Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
Diffusion and the evidence for moving particles
What diffusion is
Diffusion is the net movement of particles from a region of higher concentration to a region of lower concentration, caused by the random motion of the particles themselves.
Two words in that definition carry the marks. "Random" — nothing pushes the particles in a chosen direction; they simply move in all directions and spread out because there is more room. "Net" — particles move both ways, but more move from the crowded side, so the overall result is a spreading out.
What makes diffusion faster
- Higher temperature — particles have more kinetic energy and move faster;
- Lower relative molecular mass — at the same temperature, lighter particles move faster;
- Gas rather than liquid — gas particles are far apart and move much faster, so diffusion in a gas is far quicker than in a liquid, and does not happen at all in a solid.
The classic experiment
Cotton wool soaked in concentrated ammonia solution is put in one end of a long glass tube, and cotton wool soaked in concentrated hydrochloric acid in the other. A white ring of ammonium chloride forms where the two gases meet:
$$\text{NH}_{3}(\text{g})+\text{HCl}(\text{g})\rightarrow \text{NH}_{4}\text{Cl}(\text{s})$$The ring forms nearer the hydrochloric acid end, because ammonia has the smaller relative molecular mass ($17$ against $36.5$) and so its molecules travel faster. This single observation is the standard exam evidence that lighter molecules diffuse faster.
Khuếch tán là gì. Khuếch tán là sự dịch chuyển thực của các hạt từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp, gây ra bởi chính chuyển động ngẫu nhiên của các hạt.
Hai chữ trong định nghĩa mang điểm. “Ngẫu nhiên” — không có gì đẩy các hạt về một hướng được chọn trước; chúng chỉ chuyển động theo mọi hướng và lan ra vì phía kia có nhiều chỗ trống hơn. “Thực” — hạt đi cả hai chiều, nhưng số đi từ phía đông đúc nhiều hơn, nên kết quả tổng là sự lan toả.
Cái gì làm khuếch tán nhanh hơn.
- Nhiệt độ cao hơn — các hạt có nhiều động năng hơn nên chuyển động nhanh hơn;
- Khối lượng phân tử nhỏ hơn — ở cùng nhiệt độ, hạt nhẹ hơn chuyển động nhanh hơn;
- Ở thể khí thay vì thể lỏng — hạt khí ở xa nhau và chạy nhanh hơn nhiều, nên khuếch tán trong khí nhanh hơn hẳn trong lỏng, và không xảy ra trong chất rắn.
Thí nghiệm kinh điển. Một nút bông tẩm dung dịch amoniac đặc đặt ở một đầu ống thuỷ tinh dài, nút bông tẩm axit clohiđric đặc đặt ở đầu kia. Một vòng khói trắng amoni clorua xuất hiện ở chỗ hai khí gặp nhau:
$$\ce{NH3(g) + HCl(g) -> NH4Cl(s)}$$Vòng trắng hình thành ở gần đầu axit clohiđric hơn, vì amoniac có khối lượng phân tử nhỏ hơn ($17$ so với $36{,}5$) nên phân tử của nó đi nhanh hơn.
Chỉ một quan sát này là bằng chứng chuẩn mà đề thi dùng để hỏi về quan hệ giữa khối lượng phân tử và tốc độ khuếch tán — và câu trả lời trọn điểm phải so hai khối lượng phân tử bằng số, không chỉ nói “amoniac nhẹ hơn”.
Trong thí nghiệm ống khuếch tán amoniac – axit clohiđric, vòng khói trắng hình thành ở gần đầu axit hơn. Giải thích quan sát này, và dự đoán điều gì xảy ra nếu làm lại thí nghiệm ở nhiệt độ cao hơn.
Vì sao vòng lệch về phía axit. Cả hai khí đều khuếch tán từ đầu ống của mình về phía đầu kia, và vòng trắng hình thành ở nơi chúng gặp nhau.
Khối lượng phân tử của amoniac là $M_{r}=17$, còn của hiđro clorua là $M_{r}=36{,}5$. Ở cùng một nhiệt độ, mọi phân tử có động năng trung bình như nhau; mà $E_{k}=\tfrac{1}{2}mv^{2}$, nên phân tử nhẹ hơn phải chuyển động nhanh hơn.
Vì thế phân tử $\ce{NH3}$ đi được quãng đường dài hơn trong cùng khoảng thời gian, và điểm gặp nhau nằm gần đầu $\ce{HCl}$ hơn.
Nếu tăng nhiệt độ. Cả hai khí đều nhận thêm động năng nên cả hai đều chạy nhanh hơn. Vòng trắng vì thế xuất hiện sớm hơn — thời gian chờ ngắn lại.
Nhưng vị trí của vòng gần như không đổi, vì tỉ số tốc độ giữa hai khí không phụ thuộc nhiệt độ — cả hai cùng nhanh lên theo cùng một tỉ lệ.
Đây là chỗ phân biệt hai câu hỏi rất giống nhau: nhiệt độ đổi tốc độ xảy ra, khối lượng phân tử đổi vị trí xảy ra.
Một tinh thể thuốc tím được thả nhẹ xuống đáy một cốc nước tĩnh. Sau vài giờ, cả cốc nước có màu tím nhạt đều. (a) Giải thích quan sát này. (b) Vì sao quá trình này chậm hơn nhiều so với khuếch tán trong không khí? (c) Vì sao khuếch tán không xảy ra trong chất rắn?
(a) Các hạt thuốc tím và các phân tử nước đều chuyển động ngẫu nhiên không ngừng. Nhờ chuyển động đó, các hạt thuốc tím dần đi vào khắp khối nước.
Ban đầu nồng độ thuốc tím rất cao ở đáy và bằng $0$ ở trên. Vì các hạt đi theo mọi hướng, số hạt rời khỏi vùng đông đúc nhiều hơn số hạt đi vào đó, nên kết quả thực là chúng lan từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp — cho tới khi nồng độ đều khắp và không còn chênh lệch nào.
Chú ý: không có gì đẩy thuốc tím lan ra. Sự lan toả chỉ là hệ quả thống kê của chuyển động ngẫu nhiên.
(b) Trong chất lỏng, các hạt ở sát nhau nên mỗi hạt thuốc tím liên tục va vào các phân tử nước và bị bật lại theo hướng khác. Nó đi một đường dích dắc rất dài để tiến được một quãng ngắn.
Trong chất khí, các hạt ở xa nhau nên một phân tử đi được quãng đường dài giữa hai lần va chạm, và nó cũng chuyển động nhanh hơn nhiều. Vì thế khuếch tán trong khí nhanh hơn hàng nghìn lần.
(c) Trong chất rắn, các hạt bị lực hút mạnh giữ ở vị trí cố định; chúng chỉ dao động quanh chỗ của mình chứ không đổi chỗ được. Không có chuyển động tịnh tiến thì không có khuếch tán.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương States of Matter gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.