Schritt in Richtung Nanotechnologie

Vor Tausenden von Jahren fragten sich die Menschen, woraus die umgebenden Körper bestehen. Die Antworten waren unterschiedlich. Im antiken Griechenland äußerten Wissenschaftler die Meinung, dass alle Körper aus kleinen unteilbaren Elementen bestehen, die sie Atome nannten. Wie wenig, konnten sie nicht angeben. Mehrere Jahrhunderte lang blieben die Ansichten der Griechen nur Hypothesen. Sie wurden ihnen im XNUMX. Jahrhundert zurückgegeben, als Experimente durchgeführt wurden, um die Größe von Molekülen und Atomen abzuschätzen.

Es wurde eines der historisch bedeutsamen Experimente durchgeführt, das die Berechnung von Partikelgrößen ermöglichte Englischer Wissenschaftler Lord Rayleigh. Da es einfach durchzuführen und gleichzeitig sehr überzeugend ist, versuchen wir es zu Hause zu wiederholen. Dann wenden wir uns zwei weiteren Experimenten zu, die es uns ermöglichen, einige Eigenschaften von Molekülen kennenzulernen.

Welche Partikelgrößen gibt es?

Reis. 1. Ein Verfahren zum Vorbereiten einer Spritze zum Einbringen einer Lösung von Öl in extrahiertem Benzin hinein; p - Poxylin,

c - Spritze

Versuchen wir, diese Frage zu beantworten, indem wir das folgende Experiment durchführen. Aus einer 2 cm Spritze³ Entfernen Sie den Kolben und verschließen Sie seinen Auslass mit Poxiline, sodass er den Auslassschlauch, der zum Einführen der Nadel vorgesehen ist, vollständig ausfüllt (Abb. 1). Wir warten ein paar Minuten, bis Poxilina aushärtet. Wenn dies geschieht, gießen Sie etwa 0,2 cm in die Spritze³ Speiseöl und notieren Sie diesen Wert. Dies ist die Menge des verwendeten Öls._o. Füllen Sie das restliche Volumen der Spritze mit Benzin. Mischen Sie beide Flüssigkeiten mit einem Draht, bis eine homogene Lösung entsteht und fixieren Sie die Spritze senkrecht in einer beliebigen Halterung.

Gießen Sie dann warmes Wasser in das Becken, sodass die Tiefe 0,5–1 cm beträgt. Verwenden Sie warmes, aber nicht heißes Wasser, damit der aufsteigende Dampf nicht sichtbar ist. Wir ziehen einen Papierstreifen mehrmals tangential über die Wasseroberfläche, um die Oberfläche von zufälligen Pollen zu reinigen.

Wir sammeln eine kleine Mischung aus Öl und Benzin in der Pipette und treiben die Pipette durch die Mitte des Gefäßes mit Wasser. Durch sanften Druck auf den Radiergummi lassen wir einen möglichst kleinen Tropfen auf die Wasseroberfläche fallen. Ein Tropfen einer Mischung aus Öl und Benzin breitet sich weithin in alle Richtungen über die Wasseroberfläche aus und bildet unter den günstigsten Bedingungen – dem sogenannten – eine sehr dünne Schicht mit einer Dicke von einem Partikeldurchmesser monomolekulare Schicht. Nach einiger Zeit, normalerweise nach einigen Minuten, verdampft das Benzin (beschleunigt durch den Anstieg der Wassertemperatur) und hinterlässt eine monomolekulare Ölschicht auf der Oberfläche (Abb. 2). Die resultierende Schicht hat meist die Form eines Kreises mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern oder mehr.

Reis. 2. Monomolekulare Ölschicht auf der Wasseroberfläche

m – Becken, c – Wasser, o – Öl, D – Formationsdurchmesser, d – Formationsdicke

(Ölpartikelgröße)

Wir beleuchten die Wasseroberfläche, indem wir einen Lichtstrahl einer Taschenlampe schräg darauf richten. Dadurch sind die Grenzen der Ebene besser sichtbar. Den ungefähren Durchmesser D können wir leicht mit einem Lineal ermitteln, das knapp über der Wasseroberfläche gehalten wird. Wenn wir diesen Durchmesser kennen, können wir die Fläche der Schicht S mithilfe der Formel für die Fläche eines Kreises berechnen:

Wenn wir wüssten, wie groß das Volumen des Öls V ist₁ im fallengelassenen Tropfen enthalten ist, könnte der Durchmesser des Ölmoleküls d leicht berechnet werden, unter der Annahme, dass das Öl schmilzt und eine Schicht mit einer Oberfläche S bildet, d. h.:

Nach dem Vergleich der Formeln (1) und (2) und einer einfachen Transformation erhalten wir eine Formel, mit der wir die Größe eines Ölpartikels berechnen können:

Die einfachste, aber nicht genaueste Methode zur Bestimmung des Volumens V₁ besteht darin, zu prüfen, wie viele Tropfen aus dem Gesamtvolumen der in der Spritze enthaltenen Mischung gewonnen werden können, und das verwendete Ölvolumen Vo durch diese Zahl zu dividieren. Dazu sammeln wir die Mischung in einer Pipette und erzeugen Tröpfchen, wobei wir versuchen, sie auf die gleiche Größe zu bringen, wie wenn sie auf die Wasseroberfläche fallen. Wir machen das so lange, bis die gesamte Mischung aufgebraucht ist.

Eine genauere, aber zeitaufwändigere Methode besteht darin, einen Öltropfen wiederholt auf die Wasseroberfläche fallen zu lassen, eine monomolekulare Ölschicht zu erhalten und deren Durchmesser zu messen. Selbstverständlich muss vor jeder Schicht das zuvor verwendete Wasser und Öl aus dem Becken ausgeschüttet und sauber ausgegossen werden. Aus den erhaltenen Messwerten wird das arithmetische Mittel berechnet.

Vergessen Sie beim Einsetzen der erhaltenen Werte in Formel (3) nicht, die Einheiten umzurechnen und den Ausdruck in Metern (m) und V auszudrücken₁ in Kubikmetern (m³). Ermitteln Sie die Partikelgröße in Metern. Diese Größe hängt von der Art des verwendeten Öls ab. Aufgrund der vereinfachenden Annahmen kann das Ergebnis fehlerhaft sein, insbesondere weil die Schicht nicht monomolekular war und die Tröpfchengrößen nicht immer gleich waren. Es ist leicht zu erkennen, dass das Fehlen einer monomolekularen Schicht zu einer Überschätzung des Wertes von d führt. Die üblichen Größen von Ölpartikeln liegen im Bereich von 10^-8-10^-9 m. Block 10^-9 m heißt Nanometer und wird häufig in dem boomenden Bereich verwendet, der als bekannt ist Nanotechnologie.

„Verschwindendes“ Flüssigkeitsvolumen

Reis. 3. Das Design des Flüssigkeitsschrumpftestgefäßes;

g - transparentes Kunststoffrohr, p - Poxylin, l - Lineal,

t - transparentes Klebeband

Die folgenden zwei Experimente lassen den Schluss zu, dass die Moleküle verschiedener Körper unterschiedliche Formen und Größen haben. Schneiden Sie zunächst zwei Stücke eines transparenten Kunststoffrohrs mit einem Innendurchmesser von jeweils 1 bis 2 cm und einer Länge von 30 cm ab. Jedes Rohrstück wird mit mehreren Stücken Klebeband an der Kante eines separaten Lineals gegenüber der Skala festgeklebt (Abb. 3). Verschließen Sie die unteren Enden der Schläuche mit Poxylinstopfen. Befestigen Sie beide Lineale mit aufgeklebten Schläuchen in vertikaler Position. Gießen Sie so viel Wasser in einen der Schläuche, dass eine Säule entsteht, die etwa halb so lang ist wie der Schlauch, beispielsweise 14 cm. Gießen Sie die gleiche Menge Ethylalkohol in das zweite Reagenzglas.

Nun fragen wir: Wie hoch wird die Säule der Mischung beider Flüssigkeiten sein? Versuchen wir, experimentell eine Antwort darauf zu finden. Gießen Sie Alkohol in den Wasserschlauch und messen Sie sofort den oberen Flüssigkeitsstand. Diesen Füllstand markieren wir mit einem wasserfesten Marker am Schlauch. Mischen Sie dann beide Flüssigkeiten mit einem Draht und überprüfen Sie den Füllstand erneut. Was fällt uns auf? Es stellt sich heraus, dass dieser Wert gesunken ist, d.h. Das Volumen der Mischung ist geringer als die Summe der Volumina der zu ihrer Herstellung verwendeten Zutaten. Dieses Phänomen wird als Kontraktion des Flüssigkeitsvolumens bezeichnet. Die Volumenreduzierung beträgt in der Regel einige Prozent.

Modellerklärung

Um den Kompressionseffekt zu erklären, führen wir einen Modellversuch durch. Alkoholmoleküle werden in diesem Experiment durch Erbsenkörner dargestellt und Wassermoleküle durch Mohn. In die erste, schmale, durchsichtige Schale, zum Beispiel ein hohes Gefäß, etwa 0,4 m hohe, großkörnige Erbsen gießen, in das zweite gleich hohe Gefäß etwa Mohn (Foto 1a). Dann gießen wir Mohn in ein Gefäß mit Erbsen und messen mit einem Lineal die Höhe, bis zu der die Körneroberkante reicht. Diesen Füllstand markieren wir mit einem Marker oder einem Pharmagummiband am Gefäß (Foto 1b). Verschließen Sie den Behälter und schütteln Sie ihn mehrmals. Wir stellen sie senkrecht und prüfen, bis zu welcher Höhe das obere Niveau der Getreidemischung nun erreicht ist. Es stellt sich heraus, dass er niedriger ist als vor dem Mischen (Foto 1c).

Das Experiment zeigte, dass nach dem Mischen kleine Mohnsamen die freien Räume zwischen den Erbsen füllten, wodurch das von der Mischung eingenommene Gesamtvolumen abnahm. Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn Wasser mit Alkohol und einigen anderen Flüssigkeiten gemischt wird. Ihre Moleküle gibt es in allen Größen und Formen. Dadurch füllen kleinere Partikel die Lücken zwischen größeren Partikeln und das Flüssigkeitsvolumen verringert sich.

Foto 1. Die folgenden Phasen der Untersuchung des Kompressionsmodells:

a) Bohnen und Mohn in getrennten Gefäßen,

b) Körner nach dem Abwerfen, c) Verringerung des Körnervolumens nach dem Mischen

Moderne Implikationen

Heute ist bekannt, dass alle Körper um uns herum aus Molekülen bestehen und diese wiederum aus Atomen. Sowohl Moleküle als auch Atome befinden sich in ständiger zufälliger Bewegung, deren Geschwindigkeit von der Temperatur abhängt. Dank moderner Mikroskope, insbesondere des Rastertunnelmikroskops (STM), können einzelne Atome beobachtet werden. Es sind auch Methoden bekannt, die ein Rasterkraftmikroskop (AFM-) verwenden, mit dem Sie einzelne Atome präzise bewegen und zu sogenannten Systemen kombinieren können Nanostrukturen. Der Kompressionseffekt hat auch praktische Auswirkungen. Wir müssen dies berücksichtigen, wenn wir die Menge bestimmter Flüssigkeiten auswählen, die erforderlich ist, um eine Mischung mit dem erforderlichen Volumen zu erhalten. Sie müssen dies berücksichtigen, inkl. bei der Herstellung von Wodkas, bei denen es sich, wie Sie wissen, hauptsächlich um Mischungen aus Ethylalkohol (Alkohol) und Wasser handelt, da das Volumen des resultierenden Getränks geringer ist als die Summe der Volumina der Zutaten.