Кристина САВЧУК, учащаяся,
Валентина ЗМИТРУКЕВИЧ, учитель физики
ГУО «Озёрковская средняя школа»
Мостовского района,
Гродненская область
1 Введение
Все знают, что можно пить жидкости: воду, сок, квас. А вот твёрдые вещества можно выпить, если растворить в воде или другой жидкости. Например, кристаллы сахара хорошо растворяются, если поместить их в горячий чай, получается сладкий на вкус раствор. Интересно, какой вкус воды, в которой растворено золото?
В сборнике я прочла задачу: «В литре морской или речной воды содержится приблизительно 0,000000004 г = 4 × 10-9 г золота. Сколько золота «выпивает» человек за свою жизнь?». Значит, золото тоже растворяется в воде? Получается, что изделие из золота, например, золотые серёжки или колечко можно растворить в воде? Но на практике я такого не заметила. Я решила провести исследование, сформулировала цель, задачи, составила план и выдвинула гипотезу.
Цель: изучить понятия «раствор», «растворимость», «диффузия», выяснить, в каком виде золото содержится в воде.
Задачи:
1) провести наблюдение;
2) изучить литературу по теме;
3) провести исследования и опыты;
4) сделать выводы.
Гипотеза: золото не растворяется в воде, и диффузии не происходит.
Объект исследования: содержание золота в воде, его роль в жизни человека.
Предмет исследования: процессы растворения и диффузии.
Методы исследования:
– наблюдение,
– эксперимент,
– поиск информации,
– логическое мышление,
– анализ полученных результатов.
2 Основная часть
2.1 Физическое явление «диффузия»
Я знаю, что сахар растворяется в воде благодаря физическому явлению, которое называется диффузия. Известно, что все вещества состоят из мельчайших частиц. Диффузия – это процесс взаимного проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения всех частиц, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред, затем из-за хаотичного движения отдельные частицы веществ у границы меняются местами, обмен затрагивает всё более глубокие слои, и со временем граница между веществами расплывается. Благодаря непрерывному хаотичному движению частиц раствор становится однородным.
Опыт 1. Опустила сухие листья чая в стаканы с холодной водой и с горячей. Окрашивается быстрее горячая вода.
Вывод: скорость диффузии зависит от температуры, чем выше температура, тем скорее протекает диффузия.
Опыт 2. В стакан с водой осторожно с помощью пипетки ввожу окрашенный спирт. Вода моментально изменяет цвет. В другой стакан с водой добавляю раствор йода.
Вывод: диффузия воды со спиртом происходит очень быстро, для диффузии между раствором йода и воды нужно больше времени, значит, скорость диффузии зависит от рода жидкостей.
Опыт 3. В пробирку поместила кефир, затем с помощью пипетки – сироп. Прошёл 1 час, изменений не заметила. Через сутки полоска кефира окрасилась.
Вывод: в жидкостях с большей плотностью диффузия протекает медленнее.
Опыт 4. На половинку яблока капаю несколько капель йода.
Вывод: диффузия твёрдого вещества и жидкости происходит медленно.
Опыт 5. Разрезаю картофель пополам. На одну половинку капаю 20 капель йода и кладу на дно стакана, второй – накрываю стакан. Через 20 минут замечаю, что на верхней половинке появилось тёмное пятно, значит, пары йода вступили в реакцию с крахмалом.
Вывод: я наблюдала диффузию твёрдого вещества и газообразного.
Опыт 6. На срезы картофеля, яблока, лука капнула по 7 капель йода, через 30 минут разрезала образцы и заметила, что йод впитался в каждом на разную глубину.
Вывод: в твёрдых веществах диффузия происходит с разной скоростью, значит, она зависит от рода вещества.
Опыт 7. Вода и подсолнечное масло. Налила в пробирки воду, а затем с помощью пипетки – подсолнечное масло. Одну пробирку встряхнула, в ней всё смешалось. Через 15 минут увидела, что вода и масло разделились.
Вывод: вода и масло не диффундируют.
Из сети интернет я узнала, что явление диффузии наблюдается далеко не со всеми веществами. В твёрдых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Для твёрдых тел характерно наличие кристаллической решетки, где все частицы расположены упорядоченно, что делает протекание диффузии невозможным или почти невозможным. Скорость диффузии в жидкостях в разы выше, чем в твёрдых телах. Это объясняется тем, что связи между частицами в жидкости гораздо слабее. Обычно их энергии хватает максимум на образование капель. Поэтому взаимному проникновению частиц двух веществ ничто не мешает.
Как быстро будет происходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей. В более густых растворах она происходит медленнее. Чем гуще жидкость, тем сильнее связи между её молекулами, а значит, взаимное проникновение труднее. Для смешивания двух жидких металлов необходимо несколько часов, а воды со спиртом – всего минутка. Если воду смешать с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.
Выводы: сам процесс диффузии занимает определённое время, происходит не со всеми веществами, скорость его увеличивается при увеличении температуры, в твёрдых телах диффузия происходит очень медленно, или не происходит, скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, чем в твёрдых телах, скорость диффузии зависит от характера и консистенции жидкостей.
2.2 Что растворено в воде
Мы пьём воду из-под крана или из колодца. На первый взгляд она чистая. Но я заметила, что со временем на дне и на стенках чайника появляется накипь. Откуда она берётся? Ну конечно, из воды. Я решила узнать, много ли посторонних веществ в воде. Вскипятила 3 литра воды, остудила, а затем профильтровала через слой салфеток. Взвесила салфетки чистые (26 г), потом высушенные после фильтрации (29 г).
Разница в массе – это и есть масса растворённых в воде веществ, которые в виде выпавших в осадок солей остались на салфетках. Но все ли растворённые в воде вещества я отфильтровала?
В сети интернет нашла интересующую меня информацию. Вода – отличный растворитель. Поэтому идеально чистой воды в природе не бывает. В ней растворены газы: кислород, азот, аргон, углекислота и другие примеси, которые находятся в воздухе, а также соли и кислоты. В водах Мирового океана могут быть растворены почти все элементы периодической системы. Учёными обнаружено более 80, в том числе даже редкие и радиоактивные элементы. В морской воде в наибольшем количестве содержится хлор, сера, натрий, магний, калий, углерод, бор. Даже золота там находится немало. В среднем на один кубический километр морской воды приходится 228 граммов. Учёные подсчитали, что Мировой океан вмещает 1,37 миллиарда кубических километров воды, в которой находится около 6 миллионов тонн этого драгоценного металла. Но добывать золото из воды слишком сложно.
2.3 Что такое растворы
Как же происходит растворение веществ? Добавим в воду сахар. Растворение происходит медленно, если вода холодная, а если горячая и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.
Попадая в воду, молекулы сахара, которые находятся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды межмолекулярные связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет отрываться от кристалла молекулы сахара и переходить в толщу молекул растворителя.
Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки).
Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией. Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара. Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами межмолекулярными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно, и раствор становится одинаково сладким по всему объему.
Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него – идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается.
Например, при комнатной температуре мы не можем растворить в 100 мл воды более 200 г сахара или более 35,9 г поваренной соли. В таких случаях говорят, что раствор стал насыщенным.
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, называется насыщенным. И никакое самое сильное перемешивание не поможет растворить дополнительные порции вещества в насыщенном растворе. Это станет возможным, если повысить температуру.
Мы говорим: «сахар растворяется в воде хорошо» или «мел плохо растворяется в воде». Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Содержание вещества в насыщенном растворе – мера его растворимости.
Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимое. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает. Даже когда мы наливаем воду в стеклянный сосуд, очень небольшая часть молекул стекла неизбежно переходит в раствор.
Растворы не отстаиваются. Они сохраняются однородными все время. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцовокислый калий не удастся отделить от воды. Это значит, что вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул или ионов.
Не только вода является растворителем – существуют и неводные растворы. Но когда речь идет о водных растворах, воду считают растворителем и в тех случаях, когда ее меньше. Например, говорят о 96 %-ном растворе этилового спирта в воде, а не о 4 %-ном растворе воды в спирте.
2.4 Виды растворов
Существуют растворы не только жидкие, но и твердые. В твердых растворах частицы одного вещества хаотично распределены среди частиц какого-нибудь другого, но обязательно твердого вещества. Например, водород растворяется в некоторых металлах (платине, палладии), и это пример твердого раствора. Смеси газов (например, воздух) не называют растворами. Дело в том, что важным свойством растворов является заметное взаимодействие между частицами растворителя и растворенных веществ, а в газах такое взаимодействие практически отсутствует.
Виды растворов:
– жидкие растворы (сладкий чай);
– твердые растворы (сплавы);
– газообразные растворы (воздух).
Любой жидкий раствор состоит из растворителя (жидкая среда, в которой происходит процесс растворения) и растворенных веществ, которые растворяются в жидкости.
Жидкие растворы: 1) жидкость + газ; 2) жидкость + жидкость; 3) жидкость + твердое вещество.
Растворимость твердых веществ сильно зависит от температуры (обычно, чем выше температура, тем лучше их растворимость).
2.5 Эмульсии и суспензии
При смешивании твёрдых веществ с водой могут образовываться суспензии, жидких – эмульсии. Суспензии и эмульсии, в отличие от растворов, со временем отстаиваются.
Суспензии (взвеси) – жидкости, в которых мелкие твердые частицы находятся во взвешенном состоянии. Эмульсии – две не смешивающиеся между собой жидкости; при этом частицы одной жидкости находятся в другой жидкости также во взвешенном состоянии.
С течением времени любая суспензия расслаивается под воздействием силы тяжести. Твердое вещество оседает на дно.
Очень маленькие частицы твердого вещества (размером менее 1 мкм) создают стабильные суспензии. Взвешенное состояние этих частиц – результат теплового движения молекул жидкости. Частицы очень медленно выделяются из жидкости, если это вообще происходит. Такое состояние называют коллоидным. Золото находится в воде в виде мельчайших крупинок, которые нельзя увидеть невооружённым глазом. Это коллоидный раствор.
2.6 Сколько в нас золота
В организме взрослого человека содержится около 10 мг золота (0,000014 % от всей массы человека весом 70 кг)
Примерно половина золота, содержащегося в теле человека (≈ 0,005 г), находится в его костях, около трети содержится в крови (0,003–0,004 г, примерно 0,001 г на литр крови) и остальное золото (от 0,0015 до 0,003 г) распределено в волосах, коже, ногтях и других органах (печени, почках, др.). В женском организме золота содержится больше, чем в мужском.
2.7 Как влияет золото на организм человека
Благодаря исследованиям учёных стало известно, что золото оказывает антисептическое действие на бактерии и вирусы, благотворно влияет на работу мозга, нервную проводимость, способствует замедлению развития возрастных заболеваний (остеохондроз, атеросклероз, гипертония), положительно влияет на продолжительность жизни.
Какова потребность организма человека в золоте? Для сохранения нормального баланса в организме необходима суточная норма 2–4 мкг золота. Обеспечиваться эта потребность может через пищу, питьевую воду и при ношении золотых изделий (благодаря диффузии). Больше всего золота находится в зёрнах кукурузы (в 100 г продукта содержится примерно 0,5 мкг золота).
Кукуруза больше, чем другие растения, способна вытягивать из почвы ионы золота и сохранять их в своих стеблях, листьях и зернах. В меньших количествах золото содержится в хвоще, жимолости, люцерне, совсем немного – в семенах льна, зёрнах ячменя, шишках сосны и пихты.
2.8 Как обращаться с золотыми изделиями
В холодной воде золото не растворяется, но если его поместить в кипяток, то молекулы воды начинают выбивать молекулы золота с поверхности и те плавают в воде. Вода не является растворителем золота, однако его могут растворить некоторые другие вещества: азотная и соляная кислоты, взятые в соотношении 3 к 1 по объёму, а также цианид натрия или калия, что используют при добыче золота.
Поэтому золотые изделия нужно оберегать от воздействия кислот, агрессивных растворителей и высоких температур, украшения необходимо снимать при посещении душа, мытье посуды, правильно проводить их чистку.
2.9 Сколько можно «выпить» золота
Рассчитаю, сколько золота «выпивает» человек за свою жизнь. Средняя продолжительность жизни – 70 лет, в году 365 суток, среднее потребление за сутки – 2 литра, в 1 литре воды – 4 × 10-9 г золота. В среднем человек за всю жизнь может «выпить» золота 70 × 365 × 2× 4 × 10-9 ≈ 0,0002 г, а долгожитель – 110 × 365 × 2 × 4 × 10-9 ≈ 0,0003 г.
Рекордсменом по потреблению воды среди животных является бегемот. Он пьёт до 250 литров воды в сутки, в неволе доживает до 60 лет. На протяжении жизни бегемот может «выпить» 60 × 365 × 250 × 4 × 10-9 ≈ 0,022 г золота.
Слон живёт 90 лет, за сутки выпивает до 200 литров воды. На протяжении жизни он может «выпить» 90 × 365 × 200 × 4 × 10-9 ≈ 0,026 г золота.
Вывод: Золота настолько мало содержится в воде, что даже за всю жизнь можно употребить только доли грамма.
3 Заключение
В процессе исследования я углубила свои знания о диффузии как физическом явлении, о смешивании разных веществ, о растворах, узнала, что смешивание и диффузия не одно и то же.
Сам процесс диффузии занимает определённое время. Происходит не со всеми веществами. Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и зависит от характера и консистенции жидкостей. В твёрдых телах происходит очень медленно, если вообще происходит. В газах диффузия протекает быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях быстрее, чем в твердых телах.
Я подсчитала, сколько можно «выпить» золота за всю жизнь и получила более полное представление о том, насколько мизерны молекулы и как мало золота содержится в воде.
Проведя исследования, я пополнила свои знания о растворах. Существуют не только водные растворы, но спиртовые и многие другие. Вещества в растворах могут быть хорошо растворимыми, малорастворимыми или вовсе нерастворимыми. Смешивание – далеко не всегда диффузия. При смешивании твёрдых веществ с водой могут образовываться суспензии, жидких – эмульсии. В воде не растворяются золото, свинец, олово и многие другие металлы. Золото в воде находится во взвешенном состоянии в виде мельчайших частиц и образует коллоид.
Я узнала, что золото может растворяться в некоторых веществах – это кислоты. А при высоких температурах даже молекулы воды начинают выбивать молекулы золота с поверхности золотого изделия. Эти знания мне помогут правильно обращаться с золотыми украшениями. При контакте с кожей происходит диффузия молекул золота в организм человека, и это очень полезно, потому что золото благотворно влияет на здоровье.
Актуальность исследовательской работы в том, что знания о диффузии, растворах, коллоидах, о содержании золота в воде и организме человека необходимы в повседневной жизни.
А ещё я поняла, что физика – это очень интересно.
В процессе исследования гипотеза подтверждена, цель работы достигнута. Практическая значимость работы состоит в возможности использования материалов исследования на уроках физики, а также во внеурочной деятельности.
Предложить публикацию