Brownsk glidande medelvärde

Temperaturen i ett system är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin, energin på grund av rörelse, av partiklarna i systemet (skillnaden mellan partiklar, molekyler och atomer kommer inte att vara viktig i vår diskussion). I de flesta system är energin lika med en konstant tider temperaturen. Eftersom en högre kinetisk energi betyder en högre hastighet, är det tydligt varför diffusionshastigheten ökar med temperatur: allt rör sig snabbare (i formeln nedan är E den kinetiska energin, k Boltzmanns konstant, T temperaturen, m massan och v är hastigheten). En tung partikel har en lägre hastighet för en given kinetisk energi eller temperatur. En stor partikel interagerar mer med sin miljö, vilket saktar ner det. Således diffunderar tunga, stora partiklar långsammare än ljusa, små. Miljön (materialet som diffunderar materialet är nedsänkt i) är mycket viktigt. Diffusion är snabbast i en gas (eftersom molekyler kan röra sig långt innan de träffar en annan molekyl, och till och med då stannar de bara), långsammare i en vätska (det finns mycket rörelse, men alla molekyler är fortfarande svagt knutna till varandra andra som de rör sig) och mycket långsam eller ibland noll i ett fastämne (eftersom krafterna mellan molekyler och atomer är så generellt så stora att det endast finns sällsynta utbyte av position). Titta på många kontra en En vanlig uppgift är bestämningen av medelvärdet för en del fastigheter i ett system med många partiklar. Fastigheten kan vara hastighet, energi eller vad som helst. Om vi ​​arbetar med en datorsimulering av systemet eller försöker härleda en formel för att beräkna medelvärdet för den här egenskapen, finns det två sätt att få det här genomsnittet: gt vid en tidpunkt, titta på hela samlingen av partiklarna (ensemblet) och beräkna medelvärdet av egenskapen av intresse över alla partiklarna gt följ endast en partikel under en avsevärd tid och medel egenskapen hos den partikeln över den tiden. Titta på en partikel: Brownian Motion Robert Brown, år 1828, rapporterade att pollenkorn, när de var suspenderade i vatten och observerades under mikroskopet, rörde sig på ett snabbt men mycket oregelbundet sätt. Under de åtta årtiondena mellan hans beskrivning och doktorsavhandlingen av Albert Einstein 1905, spekulerade olika forskare om orsaken till denna rörelse. Vissa trodde att motivkraften var belysningen som användes för att se partiklarna i mikroskopet, några föreslagna elektriska effekter, och några till och med korrekt gissade att den termiska rörelsen, som krävdes av den kinetiska värmetekniken, var orsaken. Det fanns dock ingen allmän konsensus och liten kvantitativ förståelse för detta fenomen. Jag observerar brunisk rörelse när jag tittar på fluorescerande, polystyrenkulor som ingår i DNA-diagnostiken vi utvecklar hos GeneVue. Dessa partiklar är endast 0,5 mikron i diameter (0,0005 mm) men innehåller över 100 000 fluorescerande färgämnen, och framträder således som en mycket ljus cirkel. Eftersom deras täthet ligger nära vattnet har de liten tendens att sjunka eller flyta, och bara sitta där och göra termisk dans. Du kan se vad jag ser genom att titta på denna Java-simulering: Kan vi se brunisk rörelse av en enda molekyl En molekyl är i allmänhet mycket mindre än en polystyrenkula eller ett pollenkorn och kan således inte ses i ett vanligt ljusmikroskop. I ett sådant mikroskop ses objekt eftersom de blockerar något av det ljus som belyser dem underifrån (ser ner på objektet). Om objektet är mindre än 12 våglängden av ljuset eliminerar ljusets diffraktion runt föremålet den största delen av skuggan som annars skulle kasta, och vi ser det inte. När du ser ett objekt på grund av det ljus som det emitterar, vilket är fallet om objektet är fluorescerande, gör brytningen inte längre det osynliga. Således kan man se enskilda DNA-molekyler när de komplexeras med fluorescerande färgämnen, även om de inte är synliga i ett normalt ljusfältmikroskop, eftersom DNA-helixens bredd är mycket mindre än ljusets våglängd. Sålunda är svaret på frågan ja. Einsteins bidrag till vår förståelse av brunisk rörelse och diffusion Innan Albert Einstein gjorde sin uppmärksamhet åt grundläggande frågor om relativ hastighet och acceleration, publicerade han en serie papper, som började 1905, om diffusion, viskositet och den fotoelektriska effekten som skulle ha försäkrat honom ett betydande rykte även om han inte senare skapat relativitetens speciella och allmänna teorier. Hans papper om diffusion kom från hans Ph. D.-avhandling. Diffusion hade studerats omfattande vid den tiden men beskrivits i en helt fenomalogisk ram. Einsteins bidrag skulle föreslå: 1. att den partikelformiga partikelbruna partikeln var i princip samma process som diffusion. Således kan vi använda samma ekvationer för brunisk rörelse och diffusion, även om vi ser direkt på den bruna partikelns rörelse, men brukar mäta diffusion av små molekyler genom att följa förändringar i koncentrationer. 3. En formel för diffusionskoefficienten för ett ämne i termer av radie av diffunderande partiklar eller molekyler och andra kända parametrar: DRT 6 pi N vr R är gaskonstanten (8 i SI-enheter), T är den absoluta temperaturen ( 300 K är rumstemperatur.) Pi är 3,14159. N är antalet molekyler i en mol (6 XE 23) v är lösningsmedlets viskositet (0,001 för vatten i SI-enheter) r är partikelns eller molekylens radie Effekter av dessa ekvationer Experimentell observation bekräftar den numeriska noggrannheten hos Einsteins teori. Det betyder att vi förstår Browns rörelse är bara en följd av samma termiska rörelse som får en gas att utöva ett tryck på behållaren som begränsar den. Vi förstår diffusion i form av rörelserna för de enskilda partiklarna och kan beräkna diffusionskoefficienten för en molekyl om vi känner till dess storlek (eller mer vanligt beräknar molekylens storlek efter experimentell bestämning av diffusionskoefficienten). Således kopplade Einstein den makroskopiska processen med diffusion med det mikroskopiska begreppet termisk rörelse av enskilda molekyler. Inte en dålig Ph. D.-avhandling. Bruna rörelser av många partiklar är diffusion Således kan vi modellera diffusion på samma sätt som vi gjorde rörelsen av en enda partikel, vi använder bara fler partiklar. I följande Java-applet följer vi 16 objekt som de diffunderar över en yta. En andra modifikation av simuleringen är superpositionen av en konstant nedåtgående kvotdrifthastighetsquot som kan sättas till vilket värde som helst: Medan denna simulering kan ses bara en leksak kan den användas för att studera några intressanta situationer. För att kunna använda det som ett kvantitativt verktyg behöver du dock mer information. Beräkning av förändringar i koncentrationen som diffusion utvecklas Ofta är vi inte intresserade av rörelsen av enskilda partiklar, utan snarare i förändringar i en koncentrationsprofil med tiden. De två differentialekvationerna som beskriver bulkdiffusion var kända väl före Einstein. Den första lagen är i huvudsak definitionen av diffusionskoefficienten. Den 1: a lagen plus bevarande av massa ger den 2: a lagen. och lösningar av denna partiella differentialekvation är koncentrationsprofilerna som härrör från diffusion. Med tanke på den inledande koncentrationsprofilen beskriver den andra lagen hur koncentrationen vid varje position ändras med tiden och gör det möjligt att beräkna koncentrationsprofilen vid senare tidpunkter. I praktiken kan det vara svårt att hitta lösningarna i den andra lagen. Även för enkla initialkoncentrationer måste lösningarna ofta uttryckas i form av andra kvotstandardfunktioner, och de numeriska värdena extraheras från tabeller. Här ger vi lösningar för två av de enklaste fallen: 1. Vid t 0 är allt material koncentrerat i ett planark på x 0, vilket är godtyckligt tunt (och sålunda är koncentrationen i arket godtyckligt stor). Lösningen är en Gauss-fördelning som blir lägre och bredare när tiden går vidare. 2. Vid t 0 är koncentrationen under planet vid x 0 konstant, över planet är den 0. Lösningen är en kvotformad profil, integreringen av en serie gausskurvor, som blir bredare med tiden. Diffusion av objekt med olika storlek Diffusionskoefficienten är omvänt proportionell mot en partikelns radie eller volymen i kubusroten. Så om massan av en sfärisk partikel är 8 gånger större än en annan är dess diffusionskoefficient endast 2 gånger mindre. Jag har valt 7 kemikalier, molekyler eller objekt (skillnaden mellan dessa termer är inte alltid klar) och beräknad en (mycket) ungefärlig radie (i nm), diffusionskoefficienten (i SI-enheter tider 10 12) och tiden i sekunder krävs för att diffundera 10 mikron (diameteren av en typisk djurcell). GAS, VÄSKOR OCH SOLID-applicering av partikelmodellen för de tre tillståndsmaterialen för partikelmodeller, som beskriver, förklarar egenskaperna hos gaser, vätskor och fastämnen Doc Browns Chemistry KS4 science GCSEIGCSE Revisionsanmärkningar Jämförelse av egenskaper Egenskaper för gaser, vätskor och fasta ämnen Gasliquidsolid revisionsanmärkningar Del 1 Den kinetiska partikelmodellen och beskriver och förklarar egenskaperna hos gaser, vätskor och fasta ämnen, tillståndsförändringar och lösningar (avsnitt 1a till 3d) Du borde veta att de tre tillstånden är materiella, flytande och gas. Smältning och frysning sker vid smältpunkten, kokning och kondensering sker vid kokpunkten. De tre tillståndstillstånden kan representeras av en enkel modell där partiklarna representeras av små fasta sfärer. Partikelteori kan bidra till att förklara smältning, kokning, frysning och kondensering. Mängden energi som behövs för att ändra tillståndet från fast till flytande och från vätska till gas beror på styrkan i krafterna mellan substansens partiklar och arten av de involverade partiklarna beror på typen av bindning och ämnets struktur. Ju starkare krafterna mellan partiklarna desto högre smältpunkten och kokpunkten för substansen. För detaljer, se struktur - och bindningsanvisningar. Det fysiska tillstånd som ett material antar beror på dess struktur, temperatur och tryck. Statliga symboler som används i ekvationer: (g) gas (l) flytande (aq) vattenlösning (er) fast vattenhaltig lösning betyder något upplöst i vatten De flesta diagrammen av partiklar på denna sida är 2D-representationer av deras struktur och tillstånd EXEMPEL PÅ DE TRE FYSISKA STATER AV MATTERGASER, t. ex. luftblandningen runt oss (inklusive det syre som behövs för förbränning) och högtrycksångan i ånglokets pannor och cylindrar. Alla gaserna i luften är osynliga, färglösa och transparenta. Observera att ångan som du ser utanför en vattenkokare eller ånglok är faktiskt fina vätskedroppar med vatten, som bildas från den utdrivna ånggasen, som kondenserar när den möter den kalla luften. Statens byte av gas till vätska (samma effekt i dimma och dimbildning) . Vätskor, t. ex. Vatten är det vanligaste exemplet, men det är också mjölk, smör, bensin, olja, kvicksilver eller alkohol i en termometer. SOLIDS, t. ex. sten, alla metaller vid rumstemperatur (förutom kvicksilver), gummikläder och de flesta fysiska föremålen runt dig. I själva verket beskrivs de grundläggande fysikaliska egenskaperna hos gaser, vätskor och fasta ämnen i form av struktur, partikelrörelse (kinetisk partikelteori), effekter av temperatur - och tryckförändringar och partikelmodeller brukade förklara dessa egenskaper och egenskaper. Förhoppningsvis kommer teori och faktum att matcha för att ge studenterna en klar förståelse av den materiella världen runt dem när det gäller gaser, vätskor och fasta ämnen som kallas de tre fysiska tillstånden av materia. Statens förändringar som kallas smältning, smältning, kokning, indunstning, kondensering, flytande, frysning, stelning, kristallisering beskrivs och förklaras med partikelmodellbilder för att hjälpa förståelsen. Det finns också omnämnande av blandbara och icke-blandbara vätskor och förklarar villkoren flyktiga och flyktiga när de appliceras på en vätska. Dessa revisionsanmärkningar om materialets tillstånd bör vara användbara för de nya AQA, Edexcel och OCR GCSE (91) kemi vetenskapliga kurser. Delindex för del I sektioner (denna sida): 1.1. De tre tillstånden, gasliquidsolid partikelteori modeller De tre tillstånden är materiella, flytande och gas. Smältning och frysning kan antingen äga rum vid smältpunkten, medan kokning och kondensering sker vid kokpunkten. Avdunstning kan ske vid vilken temperatur som helst från en flytande yta. Du kan representera de tre tillståndsstaten med en enkel partikelmodell. I dessa modeldiagram representeras partiklarna av små fasta sfärer (elektronstrukturen ignoreras). Kinetisk partikelteori kan bidra till att förklara statens förändringar som smältning, kokning, frysning och kondensering. Mängden energi som krävs för att ändra tillståndet från fast till flytande eller från vätska till gas beror på styrkan i krafterna mellan substansens partiklar. Dessa krafter kan vara relativt svaga intermolekylära krafter (intermolekylär bindning) eller starka kemiska bindningar (jonisk, kovalent eller metallisk). De berörda partiklarnas art beror på typen av kemisk bindning och ämnets struktur. Ju starkare de attraktiva krafterna mellan partiklarna desto högre smältpunkt och kokpunkten för substansen VAD ÄR DE TRE STADERNAS MATERIAL De flesta material kan helt enkelt beskrivas som en gas, en vätska eller en fast substans. Varför är de som de bara vet är inte tillräckligt, vi behöver en omfattande teorin om gaser, som kan förklara deras beteende och göra förutsägelser om vad som händer t. ex. om vi ändrar temperatur eller tryck. Hur kan vi förklara hur de har vi behöver en teoretisk modell, t. ex. partikelteori som stöds av experimentella bevis. KAN PARTIKEL MODELLER HJÄLP US FÖRSTÄLLER DIG EGENSKAPER OCH KARAKTERISTIK VAR HUR DET ÄR VIKTIGT ATT VETA EGENSKAPER FÖR GAS, VÄSKOR OCH SOLIDER Det är viktigt att kemiska industrin känner till beteendet hos gaser, vätskor och fasta ämnen i kemiska processer, t. ex. vad händer med de olika tillstånden med förändringar i temperatur och tryck. Vad är KINETISK PARTIKEL TEORIEN av gaser, vätskor och fasta substanser Kinetiska partikelteorin för materialets tillstånd grundar sig på idén om allt material som existerar som mycket mycket små partiklar som kan vara enskilda atomer eller molekyler och deras interaktion med varandra antingen genom kollision i gaser eller vätskor eller genom vibrationer och kemisk bindning i fasta ämnen. KAN VI FÖRETAGA PREDIKTIONER BASERADE PÅ DESS KARAKTERISTISKA EGENSKAPER Denna sida introducerar allmänna fysiska beskrivningar av ämnen i den enklaste fysiska (icke-kemiska) klassificeringsnivån, dvs det är en gas, en vätska eller en fast substans. MEN denna hemsida introducerar också partikelmodeller där en liten cirkel representerar en atom eller en molekyl, dvs en viss partikel eller enklaste enhet av en substans. Det här avsnittet är ganska abstrakt på ett sätt eftersom du pratar om partiklar som du inte kan se som individuellt, du bara massmaterialet och dess fysiska karaktär och egenskaper. Finns det BEGRÄNSNINGAR till partikelmodellen Partiklarna behandlas som enkla oelastiska sfärer och uppför sig bara som snookerbollar som flyger runt, inte riktigt sanna, men de flyger runt slumpmässigt non-stop Även om partiklarna antas vara hårda sfärer och oelastiska , i verkligheten är de alla slags former och vridningar och böjer på kollision med andra partiklar och när de reagerar delas de i fragment när bindningar bryts. Den enkla modellen förutsätter ingen krafter mellan partiklarna, osannolika, modellen tar lite hänsyn till krafterna mellan partiklarna, även i gaser får du mycket svaga intermolekylära krafter. Partikelmodellen tar ingen hänsyn till partiklarnas faktiska storlek, t. ex. jonmolekyler kan vara mycket olika i storlek, t. ex. jämföra en etenmolekyl med en poly (eten) molekyl Mellanslag mellan partiklarna VAD ÄR GASSTÅENDE MATTA VAD ÄR GASENS EGENSKAPER HUR GASFÖRSÄTTNINGAR HÅLLER Hur förklarar kinetisk partikelteori av gaser gasernas egenskaper En gas har ingen fast form eller volym men sprider sig alltid ut för att fylla behållare - gasmolekylerna kommer att diffundera till vilket utrymme som helst. Det finns nästan inga dragningskraftar mellan partiklarna så att de är helt fria från varandra. Partiklarna är i stor utsträckning åtskilda och spridda för att snabbt flytta slumpmässigt genom behållaren så att det inte finns någon ordning i systemet. Partiklarna rör sig linjärt och snabbt i alla riktningar. och kolliderar ofta med varandra och sidan av behållaren. Kollisionen av gaspartiklar med ytan av en behållare orsakar gastryck. på studsande av en yta utövar de en kraft i detta. Med temperaturökning. partiklarna rör sig snabbare när de får kinetisk energi. Kollisionshastigheten mellan partiklarna själva och behållarens yta ökar och detta ökar gastrycket, t ex i ett ånglokom eller behållarens volym om det kan expandera t. ex. som en ballong. Gaser har en mycket låg densitet (ljus) eftersom partiklarna är så utspända i behållaren (massvikt av densitet). Densitetsordning: fast gt flytande gtgtgtgaser gaser flyter fritt för att det inte finns några effektiva dragningskrafter mellan gasformiga partikelmolekylerna. Lätt flödesordning. gaser gt liquids gtgtgt solids (inget verkligt flöde i fasta om inte du pulverar det) På grund av detta beskrivs gaser och vätskor som vätskor. Gaser har ingen yta. och ingen fast form eller volym. och på grund av brist på partikelattraktion sprider de alltid ut och fyller behållare (så att volymen i volymen i volymen i volymen). Gaser komprimeras lätt på grund av det tomma utrymmet mellan partiklarna. Lätt komprimeringsorder. gaser gtgtgt vätskor gt fastämnen (nästan omöjligt att komprimera ett fast material) Gastryck När en gas är inrymd i en behållare kommer partiklarna att orsaka och utöva ett gastryck som mäts i atmosfären (atm) eller Pascals (1,0 Pa 1,0 Nm 2) trycket är forcearea dvs. effekten av alla kollisioner på behållarens yta. Gastrycket orsakas av kraften som skapas av miljontals effekter av de små enskilda gaspartiklarna på sidorna av en behållare. Till exempel om antalet gasformiga partiklar i en behållare fördubblas fördubblas gastrycket, eftersom fördubblingen av antalet molekyler fördukar antalet slag på sidan av behållaren så att den totala slagkraften per areanhet också fördubblas. Denna fördubbling av partikelpåverkan som fördubblar trycket framgår av de två diagrammen nedan. Om volymen av en förseglad behållare hålls konstant och gasen inuti värms till en högre temperatur ökar gastrycket. Anledningen till detta är att när partiklarna upphettas får de kinetisk energi och i genomsnitt rör sig snabbare. Därför kommer de att kollidera med behållarens sidor med större slagkraft. så ökar trycket. Det finns också en större kollisionsfrekvens med behållarens sidor, MEN detta är en mindre faktor jämfört med effekten av ökad kinetisk energi och ökningen i den genomsnittliga kraftkraften. Därför en fast mängd gas i en sluten behållare med konstant volym, desto högre temperatur desto större är trycket och ju lägre temperatur desto mindre är trycket. För beräkningar av gasstrycktemperaturer se del 2 CharlessGayLussacs Law Om behållarens volym kan ändras, expanderas gaser snabbt vid uppvärmning på grund av brist på partikelattraktion, och kan lätt kontraheras vid kylning. Vid uppvärmning får gaspartiklarna kinetisk energi. Flytta snabbare och träffa behållarens sidor oftare. och betydligt de slog med en större kraft. Beroende på behållarsituationen ökar antingen eller trycket eller volymen (omvänd vid kylning). Obs! Det är gasvolymen som inte utökar molekylerna, de är lika stora. Om det inte finns någon volymbegränsning är expansionen vid uppvärmning mycket större för gaser än vätskor eller fastämnen eftersom det inte finns någon signifikant attraktion mellan gasformiga partiklar. Den ökade genomsnittliga kinetiska energin kommer att göra gastrycket steget och så kommer gasen att försöka expandera i volymen om den tillåts till t. ex. ballonger i ett varmt rum är betydligt större än samma ballong i ett kallrum. För gasvolymberäkningar se del 2 CharlessGayLussacs Law DIFFUSION i gaser: Den naturliga snabba och slumpmässiga rörelsen av partiklarna i alla riktningar innebär att gaser sprids eller diffunderas lätt. Nätrörelsen för en viss gas kommer att vara i riktning från lägre koncentration till en högre koncentration, nedför den så kallade diffusionsgradienten. Di ffusion fortsätter tills koncentrationerna är likformiga i hela behållaren av gaser, men alla partiklar fortsätter att flytta med sin allvarliga kinetisk energi. Diffusion är snabbare i gaser än vätskor, där det finns mer utrymme för dem att röra sig (experiment illustreras nedan) och diffusion är försumbar i fast material på grund av partiklarnas nära packning. Diffusion är ansvarig för spridningen av lukt även utan någon luftstörning t. ex. användning av parfym, öppna en burk kaffe eller lukten av bensin runt ett garage. Graden av diffusion ökar med temperaturökning eftersom partiklarna får kinetisk energi och rör sig snabbare. Andra bevis för slumpmässig partikelrörelse inklusive diffusion. När röka partiklar betraktas under ett mikroskop verkar de dansa om de lyser med en ljusstråle vid 90 o i visningsriktningen. Detta beror på att rökpartiklarna uppträder av reflekterat ljus och dans på grund av de miljoner slumpmässiga träffarna från de snabbflyttande luftmolekylerna. Detta kallas brunisk rörelse (se nedan i vätskor). Vid ett visst ögonblick kommer träffarna inte att vara jämn, så rökspartikeln får en större bashing i slumpmässig riktning. Ett två gasformigt molekyldiffusionsexperiment illustreras ovan och förklaras nedan. Ett långt glasrör (24 cm diameter) fylls i ena änden med en plugg av bomullsull blöt i koncentrering. saltsyra förseglad med en gummiband (för hälsa och säkerhet) och röret hålls helt stillt och kläms i ett vågrätt läge. En liknande plugga av konc. ammoniaklösning placeras i den andra änden. De blötläggda bomullspluggarna avger ångor av HCl och NH3, och om röret lämnas ostört och horisontellt, trots bristen på rörrörelse, t. ex. NEJ skakas att blanda och frånvaron av konvektion, ett vitt moln bildar ca 1 3 r längs från konc. saltsyra röränden. Förklaring: Vad händer är de färglösa gaserna, ammoniak och väteklorid diffundera ner i röret och reagera för att bilda fina vita kristaller av salt ammoniumkloriden. ammoniakväteklorid gt ammoniumklorid NH3 (g) HCl (g) gt NH 4 Cl (s) Observera regeln: Ju mindre molekylmassa desto högre molekylernas genomsnittliga hastighet (men alla gaser har samma genomsnittliga kinetiska energi vid samma temperatur). Ju mindre molekylmassan desto snabbare diffunderar gasen. t. ex. Mr (NH3) 14 1x3 17. rör sig snabbare än M r (HCl) 1 35.5 36.5 OCH det är därför de träffas närmare HCl-änden av röret. Så experimentet är inte bara bevis för molekylrörelse. Det är också bevis på att molekyler med olika molekylmassor rör sig i olika hastigheter. För en matematisk behandling, se Grahams diffusionslag. En färgad gas som är tyngre än luften (större densitet) sätts i den nedre gasburken och en andra gasburk med låg densitet färglös luft placeras över den separerad med ett glaslock. Diffusionsexperiment bör vara inneslutna vid konstant temperatur för att minimera störning genom konvektion. Om glasskyddet avlägsnas diffunderar (i) de färglösa luftgaserna ned i den färgade bruna gasen och (ii) brom diffunderar upp i luften. Den slumpmässiga partikelrörelsen som leder till blandning kan inte bero på konvektion eftersom den mer täta gasen börjar i botten. Ingen skakning eller andra sätt att blanda krävs. Den slumpmässiga rörelsen av båda partiklarna är tillräcklig för att säkerställa att båda gaserna ibland blir helt blandade genom diffusion (sprids i varandra). Detta är tydligt bevis för diffusion på grund av den slumpmässiga kontinuerliga rörelsen av alla gaspartiklar och i första hand nettoförflyttningen av en typ av partikel från en högre till en lägre koncentration (ned en diffusionsgradient). Vid fullständig blandning observeras ingen ytterligare färgförändringsfördelning, men slumpmässig partikelrörelse fortsätter. Se även andra bevis i vätskesektionen efter partikelmodellen för diffusionsschema nedan. En partikelmodell av diffusion i gaser. Föreställ dig diffusionsgradienten från vänster till höger för att de gröna partiklarna läggs till de blåa partiklarna till vänster. Så, för de gröna partiklarna, är nettomigration från vänster till höger och fortsätter i en sluten behållare tills alla partiklar är jämnt fördelade i gasbehållaren (enligt bilden). Diffusion är snabbare i gaser jämfört med flytande lösningar eftersom det finns mer utrymme mellan partiklarna för andra partiklar att flytta in slumpmässigt. När ett fast material värms upp vibrerar partiklarna starkare, eftersom de får kinetisk energi och partikeln attraktiva krafter försvagas. Till slut, vid smältpunkten. De attraktiva krafterna är för svaga för att hålla partiklarna i strukturen tillsammans på ett ordnat sätt och så smälter fastämnet. Observera att de intermolekylära krafterna fortfarande finns där för att hålla volymen ihop, men effekten är inte tillräckligt stark för att bilda en bestående kristallgitter av en fast substans. Partiklarna blir fria att flytta runt och förlora deras beställda arrangemang. Energi behövs för att övervinna de attraktiva krafterna och ge partiklarna ökad kinetisk energi av vibrationer. Så värme tas in från omgivningen och smältning är en endoterm process (916H ve). Energiförändringar för dessa fysiska tillståndsförändringar för en rad ämnen behandlas i en del av energiläkningarna. Förklaras med hjälp av kinetisk partikelteori för vätskor och fasta ämnen Vid kylning förlorar vätskepartiklar kinetisk energi och kan sålunda lockas starkare till varandra. När temperaturen är tillräckligt låg är partikelns kinetiska energi otillräcklig för att förhindra att partikeln attraktiva krafter förorsakar ett fast ämne. I slutändan vid fryspunkten är attraktionskrafterna tillräckliga för att avlägsna eventuell återstående rörelsesfrihet (i form av en plats till en annan) och partiklarna kommer samman för att bilda det ordnade fasta arrangemanget (även om partiklarna fortfarande har vibrerande kinetisk energi. Eftersom värme måste avlägsnas till omgivningen, så konstigt som det kan tyckas att frysning är en exoterm process (916H ve). Jämförande energiförändringar av tillståndsändringar gas Lätt flytande Lätt solid 2f (i) Kylkurva. Vad händer med temperaturen hos ett ämne om det kyls från gasformigt tillstånd till fast tillstånd Observera att temperaturen stannar konstant under tillståndsförändringarna vid kondensering vid temperatur Tc och frigöring vid temperatur Tf. Detta beror på att all värmeenergi avlägsnats vid kylning vid dessa temperaturer (latenta värmer eller enthalpier med tillståndsändring), möjliggör förstärkning av interpartikelkrafterna (intermolekylär bindning) utan temperaturfall. Värmeförlusten kompenserar d genom den exoterma ökade intermolekylära kraftdragningen. Mellan de horisontella tillståndsförändringssektionerna i diagrammet kan du se att energiföretaget minskar partikelns kinetiska energi, sänker ämnets temperatur. Se avsnitt 2. För detaljerad beskrivning av statens förändringar. En kylkurva sammanfattar ändringarna: För varje tillståndsförändring måste energi tas bort. känd som latent värme. Faktiska energivärden för dessa fysiska tillståndsförändringar för en rad ämnen behandlas mer detaljerat i Energetics Notes. 2f (ii) Värmekurva. Vad händer med temperaturen hos ett ämne om det värms från fast tillstånd till gasformigt tillstånd Observera att temperaturen stannar konstant under tillståndets förändringar av smältning vid temperatur Tm och kokande vid temperatur Tb. Detta beror på att all energi som absorberas vid uppvärmning vid dessa temperaturer (de latenta värmerna eller enthalpierna med tillståndsändring), försvagar interpartikelkrafterna (intermolekylär bindning) utan temperaturhöjning. Värmeförstärkningen är lika med den energi som krävs för att absorbera endotermicheat för att minska de intermolekylära krafterna . Mellan de horisontella tillståndsförändringssektionerna i diagrammet kan du se att energianmatningen ökar partikelns kinetiska energi och ökar temperaturen på substansen. Se avsnitt 2. För detaljerad beskrivning av statens förändringar. En värmekurva sammanfattar ändringarna: För varje tillståndsändring måste energi läggas till. känd som latent värme. Faktiska energivärden för dessa fysiska tillståndsförändringar för en rad ämnen behandlas mer detaljerat i Energetics Notes. SÄRSKILDA LATENTVÄRD Den latenta värmen för staten förändras solidt löstvätska kallas den specifika latenta värmen för fusion (för smältning eller frysning). Den latenta värmen för staten förändrar flytande lutgas kallas den specifika latenta värmen för förångning (för kondensering, avdunstning eller kokning) För mer om latent värme, se mina fysikanmärkningar om specifik latent värme. Förklaras med användning av kinetisk partikelteori för gaser och fasta ämnen. Detta är när en fast, vid uppvärmning, ändras direkt till en gas utan att smälta, och gasen vid kylning omformar en fast direkt utan att kondensera till en vätska. Sublimering innebär vanligtvis bara en fysisk förändring men det är inte alltid så enkelt (se ammoniumklorid). Teori när det gäller partiklar. När det fasta materialet värms upp vibrerar partiklarna med ökande kraft från den tillsatta termiska energin. Om partiklarna har tillräckligt med vätskekinetisk energi för att delvis övervinna partikelpartikeln attraktiva krafter, förväntar du dig att det fasta smälter. Om partiklarna vid denna tidpunkt emellertid har tillräckligt med energi vid denna punkt som skulle ha lett till kokning, kommer vätskan inte att bildas och det fasta materialet slår direkt in i en gas. Total endoterm förändring. energi absorberas och tas in i systemet. Vid kylning rör sig partiklarna långsammare och har mindre kinetisk energi. Så småningom, när partikelkinetisk energi är tillräckligt låg, tillåter partikelpartikeln attraktiva krafter att framställa en vätska. MEN energin kan vara tillräckligt låg för att möjliggöra direkt bildning av det fasta materialet, dvs partiklarna har INTE tillräckligt med kinetisk energi för att upprätthålla en flytande tillståndsövergripande exoterm förändring. energi släpps ut och ges ut till omgivningen. Även vid rumstemperatur visar flaskor av fast jod kristaller som bildas på toppen av flaskan ovanför det fasta materialet. The warmer the laboratory, the more crystals form when it cools down at night If you gently heat iodine in a test tube you see the iodine readily sublime and recrystallise on the cooler surface near the top of the test tube. The formation of a particular form of frost involves the direct freezing of water vapour (gas). Frost can also evaporate directly back to water vapour (gas) and this happens in the dry and extremely cold winters of the Gobi Desert on a sunny day. H 2 O (s) H 2 O (g) (physical change only) Solid carbon dioxide (dry ice) is formed on cooling the gas down to less than 78 o C. On warming it changes directly to a very cold gas. condensing any water vapour in the air to a mist, hence its use in stage effects. CO 2 (s) CO 2 (g) (physical change only) On heating strongly in a test tube, white solid ammonium chloride . decomposes into a mixture of two colourless gases ammonia and hydrogen chloride. On cooling the reaction is reversed and solid ammonium chloride reforms at the cooler top surface of the test tube. Ammonium chloride heat energy ammonia hydrogen chloride T his involves both chemical and physical changes and is so is more complicated than examples 1. to 3. In fact the ionic ammonium chloride crystals change into covalent ammonia and hydrogen chloride gases which are naturally far more volatile (covalent substances generally have much lower melting and boiling points than ionic substances). The liquid particle picture does not figure here, but the other models fully apply apart from state changes involving liquid formation. GAS particle model and SOLID particle model links. PLEASE NOTE, At a higher level of study . you need to study the gls phase diagram for water and the vapour pressure curve of ice at particular temperatures . For example, if the ambient vapour pressure is less than the equilibrium vapour pressure at the temperature of the ice, sublimation can readily take place. The snow and ice in the colder regions of the Gobi Desert do not melt in the Sun, they just slowly sublimely disappear 2 h. More on the heat changes in physical changes of state Changes of physical state i. e. gas ltgt liquid ltgt solid are also accompanied by energy changes. To melt a solid, or boilevaporate a liquid, heat energy must be absorbed or taken in from the surroundings, so these are endothermic energy changes. The system is heated to effect these changes. To condense a gas, or freeze a solid, heat energy must be removed or given out to the surroundings, so these are exothermic energy changes. The system is cooled to effect these changes. Generally speaking, the greater the forces between the particles, the greater the energy needed to effect the state change AND the higher the melting point and boiling point. A comparison of energy needed to melt or boil different types of substance (This is more for advanced level students) The heat energy change involved in a state change can be expressed in kJmol of substance for a fair comparison. In the table below 916H melt is the energy needed to melt 1 mole of the substance (formula mass in g). 916H vap is the energy needed to vaporise by evaporation or boiling 1 mole of the substance (formula mass in g). For simple small covalent molecules, the energy absorbed by the material is relatively small to melt or vaporise the substance and the bigger the molecule the greater the intermolecular forces. These forces are weak compared to the chemical bonds holding atoms together in a molecule itself. Relatively low energies are needed to melt or vapourise them. These substances have relatively low melting points and boiling points. For strongly bonded 3D networks e. g. (iii) and a metal lattice of ions and free outer electrons ( m etallic bonding ), the structures are much stronger in a continuous way because of the continuous chemical bonding throughout the structure. Consequently, much greater energies are required to melt or vaporise the material. This is why they have so much higher melting points and boiling points. Type of bonding, structure and attractive forces operating Melting point K (Kelvin) o C 273 Energy needed to melt substance Boiling point K (Kelvin) o C 273 Energy needed to boil substance 3a. WHAT HAPPENS TO PARTICLES WHEN A SOLID DISSOLVES IN A LIQUID SOLVENT What do the words SOLVENT, SOLUTE and SOLUTION mean When a solid (the solute ) dissolves in a liquid (the solvent ) the resulting mixture is called a solution . In general: solute solvent gt solution So, the solute is what dissolves in a solvent, a solvent is a liquid that dissolves things and the solution is the result of dissolving something in a solvent. The solid loses all its regular structure and the individual solid particles (molecules or ions) are now completely free from each other and randomly mix with the original liquid particles, and all particles can move around at random. This describes salt dissolving in water, sugar dissolving in tea or wax dissolving in a hydrocarbon solvent like white spirit. It does not usually involve a chemical reaction, so it is generally an example of a physical change . Whatever the changes in volume of the solid liquid, compared to the final solution, the Law of Conservation of Mass still applies. This means: mass of solid solute mass of liquid solvent mass of solution after mixing and dissolving. You cannot create mass or lose mass . but just change the mass of substances into another form. If the solvent is evaporated . then the solid is reformed e. g. if a salt solution is left out for a long time or gently heated to speed things up, eventually salt crystals form, the process is called crystallisation . 3b. WHAT HAPPENS TO PARTICLES WHEN TWO LIQUIDS COMPLETELY MIX WITH EACH OTHER WHAT DOES THE WORD MISCIBLE MEAN Using the particle model to explain miscible liquids. If two liquids completely mix in terms of their particles, they are called miscible liquids because they fully dissolve in each other. This is shown in the diagram below where the particles completely mix and move at random. The process can be reversed by fractional distillation . 3c. WHAT HAPPENS TO PARTICLES WHEN TWO LIQUIDS DO NOT MIX WITH EACH OTHER WHAT DOES THE WORD IMMISCIBLE MEAN WHY DO THE LIQUIDS NOT MIX Using the particle model to explain immiscible liquids. If the two liquids do NOT mix . they form two separate layers and are known as immiscible liquids, illustrated in the diagram below where the lower purple liquid will be more dense than the upper layer of the green liquid. You can separate these two liquids using a separating funnel . The reason for this is that the interaction between the molecules of one of the liquids alone is stronger than the interaction between the two different molecules of the different liquids. For example, the force of attraction between water molecules is much greater than either oiloil molecules or oilwater molecules, so two separate layers form because the water molecules, in terms of energy change, are favoured by sticking together. 3d. How a separating funnel is used 1. The mixture is put in the separating funnel with the stopper on and the tap closed and the layers left to settle out. 2. The stopper is removed, and the tap is opened so that you can carefully run the lower grey layer off first into a beaker. 3. The tap is then closed again, leaving behind the upper yellow layer liquid, so separating the two immiscible liquids. Appendix 1 some SIMPLE particle pictures of ELEMENTS, COMPOUNDS and MIXTURES GCSEIGCSE multiple choice QUIZ on states of matter gases, liquids amp solids Some easy basic exercises from KS3 science QCA 7G quotParticle model of solids, liquids and gasesquot Multiple Choice Questions for Science revision on gases, liquids and solids particle models, properties, explaining the differences between them. See also for gas calculations gcse chemistry revision free detailed notes on states of matter to help revise igcse chemistry igcse chemistry revision notes on states of matter O level chemistry revision free detailed notes on states of matter to help revise gcse chemistry free detailed notes on states of matter to help revise O level chemistry free online website to help revise states of matter for gcse chemistry free online website to help revise states of matter for igcse chemistry free online website to help revise O level states of matter chemistry how to succeed in questions on states of matter for gcse chemistry how to succeed at igcse chemistry how to succeed at O level chemistry a good website for free questions on states of matter to help to pass gcse chemistry questions on states of matter a good website for free help to pass igcse chemistry with 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 wor king 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 particl e 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 c hemistry, 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 chem istry 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 solidsBrownian 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