry revision notes on state changes amp particle model for revising module topics notes to help on understanding of state changes amp particle model university courses in science careers in science jobs in the industry laboratory assistant apprenticeships technical internships USA US grade 11 grade 11 AQA A level chemistry notes on state changes amp particle model Edexcel A level chemistry notes on state changes amp particle model for OCR A level chemistry notes WJEC A level chemistry notes on state changes amp particle model CCEACEA A level chemistry notes on state changes amp particle model for university entrance examinations describe some limitations of the particle model for gases, liquids and solidsThe temperature of a system is a measure of the average kinetic energy, the energy due to movement, of the particles in the system (the distinction between particles, molecules, and atoms will not be important in our discussion). In most systems the energy is just equal to a constant times the temperature. Since a higher kinetic energy means a higher velocity, its clear why the speed of diffusion increases with temperature: everything is moving faster (in the formula below, E is the kinetic energy, k Boltzmanns constant, T the temperature, m the mass, and v is the velocity). A heavy particle has a lower velocity for a given kinetic energy, or temperature. A large particle interacts more with its environment, which slows it down. Thus, heavy, large particles diffuse more slowly than light, small ones. The environment (the material the diffusing material is immersed in) is very important. Diffusion is most rapid in a gas (because molecules can travel a considerable distance before they hit another molecule, and even then they just bounce off), slower in a liquid (there is a lot of movement, but all molecules remain weakly tied to each other as they move), and very slow or sometimes zero in a solid (because the forces between molecules and atoms are so generally so large that there are only infrequent exchanges of position). Looking at many versus one A common task is the determination of the average value of some property in a system of many particles. The property might be velocity, energy, or whatever. If we are working with a computer simulation of the system, or are trying to derive a formula to calculate the average value of this property, there are two approaches for obtaining this average: gt at one point in time, look at the entire collection of particles (the ensemble), and compute the average of the property of interest over all the particles gt follow only one particle over a considerable time, and average the property of that particle over that time. Looking at one particle: Brownian Motion Robert Brown, in 1828, reported that pollen grains, when suspended in water and observed under the microscope, moved about in a rapid but very irregular fashion. In the eight decades between his description and the Ph. D. thesis of Albert Einstein in 1905, various scientists speculated about the cause of this motion. Some thought the motive power was the illumination used to see the particles in the microscope, some proposed electrical effects, and some even correctly guessed that the thermal motion, which was required by the kinetic theory of heat, was the cause. However, there was no general consensus, and little quantitative understanding of this phenomenon. I observe Brownian motion when I look at the fluorescent, polystyrene beads that are part of the DNA diagnostic we are developing at GeneVue. These particles are only 0.5 microns in diameter (0.0005 mm) but contain over 100,000 fluorescent dye molecules, and thus appear as a very bright circles. Since their density is close to that of water, they have little tendency of sink or float, and just sit there and do the thermal dance. You can see what I see by looking at this Java simulation: Can we see Brownian motion of a single molecule A molecule is generally much smaller than a polystyrene bead or a grain of pollen, and thus can not be seen in an ordinary light microscope. In such a microscope, objects are seen because they block some of the light that illuminates them from below (looking down on the object). If the object is smaller than 12 the wavelength of light, diffraction of light around the object eliminates most of the shadow it would otherwise cast, and we dont see it. However, when you see an object by virtue of the light that it emits, which is the case if the object is fluorescent, refraction no longer makes it invisible. Thus you can see individual DNA molecules when they are complexed with fluorescent dyes, even though they are not visible in a normal bright field microscope because the width of the DNA helix is much smaller than the wavelength of light. Thus, the answer to the question is yes. Einsteins contribution to our understanding of Brownian motion and diffusion Before Albert Einstein turned his attention to fundamental questions of relative velocity and acceleration, he published a series of papers, starting in 1905, on diffusion, viscosity, and the photoelectric effect that would have ensured him a considerable reputation even if he had not later created the Special and General Theories of Relativity. His papers on diffusion came from his Ph. D. thesis. Diffusion had been studied extensively by that time, but was described in a completely phenomalogical framework. Einsteins contributions were to propose: 1. that Brownian motion of particles was the basically the same process as diffusion. Thus we can use the same equations for Brownian motion and diffusion, even though we look directly at the Brownian motion of a large particle, but usually measure diffusion of small molecules by following changes in concentrations. 3. a formula for the diffusion coefficient of a substance in terms of the radius of the diffusing particles or molecules and other known parameters: D R T 6 pi N v r R is the gas constant (8 in SI units), T is the absolute temperature (300 K is room temp.) pi is 3.14159. N is the number of molecules in a mole (6 X E 23 ) v is the viscosity of the solvent ( 0.001 for water in SI units) r is the radius of the particle or molecule Impact of these equations Experimental observation confirmed the numerical accuracy of Einsteins theory. This means that we understand Brownian motion is just a consequence of the same thermal motion that causes a gas to exert a pressure on the container that confines it. We understand diffusion in terms of the movements of the individual particles, and can calculate the diffusion coefficient of a molecule if we know its size (or more commonly calculate the size of the molecule after experimental determination of the diffusion coefficient). Thus, Einstein connected the macroscopic process of diffusion with the microscopic concept of thermal motion of individual molecules. Not a bad Ph. D. thesis. Brownian motion of many particles is diffusion Thus we can model diffusion the same way we did the movement of a single particle, we just use more particles. In the following Java applet, we follow 16 objects as they diffuse above a surface. A second modification to the simulation is the superposition of a constant downward quotdrift velocityquot, which be can set to any value that pleases: While this simulation may seen just a toy, it can be used to study some interesting situations. However, in order to use it as a quantitative tool, you need more information . Calculating the changes in concentration as diffusion progresses Often we are not interested in the motion of individual particles, but rather in changes in a concentration profile with time. The two differential equations that describe bulk diffusion were known well before Einstein. The 1st law is essentially the definition of the diffusion coefficient. The 1st law plus conservation of mass gives the 2nd law. and solutions of this partial differential equation are the concentration profiles resulting from diffusion. Given the initial concentration profile, the 2nd law describes how the concentration at each position changes with time, and thus enables you to calculate the concentration profile at later times. In practice, finding the solutions of the 2nd law can be difficult. Even for simple initial concentrations, the solutions often must be expressed in terms of other quotstandard functionsquot, and the numerical values extracted from tables. Here we give solutions for two of the most simple cases: 1. At t 0 all the material is concentrated in a plane sheet at x 0, that is arbitrarily thin (and thus the concentration in the sheet is arbitrarily large). The solution is a Gaussian distribution which becomes lower and wider as time progresses. 2. At t 0 the concentration below the plane at x 0 is constant, above the plane it is 0. The solution is an quotSquot shaped profile, the integral of a series of Gaussian curves, which becomes wider with time. Diffusion of different sized objects The diffusion coefficient is inversely proportional to the radius of a particle, or the cube root of the volume. So, if the mass of one spherical particle is 8 fold greater than another, its diffusion coefficient is only 2 fold smaller. I have picked 7 chemicals, molecules, or objects (the distinction between these terms is not always clear) and calculated a (very) approximate radius (in nm), the diffusion coefficient (in SI units times 10 12 ) and the time in seconds required to diffuse 10 microns (the diameter of a typical animal cell).Brownian motion Brownian motion is the continuous random motion of microscopic particles when suspended in a fluid medium. Brownian motion was first observed (1827) by the Scottish botanist Robert Brown (177382111858) when studying pollen grains in water. The effect was finally explained in 1905 by Albert Einstein. who realized it was caused by water molecules colliding randomly with the particles. Over a century later, Brownian motion can still cause problems for scientists trying to study small biological particles in solution, because they move around too much. The kinetic theory of gases The kinetic theory of gases makes the assumption that molecules are hard, perfectly elastic little spheres, much like steel ball-bearings 8211 except that these are not perfectly elastic. There are about 26 million trillion such molecules to a cubic centimeter of air. They move around rapidly and chaotically, and their energy of motion or kinetic energy is proportional to what a thermometer measures as the temperature of the gas. The gas molecules communicate their energy to the molecules of mercury in the thermometer and the higher energy mercury molecules then take up more space. Gases are heated up by bringing a bunch of faster moving molecules 8211 (i. e. a gas at a higher temperature) and letting them loose among the more sluggish ones. The sluggish molecules are speeded up when they are bombarded by fast moving ones. In doing so the fast moving molecules are slowed down a little, and the average kinetic energy of the two gases becomes the same, i. e. they come to be at the same temperature, somewhere between the two temperatures. When one of the molecular bullets hits the wall of a container it exerts a force on the wall 8211 exactly as a ball thrown at an open door exerts a force and will slightly move it. All the rebounds of the molecules add together and make up the pressure of the gas. If the volume of the vessel containing the gas is halved the number of impacts per second will be doubled, so the pressure will also double. This is the explanation of Boyles law which states that pressure 215 volume constant. If no heat was lost to the outside, the motions of all the molecules would continue because they are perfectly elastic and they do not lose any energy by collision. Ball bearings or billiard balls set flying about on a billiard table quickly lose their energy because of friction and also because they are not nearly elastic enough to keep going. Though at any instant the speeds, and consequently the energies, of the molecules will be different, their average energies taken over a period of time must be the same. This is called the equipartition of energy . No single molecule could retain a large amount of energy for any length of time as it would suffer too many collisions. Since kinetic energy equals 189 mass 215 (velocity) 2 heavier molecules with equal energies must have slower speeds since they have a larger mass. A small particle such as a smoke particles floating about in the gas will be bombarded in every direction by the molecular bullets. This particle will behave exactly as if it was a very large molecule. It will move around just like the other molecules. Its energy will be neither less than, nor greater than the energy of the molecules around it, but will be equal to their average kinetic energy in accordance with the equipartition of energy. The molecules are light and move very fast. The particle is heavy, so in order to have the same average kinetic energy it must move relatively slowly. Its motion is a slow moving version of the molecular world. The movement of particles like this surrounded by rapidly moving molecules in gases or liquids are Brownian motion or Brownian movement. Discovery of Brownian motion In 1829, the Scottish botanist Robert Brown noticed tiny pollen grains in water moving around in a completely disordered fashion, tracing out a path like a drunkards walk. He was very surprised and thought that here might be the basis of life. But tiny pieces of mica in water sealed up in rocks for millions of years also behaved similarly 8211 these could hardly be alive, so the idea was dropped. It took a long time 8211 about 50 years 8211 for scientists to realize the origin of Brownian motion and to be convinced that they showed the ideas of the kinetic theory and the reality of molecules. In 1905 Albert Einstein worked out the theory of Brownian motion and Avogadros number. which is a measure of the actual number of molecules present in a gram-molecule of a substance, was determined from Brownian motion. Brownian motion of smoke particles Brownian motion occurs in liquids and gases because of the random motion of the molecules. In gases, Brownian motion is best observed by illuminating from the side under a microscope a shallow box containing smoke. A dark background is put behind the box. The illuminated smoke particles seen as bright spots of light execute a zigzag walk against the dark background. The smoke particles have smaller diameters than the wavelength of light but they can easily be seen as they scatter light into a diffraction halo. There are two sorts of Brownian motions of the smoke particles. The more easily observed movement is that in which the particles are knocked from place to place. There is a second type of motion more difficult to observe, in which large particles, which have some mark on them, are found to be turned through different angles by the impact of the molecules. This is called rotational Brownian motion . Related entry Related categories